基于arnold变换的dct域数字图像水印算法研究word格式可编辑

基于arnold变换的dct域数字图像水印算法研究word格式可编辑内容摘要：

信号进行分层处理 ， 分层可以采用两目前还没有成熟的技术或产品问世 ， 随 着数字化产品在中国种方法 ， 一种是采用层叠滤波器(stack filter)的阈值分解技术的普及 ； 另一种是采用比特位分解 ， 例如住此机遇 ,研制出自己的数字水印产品 ， 并形成一些标准 ， 然后把其中的某些层作为水印嵌入数字产品中。 (2)DCT 域系数裂解的水印嵌入算法 ， 基于 DCT 变换和小波变换域的水印处理技术是各国争相研究的热点 ， 形成标准的可能性最大。 (3)将水印处理技术应用到其他领域 ， 如军事和国防方面 ， 或用水印处理技术来验证军事命令、信息的真实可靠性 ， 并探索该领 .域的新技术和新理论 ， 这对于国防现代化建设和未来的信息 化、网络化战争的意义重大。 本课题主要讨论问题 本文选择了数字 图像 作为水印载体，选择了由 Arnold 变换 后的图像 作为嵌入的水印信号，在 DCT 域进行了水印算法的研究。 本文的主要研究内容如下： (1) 水印预处理： 在水印系统中采用了 Arnold 变换对水印进行置乱。 (2) 研究基于 Arnold 变换 的 DCT 域 的静态图像水印技术，提出一种可行的水印嵌入和提取的算法，并利用 MATLAB 编程仿真，验证其可行性。 并 对上述水印算法的性能进行评估：嵌入水印图像对原图像引起的失真的主 客观评估；水印受到各种攻击下的稳健性的评估。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 第二章 数字水印基本原理 信息隐藏 信息隐藏，也称为信息伪装（ Steganography） ，该单词来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，就是将秘密信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。 密码学是研究如何保护消息内容的，而伪装术是专门研究如何隐藏它们的存在性。 数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术（密写术）。 古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密 信。 使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。 大约 700 年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。 可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。 但与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写术缺乏必要的理论基础。 日常生活中为了鉴别纸币的真伪，人们通常将纸币对着光源，会发现真的纸币中有清晰的图像信息显示出来，这就是我们熟悉的“水印”。 之所以采用水印技术是因为水印有其独特的性质：第一水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特 定环境下才能被看到，不影响物品的使用；第二水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。 因此水印常也被应用于诸如支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，长期以来判定印刷品真伪的一个重要手段就是检验它是否包含水印。 现今数字时代的到来，多媒体数字世界丰富多彩，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。 如何保护这些与我们息息相关的数字产品，如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，就被日益重视及变得迫切需要了。 借鉴普通水印的含义和功用，人们采用类似的概念保护诸如数字图像、数字音乐 这样的多媒体数据，因此就产生了“数字水印”的概念。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 数字水印 所谓数字水印（ Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。 数字水印中包含音像作品的版本、创作者、拥有者、发行人等信息，数据量并不大，一般控制在 100 位以内，与动辄上兆字节的音乐、影视文件相比犹如藏在草堆中的一根针。 数字水印技术利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，向数字作品中加入不易察觉但可以判定区分的秘密 信息水 印 (Watermark)，从而起到保护数字作品版权或完整性的作用，其作为多媒体领域中知识产权保护的有效手段，正得到广泛的研究与应用。 这种被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。 到目前为止，已经有许多文献 【 34】 对水印的嵌入和提取做过研究，数字水印的算法多种多样，大致可以分为空域法和频域法两种。 变换域法可与数据压缩 国际 标准兼容， 从而实现在压缩域 (pressed domain)内的水印编码，因而应用较多。 本文结合上述思想， 提出了基于 Arnold 变换 的图像数字水印算法。 数字水印的特 征 嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印： 透明性（ invisibility）：利用人类视觉和听觉的特性，使带水印的作品欣赏起来无异于原先的作品。 不可检测性（ undetectability）：水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在区别，攻击者无法用统计学方法确定水印的位置。 鲁棒性（ robustness）：经过一些处理（可能的处理包括： 几何变形 —— 对图像进行尺寸缩放、剪裁、扭转等。 有损压缩 —— 常用的图形文件格式 JPEG 就属有损压缩。 它先将图像用 DCT 函数转换到频率 域，然后对其量化，在量化过程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以达到压缩文件尺寸的目的。 虽然肉眼看不出来，但经过压缩后的图像其精度肯定有所降低。 信号处理 —— 如调整图像和视频的对比度、亮度、色度，以及模／数转换、数／模转换等。 ），多媒体数据发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以证明水印的存在。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 安全性（ security）：具有较强的抗攻击能力，能够承受一定程度的人为攻击，而暗藏的水印不被破坏。 数字水印的分类 数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。 按特性划分 按水印的 特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印 、可见水印和不可见水印。 1) 鲁棒数字水印 鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。 2) 脆弱数字水印 脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 3) 可见水印 可见水印：是可以看得见的水印，就像插入或覆盖在图像上的标识。 可见水印主要应用于图像，比如用来可视地标识那些可在图像数据库中得到的或在 inter 上得到的图像的预 览来防止这些图像被用于商业用途。 当然也可用于视频和音频，比如电台播放广告，广告商为了维护权益，会在录音时录入某一特殊声音，从而从播放的广告中这一声音出现的次数来判断电台是否执行了合同。 4) 不可见水印 不可见水印：一种应用更加广泛的水印，表面不可察觉，当发生版权纠纷时，所有者可从中提出标记，从而证明物品为某人所有。 不可见水印又可分为：脆弱性水印和稳健性水印。 脆弱性水印或易碎水印 (Fragile watermark):当嵌入水印的载体数据被修改时，通过对水印的检测，可以对载体是否进行了修改或进行了何种修 改进行判定。 易碎水印的特性：水印在通常或特定的感知条件下不可见；水印能被最普通的数字信号处理技术改变；未经授权者很难插入一个伪造的水印；授权者可很容易的提取出水印；从提取出的水印中可以得到载体的那些部分发生改变。 上述属性在特西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 6 页 定的应用环境下不一定都回满足。 稳健性水印 (Robust watermark):是指加入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而且要求能抵抗一定失真内的恶意攻击，并且一般的数据处理不影响水印的检测。 稳健性水印的特性：水印在通常或特定的条件下不可感知；嵌入水印的载体信号经过普通的信号处理或恶意 攻击后，水印仍可保持在信号中；未经授权者很难检测出水印；授权者很容易检测出水印。 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。 按检测过程划分 按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。 非盲水印：在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与。 半盲水印：在检测过程中不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测。 盲水印：检测只需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。 明文水印在检测过程中需要 原始数据，而盲水印的检测只需要密钥 ,不需要原始数据。 一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制，目前学术界的研究的水印大多数为半盲水印和盲水印。 按内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。 1) 有意义水印 有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标）或数字音频片段的编码。 2) 无意义水印 无意义水印则只对应于一个序列号。 有意义水印如由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。 但对于无意义水印来说，如果解 码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 7 页 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。 按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 1） 票证防伪水印 票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。 一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。 但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用 于票证防伪的数字水印算法不能太复杂。 2） 版权标识水印 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。 数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 3） 篡改提示水印 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识原文件信号的完整性和真实性。 4） 隐蔽标识水印 隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时 /频域数字水印和时间 /尺度域数字水印。 时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时 /频域数字水印和时间 /尺度域数字水印则分别是在 DCT 变换域、时 /频变换域和小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。 实际上只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 8 页 数字水印基本算法 近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，下面对一些典型的算法进行了分析，除特别指明外，这些算法主要针对图象数据。 空域算法 该类算法包括 文本水印算法、 Schyndel 算法和 Patchwork 算法等。 其中 Schyndel算法 【 5】 被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，文中阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法（相关性检测方法），此算法首先把一个密钥输入一个 m序列（ maximumlength random sequence）发生器来产生水印信号，然后此 m序列被重新排列成 2 维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低位。 由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原 因，它可以轻易地被移去，因此也是不强壮的； Patchwork算法 【 6,7】 提出了一种基于改变图象数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取 N对象素点，然后通过增加象素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。 为增加其水印的鲁棒性，文中还把象素对扩展为小块的象素区域 (如 8x8)，通过增加一个区域中的所有象素点的亮度值而相应减少对应区域中所有象素点的亮度值的调整来隐藏信息 ， 但该算法嵌入码低，且对串谋攻击抵抗力弱。 变换域算法 该类算法 【 8,9】 中，大部分水印算法采用了扩展频谱 通信 (spread spectrum munication)技术。 算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换 (DCT)，然后将水印叠加到 DCT域中幅值最大的前 k 系数上 (不包括直流分量 )，通常为图像的低频分量。 若 DCT 系数的前 k 个最大分量表示为 D={ di }， i=1 ，„ ， k，水印是服从高斯分布的随机实数序列 W ={ wi }， i=1 ，„ ， k，那么水印的嵌入算法为 di = di(1 + awi)，其中常数a 为尺度因子，控制水印添加的强度。 然后用新的系数做反变换得到水印图像 I。 解码函数则分别计 算原始图像 I 和水印图像 1I 的离散余弦变换，并提取嵌入的水印 1W ，再做相关检验 ,以确定水印的存在与否。 该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。 一个简单改。