基于人眼视觉特性彩色图像数字水印算法毕业设计

基于人眼视觉特性彩色图像数字水印算法毕业设计内容摘要：

随着技术交流的加快和数字水印技术的迅速发展，国内一些研究所和高校也逐步从技术跟踪转向深入研究。 其中比较具有代表性的有哈尔滨工业大学、天津大学、北京邮电大学等，它们都是国内较早投入水印技术研究，而且取得较 好成绩的单位。 对于图像水印技术的历史大概可以分为两个阶段： 第一个阶段是使用无意义水印，如伪随机序列或用户 ID 号作为水印嵌入载体图像中，如果提取后的 水印序列有若干错误，则只能通过统计决策来确定载体中是否含有水印； 第二个阶段是采用有意义的图像作为水印嵌入载体图像中，采用有意义的图像作为水印，在水印的检测过程中，如果受到攻击或其它原因致使提取后的水印破损，人们仍然可以通过视觉、听觉确认是否含有水印。 梅蕤蕤等提出的一种彩色图像自适应数字水印算法。 郑江滨等提出的基于彩色分量 DCT 域的数字图像水印。 凌贺飞等 人 提出的基于 YCbCr 颜色空间的二维 DCT 彩色图像数字水印实用技术。 这些 都是采用有意义的图像作为水印 信息嵌入载体图像 ，而且载体使用了彩色图像，使得水印技术更具有实用意义。 我国于 1999 年 12 月 11 日，由北京电子技术应用研究所组织，召开了第一 届信息隐藏学术研讨会，至 今已成功的举办了六届，很大程度上推进了国内水印技术的研究与发展。 同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常重视，在 2020 年的‘ 科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》中，明确指出了对于 数字产品产权保护 (基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术 )和 个性 化产品 (证件 )的防伪 (基于水印、编码等技术 )等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。 为推动我国在数字水印这一国际前沿领域的发展，促进我国研究人员在此领域的交流与合作， 2020 年 10 月 12 日至 14 日由中国图象图形学学会主办，中科院自动化所协办的第十二届全国图象图形学学术会议在北京西郊宾馆召开，会议上再次强调了数字水印技术在数字产品产权保护方面的 重要性。 天津工业大学本科毕业论文 4 当前研究存在的问题 作为国际学术界新兴的研究领域，数字水印在近十几年中己经得到了迅速发展，但仍然发 展 不 成熟，尚有许多问题 有待解决 ， 理论基础 依旧 薄弱，大多数 水印算法还是经验性的。 认清当前 数字水印 研究存在的问题对于指导水印 算法的快速稳步的发展 有着重要意义。 对于水印系统的性能评价，部分学者已经做了一些初步研究，但目前仍缺乏对水印系统性能进行合理评估的通用标准，包括如何客观地评估各种水印算法的性能，如何通过一套可靠的标准来选择水印方案，并能综合评判各种数字水印算法的优劣，如何对数字水印的鲁棒性进行标准化的攻击测试，以及如何对测试的数据结果进行标准化地分析等。 大多数水印算法依据经验值对整幅图像均用同样的强度嵌入水印，从而图像的所有部分嵌入的水印能量均相同。 由于没有 充分考虑到图像本身的局部特性和人类的视觉特征，容易造成某些分块因嵌入的水印能量过大而引起了较大的局部失真，而有些分块因嵌入的水印能量过小而远远未达到图像失真度的下限。 鲁棒性和不可感知性是水印的两个非常重要特性。 从水印技术被提出以来，对这两个方面的研究就是水印技术研究的一个主题。 设计一个完整的水印系统时，必须要在水印的鲁棒性、嵌入的水印能量以及不可感知性之间达到一个平衡，这是一个很难的课题。 涉及到鲁棒性水印算法的设计、水印的构造和水印能量估计等方面。 目前，大多数水印算法利用经验值，而没有从理论上解决此问题。 研究的若干关键方向 理论研究 理论研究上有以下问题很有价值，值得深入研究： (1) 宿主信号和嵌入位置的选 择。 能否从理论上指导宿主信号 （ 如掩蔽图像、掩蔽声音 ） 的选择， 能否在理论 指导 下 找出水印嵌入的最佳位置等问题的研究具有重大意义。 (2) 最大水印嵌 入强度。 为了提高水印的抗攻击能力，希望嵌入的水印强度要尽可能大。 但是 ， 如果水印强度太大，就能在感官上被感觉出来，从而破坏载体的质量 （ 或引起信息 窃听者的注意 ）。 因此，能否从理论上计算载体可嵌入的且 在感官上不容易察觉的最大水印强度，以 及对嵌入水印后的载体质量 降低程度的定量评估等问题的研究很有意义。 (3) 水印安全性。 现有的水印算法有很多，但是并没有一个统一的标准能够证明哪些 水印嵌入算法是安全的，哪些是不安全的，或者哪些是比较安全的。 这方面的理论研天津工业大学本科毕业论文 5 究也非常有意义。 (4) 预处理技术。 对隐藏载体进行滤波、增强、编码、压缩、加密、置乱等预处理和数字水印嵌入的效果 （ 最大水印嵌入强度、鲁棒性等 ） 有很大关系，目前对此方面的研究还不够深入。 (5) 多 重水印技术。 目前还没有一个水印算法能够在各种攻击下具有很强的鲁棒性，通过多次嵌入水印的方法可以提高水印系统对抗各种攻击的能力。 对多重水印技术有许多问题值得研究。 应用研究 数字水印技术的应用非常宽广，目前研究比较活跃的系统有：数字作品电子交易系统、数字图书馆电子资源水印保护系统、票据防伪水印系统、身份证水印防伪系统等。 随着电子商务和电子政务的逐渐开展，如何综合应用数字水印技术和密码技术解决电子商务 和电子政务中的信息安全问题急待深入研究。 针对不同的应用制定相应的水印标准，对水印系统的实际应用非常必要。 数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系列的标准或协议，如加载或嵌入水印的标准，水印的认证标准等，各种水印算法的评价都应该是建立在标准之上。 标准化工作的基础是科学的测评体系，如果没有公认的、符合需求的测评指标，各种技术方案之间就无从比较优劣，更谈不上形成统一的技术标准。 然而在数字水印技术的研究中，至今没有一个为大家所接受的、统一的评价体系。 水印测试不仅要通过攻击实验，而且还要对提交的算法进行技术上的分析。 为了建立科学的测评体系，必须有一个兼容各种信息隐藏与攻击算法的统一的理论框架，并基于这个理论框架构建定量测评的理论基础，确立各种测 评指标及其理论 值。 水印应用的研究还包括水印协议的研究。 水印协议又分为水印生成协议、水印嵌入协议等。 一些具体应用 系统的协议已经在研究 中 ，但水印协议的标准化还没有进行。 本文主要研究的内容与结构 本课题研究的数字水印技术原理，关键问题是对基于 彩色空间转换、人眼视觉特性[HVS]空域数字水印的实现及如何提高鲁棒性。 本文随后章节组织如下： 第一章， 绪论。 简要介绍了课题的背景和研究意义； 结合国内外的研究现状，详细介绍了数字水印系统当前存在的问题及研究的若干关键方向。 第二章， 数字水印技术概述。 系统介绍了数字水印技术的基础知识，首先介绍了数字水印原理，包括数字水印的基本特性、分类、攻击类型等。 接着详细介绍图像数字水印系统的基础 原理， 并对典型的图像水印算法进行了天津工业大学本科毕业论文 6 介绍和分析。 第三章， Matlab 简介。 Matlab 为本课题的软件开发环境，为下一章的实验顺利完成做准备。 第四章， 理论研究。 主要 介绍 本课题 所 采用的水印嵌入、提取以及检验 理论，为下一章实验分析做准备。 第五章， 实验结果与分析。 本章是实验部分，实验内容包括：对本文的算法进行水印嵌入、提取实验，测试水印的不可见性；对含水印的图像进行常见的攻击测试，如剪切、缩放、压缩等，并对测试结果进行分析。 天津工业大学本科毕业论文 7 第二章 数字水印技术概述 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，这就是我们所熟悉的“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，不可见性，必须放置于特定环境下菜能被看到，不影响物品的使用；第二，复杂性，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。 因此水印也常被应用于诸如支票、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种重要手段就是检验它是否包含水印。 随着信息时代的到来，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，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。 多媒体数据的数字化为 多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。 随着网络的日益普及，人们可以通过 Inter 网发布自己的作品，传递重要信息，进行网络贸易等。 但是其暴露出的问题也十分明显：作品侵权更加容易，篡改更加方便。 如何既充分利用 Inter 网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。 数字水印（ digital watermarking）是实现版权保护的有效办法，已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。 它通过在原始数据中嵌入秘密信息 —— 水 印（ watermark）来证实该数据的所有权。 被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。 水印通常是不可见或不可察，它与原始数据（如图象、音频、视频数据等）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。 数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。 例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版 权保护的功能，这一系统就是失败的。 因此 数字水印技术必须具有较强的安全性、隐蔽性和鲁棒性。 本章介绍数字水印的基础知识、数字水印基本原理，包括特性、分类等，并对典型数字水印算法进行了介绍、分析。 天津工业大学本科毕业论文 8 数字水印原理 数字水印基本特性 数字水印的思想虽然简单，但是要达到应用的目的，就必须满足一定的性能指标，其中相对重要的特性包括： （ 1） 保真性：又常称为不可感知性或透明性。 指 因 水印嵌入导致宿主信号质量变化的程度。 鉴于宿主信号 大 多是 供人们观赏 的 多媒体数据 ，水印应具有很高的保真性，同时也 增加了水印自身的安全 性。 不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可见性，即嵌入水印后不 能导致图像质量在视觉上发生明显地变化； 另一方面，用统计方法是不能恢复水印。 （ 2） 鲁棒性： 指水印在媒体数据编辑、处理过程中的生存能力。 媒体数据的各种操作会导致宿主信号信息损失，从而破坏水印完整性，像压缩、模糊、剪切、缩放等，也包括一些恶意的攻击。 （ 3） 信息容量： 指在一定保真度下，水印信号可传递的信息量。 实际应用要求水印可传送多位信息。 但这其实与保真度又是互相矛盾的。 （ 4） 安全性：指水印能够抵御未经授权的人对水印进行攻击的能力。 这些攻击指专门为了阻碍水 印发挥作用的处理行为，主要的攻击类型有三种：一类是 未经授权的删除， 指阻止检测出作品中水印的攻击；另一类是 未经授权的嵌入（伪造 ），指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为；第三类是 未经授权的检测。 （ 5） 错警率： 指在不含水印的宿主信号中，错误地检测出水印的概率， 其中也包括在含水印的宿主信号中，未检测出水印的概率。 很显然，只有错警率足够 低，系统才能安全可靠地使用。 设计水印必须围绕上述性能指标选择合适的技术。 有些特性之间是不相容的，如保真性、鲁棒性和信息容量三者之间，必须做权衡的考虑。 数字水印分类 数 字水印技术可以从 各种 不同的角度进行分类。 （ 1） 按特性分类 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两类： 鲁棒数字水印主要 用于在数字作品中标识著作权信息，脆弱数字水印主要用于完整性保护。 （ 2） 按水印所附载的媒体分类 按水印所附载的媒体，数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文档水印、软件水印以及用于三维网格模型的网格水印等。 随着数字技术的发展，会有更多种类的天津工业大学本科毕业论文 9 数字媒体出现，同时也会产生相应的水印 技术。 （ 3） 按检测过程分类 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。 明文水印在检 测过程中需要原 始资料，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始资料。 （ 4） 按内容分类 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．有意义水印是指水印本身也是数字图像或数字音频。 （ 5） 按用途分类 不同的应用需求造就了不同的水印技术．按水印的用途，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。 （ 6） 水印隐藏的位置分类 按数字水印的隐藏位置，可以将其划分为时 (空 )域数字水印、频域数字水印、时／频域数字水印等。 （ 7） 从外观上分类 水印从外观上可分为两类：可见水印和不可见水印．或者也可以说成可察觉水印和不可察 觉水印。 数字水印系统模型 从图像处理角度看， 水印的 嵌入可 理解为 在强背景 （ 载体图像 ） 下叠加一个弱信号（ 水印信号 ） ，只要叠加的水印信号强度低于人类视觉系统 （ HVS） 对比门限，人类视觉就无法感觉到信号的存在。 从数字通信角度来看，水印的嵌入可理解为在一个宽带信道 （ 载体图像 ） 上通过扩频通信，输一个窄带信号 （ 水印信号 ）。 水印的检测是 在一个有噪声信道中 检测 弱信号的 问题。 数字水印技术一般由两部分组成：。