变换域下的数字图像水印技术研究电子信息毕业设计(编辑修改稿)

变换域下的数字图像水印技术研究电子信息毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

提升的关键 因 素，同 时也是设计水印系统时必 需要考虑的 因素。 确保隐蔽性和鲁棒性才能算是一个基本的水印系统。 数字 图像 水印 系统 的分类 数字 图像 水印 系统 按照不同的定义可以划分为不同的种类： 按特性划分 按水印的特性可以将数字 图像 水印分为鲁棒 水印 系统 和易损 水印 系统 两 大 类。 （ 1)鲁棒水印 系统 主要 特征是 要求 具 有 极 强的鲁棒性和安全性， 比如 除了要 求在 平常河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 6 的 图像处理 形式 （ 例 如：滤波、噪声、 旋转、剪切 、压缩等）中 水印系统能正常运行外，还 要 能抵抗 暴力 攻击 ，使用暴力方法直接抹去水印信息的能力。 主要 用于在数字图像 作品中 实现隐 藏版 权信息 ，确保作者利益。 使用鲁棒 水印 系统 在 目标 图像 数据中嵌入 水印 信息， 当 发生 数字 图像 版权纠纷时， 可以高效率的 保护版权所有者的权益。 （ 2） 易损水印 系统 ， 在作用上可以说和 鲁棒水印 系统 的 技术特点完全 相反，易损数字水印 系统 主要 希望在目标图像数据 内容发生 一定的 改变时， 嵌入其中的 水印信息 可以 发生 对应 的改变，从而 在提取时 可以鉴定原始 目标图像 数据是否被 恶意 篡改 使用。 易损水印 系统 在 面 对 平常的 图像处理 形式 （ 例 如：滤波、 旋转、 噪声、替换、压缩等）时要 有较强的 不可丢失性 ，同时 还 要求 具有对处理操作有 较强的敏感性，即 随着原始目标图 像数据的改变丢失 ， 提取水印时要将发生的改变和丢失信息的状态表现 出来 ，基于这种 对 原始 信号 变 动 的 敏感 特点 ， 检测者只需根据 易损水印的 改变 状态就可以 得出原始 数据是否被 恶意修 改过 [23]。 按检测过程划分 按 数字 水印的 提取方式 可以将数字 图像 水印 系统 划分为明文水印 系统 和盲水印系统。 明文水印在 提取水印信息的 过程中需要 用到 原始 的目标 图像 ，而盲水印的 提取过程 只需要 提供 密钥，不需要原始 图像。 一般来 讲 ，明文水印的鲁棒性比较强，但 是在提取时会用到原始图像，存储图像需要空间，而这就增加了 其应用 的 成本 ，推广的力度。 基于此 目前 大多数 研究的数字水印 都 是盲水印。 按隐藏位置划分 按数字水印 处理图像数据的 位置可以 将数字 图像 水印 系统 划分为 空 间 域 变换下的 数字水印 系统 和变换域 下的 数字水印 系统。 空 间 域 变换下的 数字水印 系统 是直接在原本 处理 的数据 空间上叠加水印信息， 变换域数字水印 系统 则是 在变换域下基于原始数据 本身的 特点进行 像素点的 替换 或修改， 用以 来 添加水印信息。 本文主要研究的就是基于变换域下的明文鲁棒数字水印技术研究。 典型数字 图像 水印算法介绍 在数字水印系统中有关数字水印算法 的 研究成果可谓是琳琅满目 ，在 大量浏览 有关数字水印算 法的参考文献进行研究阅读后，不难发现， 当 前 的数字水印算法一般都是在最初提出的几种水印算法的理论基础上，对 算法 的思想与技术方案做出的完善或改进，对数字水印系统能够 继续深入 研究的关键点就在于 要能够 非常 熟悉传统 的数字河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 7 水印 算法。 下面就对典型的 几 类算法 进行分析介绍。 空域水印算法 基于 空域 的数字水印算法的 主要思想 就 是将 水印信息嵌入到目标 图像 所有 数据中最不重要的像素位上 ，也就是通常所说的 最低有效位（ LSB）中。 使用这种 算法的水印 系统 嵌入后 基本 可 以保证 水印 信息的隐蔽性。 但是由于嵌入 过程发生在 图像 最低有效的像素 位上 ， 水印信息非常容易被恶意抹去，算法鲁棒性不佳。 平常的 图像处理（ 例 如：滤波、 旋转、 噪声、替换、压缩等） 操作就可以将嵌入 水印 系统中的水印 信息 破坏 掉，在水印系统的 提取 阶段就难以提取出可以较清晰分辨的水印信息。 另外一个常用 空域水印 算 法 便 是利用像素的 数据 统计特征将 水印 信息 根据图像 像素的亮度值 嵌入 其 中 ，实现水印的嵌入。 变换域水印算法 基于变换域的水印系统的 算法中，水印算法 的基本思维就是采用 扩展频谱通信技术 进行水印嵌入。 典型算法主要有离散余弦变换算法和离散小波变换算法。 （ 1）离散余弦变换算法 离散余弦 变换算法又称之 为 DCT 变换算法，首次提出 水印 方案是出现于 E Koch，J Zhao 的文献 ，算法 核心思维就是 基于 图像 分块 的 DCT 变换。 水印 的具体 方案 是 首先 将 原始目标 图像 分成 一个个小的 8 8 块，由 密钥随机的选择图像的一些 小 分块，在中频 域 上稍微 变 换三元组，从而将 二进 制水印 信息序列 进行嵌入。 由于 高频 部分 易于被各种信号处理方法破坏 ，而 低频 部分 则由于人的视觉 特性， 对 图像低频部分 很敏感， 一旦改变 低频 部分较容易被发现，为了平衡 选择 在中频部分编码 [24]。 （ 2）离散小波变换算法 小波变换 的思想是经由 傅立叶变换 思想发展 而来 ， 是 同时基于 空间和频率的局部变换 算法 ，在频域和时域同时 可以表现出 良好的局部化特征。 小波变换在图像处理中的 核心 思想是 将目标 图像 经过小波变换后分解成不同 空间和 若干独立的频带子图，然后对子图像 进行水印嵌入，再进行小波逆变换重构图像，从而实现水印系统的功能。 图像经过小波变换后 可以 分解成四个 频带 子图：水平方向 LH、垂直方向 HL 和对角线方向 HH 的中高频细节子图和低频逼近子图 LL。 对低频部分 继续分解， 就可以继续 产生三个高频 子 带系列 LH HL HH2 和一个低频带 LL2。 然后 LL2 低频子图依 旧可以继续分解 ， 随着分辨率不断的 减小，图像的 能量 越来越集中 [25]。 小波分解的其他 高频河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 8 便是 代表图像的边缘和纹理。 其他水印算法 （ 1）压缩域算法 基于 JPEG 和 MPEG 标准的压缩域数字水印系统 直接在压缩域数据中进行。 这样便可以直接节省大量的解码和编码过程，因此在实时通信系统 中 便具 有很大的实用价值。 （ 2） NEC 算法 NEC 算法在数字水印算法中占有重要地位 ，因为它 具有较强的鲁棒性、安全性和透明性。 算法 实现方法 便是由 作者的 信息 码和图像的哈希值组成 水印信息，将水印信息作 为种子来产生具有高斯分布 的 伪随机序列， 然后 对 目标 图像做 DCT 变换 ，利用伪随机高斯序列调 叠加 原 图像除直流 (DC)分量外的 多 个最大的 DCT 系数，从而实现水印嵌入。 该算法由 NEC 实验室的 Cox 等人 最先 提出。 （ 3）生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统 (HVS)和人类听觉系统 (HAS)。 基于生理 模型 的方法 不仅被 用于多媒体数据压缩 ，数字水印系统 亦可以利用。 视觉模型的基本思想就是利用从生理 模型导出的 JND 值的 描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量 、。 水印置乱方法 图像置乱 即是通过特定的算法将一幅 数字图像 的各个像素点进行逐一 改变，使原始图像 变成一幅 看起来是杂乱无章的加密图像，让图像的 真实信息无法 通过视觉 直观获取，从而达到 为 原始图像 加 密 的效果。 在数字图像水印嵌入之前 对 水印信息进行置乱加密，可以达到更加保密的效果。 Arnold 置乱算法 （ 1） Arnold 置乱的定义 Arnold 变换矩阵为 1112F  (21) 二维 Arnold 变换表达式为  39。 1 1 m o d39。 1 2xx Nyy                （ 22） 河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 9 上面的 式中，  , , 39。 , 39。 1 , 2 , , 1 ,x y x y N N为图像矩阵阶数 ，  ,xy 为原始图像像素位置 ，  39。 , 39。 xy 为置乱后图像像素位置。 在数字图像中， Arnold 变换是将原来点  ,xy处像素值变换 为之 后的  39。 , 39。 xy 像素值，由于改变了图像的像素值，图像 变 随着改变变得模糊，当 原始图像的所有 像素 点 进行移动置换后，就可以产生 一幅相对原始图像极其 混乱 、面目全非 的新图。 每 对图像进行一次 Arnold 变换，该图 就会 进行一次 位置的置乱，通常过 多次 变换后就 能达到满意 的 效果 了。 对图像做 n 次 Arnold 位置变换的表达式为  39。 1 1 m o d39。 1 2 nxx Nyy                （ 23） 利用 Arnold 变换 算法 对图像 进行 置乱，使其变成 看似杂乱无章的无法看清内容的 图像， 从实现对本身图像内容的加密 隐藏， 不断的对图像进行置乱， 置乱次数可以作 为 加密时产生的密钥，从而实现完整的对图像的加密过程。 （ 2） Arnold 逆变换 通常， 不断的对图像进行 Arnold 置乱，随着置乱次数的增加，图像可能被还原，而这个置乱的次数我们称之为 Arnold 置乱周期， Arnold 逆变换就是通过计算置乱 周期， 在复原图像时可以轻松得到原图。 表 1 给出了不同 图像大小下对 图像进 行 Arnold置乱 变换周期的 NT。 表 21 Arnold 变换周期 N 3 4 5 6 7 8 9 10 11 NT 4 3 10 12 8 6 12 30 5 N 25 32 48 64 100 128 256 480 512 NT 50 24 12 48 150 96 192 120 384 根据实验表明 Arnold 变换具有周期性，也就是说图像每变换一个周期置乱的图像就会复原一次，根据此种特性我们可以在复原图像时再进行 NT key 次 Arnold 置乱即可复原图像， key 即置乱时的次数。 水印攻击方法 在实际应用中 ，水印面临各种 主动攻击。 包括一些常用的图像处理方法。 例如 滤河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 10 波、加噪声、替换、压缩等。 并且 各种类型的数字水印算法都有自己的弱点 ， 总得来说 水印是 很害怕攻击的。 按照攻击方法分类 按照数字水印的攻击方法 可 将 水印分为：鲁棒性攻击和表达攻击。 （ 1）鲁棒性攻击 鲁棒 攻击其实 就 是直接攻击 方法 ，目的在于 恶意去除 在 原始图像中的 水印 信息 而不影响到 原始图 像的使用 ，侵权者经常使用这类方法达到盗版的目的， 这类攻击 主要靠直接 修改图像像素的值 的方法。 典型的 鲁棒性 攻击 处理 方 法包括 日 常用的一些信号处理方法，例如：压缩、滤波 、旋转、剪切 、缩放、 打印和扫描等。 当然也包括通过加上噪声而额 意修改图像，以减弱图像水印的强度。 （ 2）表达攻击 此类攻击 它并不 除去数字产品内容中 嵌入的水印 信息，而是 通过操纵内容从而使水印检测器无法检测到水印的存在 ，达到致盲水印检测器的目的。 例如：表达攻击可简单地通过嵌入 一个 没有 对齐的 水印 图像来麻痹自动水印检测器。 实际上在表达攻击中不对任何原始图像的像素值进行 改变， 由于普通的 水印方案 一般 要求嵌入了水印的图像 要正确地对齐 ， 但 此类 攻击 方法便是 嵌入一个 没有 对齐的水印 图像。 那么水印的检测 器 就无法进行 检测 而失效 [26]。 按照攻击原理分类 按照数字水印的攻击原理可讲水印分为下面四类 :简单攻击 、 同步攻击 、 削去攻击和混淆攻击。 （ 1）简单攻击 简单攻击又 称为波形攻击、噪声攻击。 对整个水印 系统 进行操作来减 弱嵌入的水印的 强 度，导致数字水印提取 时由于信息太少，从而 发生错误，甚至根本 难以提取嵌入的 水印信号。 常见的操作 方法有线性滤波、通用非线性滤波、压缩、加噪声 等。 被简单攻击 后的水印系统 看起来没什么破坏，但在水印提取和校验过程时只会 得到一个失真变形的水印信号。 （ 2）同步攻击 同步攻击又称为禁 止提取攻击。 这种攻击试图破坏载体数据和水印的同步性。 被攻击的水印系统 中水印 信息 仍然存在， 并 且 强度不会变化，但是水印信息会发生无法挽回的 错位 ，难以 维持正常水印提取过程所需要的同步 性 要求。 同步攻击通常采用几河北工业大学 城市学院 20xx 届 本科 毕业论文 11 何变形的 方法，如 大小 缩放、空间 与时间方向的平移 、旋转、剪切 等。 （ 3）削去攻击。