1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 图像水印技术研究与实现 所在学院 专业班级 计算机科学与技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 ： 本文采用以小波变换理论为基础的图像水印算法，利用其优秀的隐蔽性以及鲁棒性，进行图像水印算法的研究与实现。首先，对水印进行伪随机 置乱，从而达到对水印进行加密的目的，再对原始图像进行小波变换，获得所需的系数矩阵，最后在原始图像的频带中将水印进行隔列嵌入。由于 MATLAB 优秀的图像处理能力，本文利用 MATLAB 来处理算法，实现水印的嵌入与提取。实验结果表明，该算法嵌入的水印具有良好的透明性与鲁棒性。 关键词： 图像水印技术；
2、小波理论； MATLAB The Research and Implementation of Image Watermarking Abstract: Image watermarking used in this paper is based on the wavelet transform theory, take advantage of its excellent hidden nature and robustness, for the research and implementation of image watermarking algorithm. First, do th
3、e pseudo random permutation to the watermark, so as to achieve the purpose of encrypted to the watermark, and then the wavelet transform is done on the original image, so the necessary coefficient matrix is obtained, finally embedding the watermark in every column to the band of original image. Sinc
4、e the excellent image processing of MATLAB, it is used to process the algorithms, to realize the watermark embedding and extraction. Experimental results show that the algorithm embedding watermark has good transparency and robustness. Key words: Image Watermarking; Wavelet theory; MATLAB目 录 1 引言 .
5、1 1.1 选题的背景、意义 . 1 1.2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 . 1 1.2.1 研究的基本内容 . 1 1.2.2 拟解决的主要问题 . 2 2 技术简介 . 4 2.1 设计概述 . 4 2.1.1 设计目标 . 4 2.1.2 开发环境 . 4 2.2 主要技术简介 . 4 2.2.1 小波变换 . 4 2.2.2 图像处理 . 5 2.2.3 图像水印技术 . 5 2.2.4 应用于图像水印技术的小波变换 . 5 2.3 可行性分析 . 5 2.3.1 技术可行性分析 . 5 2.3.2 经济可行性分析 . 6 3 概要设计 . 7 3.1 体系结构 . 7 4 详细
6、设计 . 8 4.1 基于小波变换的图像水印的嵌入和提取 . 8 4.1.1 二维离散小波变换分解 . 8 4.1.2 水印图像的嵌入 . 9 4.1.3 水印图像的提取 . 12 4.2 水印攻击实验 . 12 结束语 . 18 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 19 1 1 引言 1.1 选题的背景、意义 随着当前社会经济的快速发展，新的 IT 技术、电子商务以及大量的网络多媒体不断涌现，产品的版权保护和完整性认证也变得尤为重要，而图像水印技术就是在此基础上兴起的一门计算机科学技术。互联网的飞速发展极大的方便了人们从网络 上获取数据，同时数字技术的发展和数字信息的普及也带来了许
7、多问题 ,其中一个重要的问题就是数字产品的版权保护问题 1。数字图像水印技术作为一种新兴的版权保护技术，是对数字媒体产品进行版权保护的有效方法之一。它实质是一种运用图像处理实现隐藏信息的技术。用于版权保护的图像水印的关键是水印信息嵌入的隐蔽性和抵抗攻击的鲁棒性。 数字水印技术 的学科特点在于它横跨图像处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通信等多学科领域，以这些领域的算法、思想和概念为基础。一个数字水印方案一般总是综合利用这些领域的最新进展，各学科的学 者们也提出了不尽相同的算法 2。 总的来说，数字水印技术是将一些标识信息 (即数字水印 )直接嵌入数字载体 (包括多媒体、文档、软件等 )当
8、中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统 (如视觉或听觉系统 )觉察或注意到。通过隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的 3。数字图像水印技术是信息隐藏技术的一个重要研究方向，为实现有效地信息版权保护提供了一种重要的手段。 1.2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 1.2.1 研究的基本内容 1. 小波变换的特征 一 种多分辨率分析工具 ，为不同尺度上信号的的分析和表征提供了精确和统一框架。它的原理是来源于傅里叶变换 ,但是它比传统的傅里叶变换有更多优点，比如： 1）小波变换可以覆盖整个频域； 2)可以通过选取合适滤波器，减少或
9、除去提取的不同特征之间的相关性； 3)具有“变焦”特性，低频段可用高频率分辨率和低时间分辨率，在高频段可用低频率分辨率和高时间分辨率； 4)小波变换在实现上有快速算法（ Mallat 小波分析算法） 4。 小波变换是空间 (时间 )和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能可对 函数或信号进行多尺度的细化分析，解决了傅里叶变换不能解决的许多困难问题。小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、傅里叶分析、样调分析、数值分析的完美结晶；信2 号和信息处理专家认为，小波分析是时间 -尺度分析和多分辨分析的一种新技术，它在信号分析、语音合成、图像识别、计算机视觉、数据压缩
10、、地震勘探、大气与海洋波分析等方面的研究都取得了有科学意义和应用价值的成果 5。 小波变换常被应用于图像数据处理，包括图像降噪和数据压缩等。图像降噪是图像预处理中一项应用比较广泛的技术，其作用是提高图像的信噪比，突出图像的期望 特征。扫描图像降噪中的一个两难的问题是如何在降低图像噪声和保留细节上保持平衡，传统的低通滤波方法将图像的高频成分滤除，虽然能够达到降低噪声的效果，但破坏了图像的细节。而利用小波变换的多分辨特性就可以做到两者兼顾 6。小波变换的多分辨率滤波技术，能够把低分辨率下的小波变换全部保留，高分辨率下的小波变换只有被确认为边沿附近的各点才予以保留，其余的都加以去除，由于噪声的小波变
11、换主要集中在高分辨率的各层次中，因此经上述处理后，噪声基本去除，而边沿信号可以较好的保留，从而小波变换是去噪的有力工具 7。采用小波变换 做数据压缩不仅可以提高压缩比，而且可以避免其他压缩编码方法中由于数据分块，造成的“方块效应”和“蚊式噪声”，所以质量较好，不容易在传输过程中造成失真。 2. 基于小波变换的图像水印算法 水印的基本原理是嵌入某些标识数据到宿主数据中作为水印，使得水印在宿主数据中不可感知和足够安全 8。通用的水印的算法包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取。 1）将水印图像做时间域上的变换，目的是对水印信息进行乱序，达到加密的效果。 2）对图像做小波变换，对于变换后得到的小波
12、系数，选出某一个起始位置，大小为 N*N 的系数矩阵。 3）在选出的系数矩阵中嵌入水印信息，即将两个 N*N 的矩阵进行信息叠加，其中含有水印信息的矩阵元素为 0 或 19。 1.2.2 拟解决的主要问题 1. 小波的选取 几个重要的小波： Morlet 小波，它是高斯包络下的单频复正弦函数； Marr 小波，也叫墨西哥草帽小波，它是高斯函数的二阶导数； DOG（ different of Gaussian）小波，它是两个尺度差一倍的高斯函数之差； Haar 小波， Haar 函数是一组互相正交归一的函数集，它是支撑域在 t0， 1范围内的单个矩形波 10。 本文选取 Haar 小波基作为算法
13、使用的小波。 3 2. 视觉特性与水印容量的关系 在数字水印嵌入中，嵌入强度越大，嵌入图像失真的可能性越高，但鲁棒性就越强，水印信号就越不容易被破坏；嵌入强度越小，载体图像质量越好，但水印抗攻击能力就越弱。有效的水印算法中必须保持不可感知性、鲁棒性和水印容量之间的平衡 11。但是三者间的平衡并非简单均分，本文为了达到较好的不可感知性与鲁棒性，放弃了一部分水印容量，采用小容量水印嵌入，使得嵌入水印的不可感知性与鲁棒性较信息量大的水印更为优秀。 3. 水印图像的预处理 直接利用水印算法将水印嵌入到原始图像会减 弱水印的嵌入效果和安全性。因此，在嵌入水印图像前，对水印图像进行置乱加密预处理具有重要作
14、用 11。 数字图像置乱是通过对数字图像的位置或灰度级等作变换来“扰乱”图像，以此达到在一定程度上迷惑第三者的目的。数字图像置乱一般可以在其位置空间、色彩空间或频率空间上进行，通过将图像中像素的位置或者将像素的颜色打乱，使原始图像变换成一个杂乱无章的图像，如果不知道使用的置乱变换算法，很难恢复原始图像。图像置乱可以达到三个目的：其一是加密，即是在不知道置乱的恢复方法时，无法从被置乱的图像中得到任何可见信息；其二是图像经 过置乱后是一个无法识别的杂乱信息，无特征供统计分析，再加载到另一幅图像时不会出现人眼容易识别的形状或颜色的交叠现象，从而可以做到不可察觉；其三在加载水印前对水印数据进行置乱，将
15、原始水印数据的信息分散到新水印数据的全局上，从而可以确保图像部分受损的情况下，仍可以部分甚至全部地恢复水印图像 11。 4 2 技术简介 2.1 设计概述 从图像处理角度来看，水印的嵌入可以视为在强背景下迭加一个弱信号，只要迭加的水印信号低于人类视觉系统（ Human Visual System， HVS）的对比度门限， HVS 就无法感到信号的 存在 12。了解了这一基本原理之后，在一个好的开发环境下进行算法的设计，对开发效率有着显著的提高。 MATLAB 是一个理想的开发工具，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，
16、为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 (如 C、 Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平 13。 2.1.1 设计目标 一般来说水印算法的设计主要 分为水印的嵌入与提取，对于嵌入的水印本身来说，还必须具备有较强的鲁棒性和隐蔽性。在对抗几何攻击以及丢帧时的鲁棒性是对水印最为基本及重要要求。算法将对嵌入的水印进行加强，以抵抗各种攻击，并在遭到攻击之后依旧能够将水印部分甚至完全提取出来。 2.1.2 开发环境 Windows7， MATLAB2010b 2.2 主要技术简介 2.2.
17、1 小波变换 小波变换是一种多分辨率分析工具，为不同尺度上信号的分析和表征提供了精确和统一的框架。传统的信号理论是建立在傅里叶分析基础上的，而傅里叶变换作为一种全局变换，有一定的局限性。小波变换的原 理虽然是来源于傅里叶变换，但是它比傅里叶变换拥有更多的优点，比如： 1) 小波变换可以覆盖整个频域； 2) 可以通过选取合适滤波器，减少或除去提取的不同特征之间的相关性； 3) 具有“变焦”特性，低频段可用高频率分辨率和低时间分辨率，在高频段可用低频率分辨率和高时间分辨率； 4) 小波变换在实现上有快速算法（ Mallat 小波分析算法） 4。 小波变换时空间（时间）和频率的局部变换，因而能有效地
18、从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能可对函数或信号进行多尺度的细化分析，解决了傅里叶变换不能解决的许多困难问题。 5 2.2.2 图像 处理 图像处理一般指数字图像处理。数字图像是指用数字摄像机、扫描仪等设备经过采样和数字化得到的一个大的二维数组，该数组的元素称为像素，其值为一整数，称为灰度值。图像处理技术的主要被容包括图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别三个部分 14。 通过取样和量化过程将一个以自然形式存在的图像变换为适合计算机处理的数字形式。图像在计算机内部被表示为一个数字矩阵，矩阵中每一个元素称为像素。 2.2.3 图像水印技术 从图像处理角度看，嵌入水印信号可以视为在一个强背
19、景下迭加一个弱信号，只要迭加的水印信号强度低于人类视觉系统（ Human Visual System， HVS）的对比度门限， HVS 就无法感到信号的存在。对比门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此通过对原始信号作一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。从数字通信的角度看，水印嵌入可以理解为在一个宽带信道（载体图像）上用扩频通信技术传输一个窄带信号（水印信号）。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码（检测）即是在有噪信道中弱信号的检测问题 15。 2.2.4 应用于图像水印技术的小波变换 基于小波变换的图像水印算法 具有
20、自适应性，这为分析图像的局部特征（如变换和纹理等特性）提供了很好的空间尺度定位。小波变换所使用的基于变换域的技术可以嵌入大量的比特数据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像技术来隐藏数字水印信息 16。同时由于小波对图像的多分辨率表示，因此该方法在嵌入水印时，可以根据各自的重要程度对图像进行分级处理，这一点已经在图像编码得到相当广泛的应用，小波变换的这一特性可以实现水印的渐进编码和传输。 2.3 可行性分析 可行性分析是通过对项目的主要内容和配套条件进行调查研究和分析比较，并对项目建成以后可取得的经济效 益及社会环境影响进行预测，从而提出该项目是否值得投资和如何进行建设的咨询意见，为项目
21、决策提供依据的一种综合性的系统分析方法。可行性研究应具有预见性、公正性、可高兴、科学性的特点。可行性研究实质上是要进行一次大大压缩简化了的系统分析和设计的过程，也就是在较高层次上以较抽象的方式进行的系统分析和设计的过程。它的目的不是解决问题，而是确定问题是否值得去解决 17。 2.3.1 技术可行性分析 基于小波变换的图像水印技术，主要通过对需要进行嵌入的水印原图做时间域上的变换，对水印信息进行置乱，然后对图像做小波变换，从而得出图像 的滤波矩阵，以便将水印嵌入目标图像，6 并在不影响目标图像的可视性前提下保证水印的鲁棒性和隐藏性。同时，在使用各种方法对嵌入的含水印图像进行攻击之后，依旧能部分
22、甚至全部提取出水印，达到抵抗几何攻击性和丢帧等目的。MATLAB 是一个优秀的图像处理算法设计软件，借助 MATLAB 中所提供的工具箱来实现水印的嵌入和提取，在技术和操作上都是没有问题的。 2.3.2 经济可行性分析 随着数字化技术的进步和 Internet 的迅速发展，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度，其发布形式愈加丰富了。网络发布逐渐成为一种重要的发布形式，伴 随而来的是多媒体数据的版权保护问题。数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点话题 18。 数字水印利用数据隐藏原理使版权标识不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。目前，虽然由于技术的发展进步，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段 19，但是，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，容易被破坏或破解，所以设计出一个真正拥有强大的抗攻击性的数字水印，是具有非常高的经济效益的。
