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数字图像水印频域嵌入提取算法的研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.60M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    论文分类号 TP391 单 位 代 码 10183 密 级 内部 研究生学号 2200808 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 数字图像水印频域嵌入提取算法的研究 The Research For Frequence Domain Embedding& Extracting Algorithm Of Digital Image Watermark 作者姓名：张永良 专 业：计算机软件与理论 导师姓名 及 职 称：朱晓冬 副教授 论文起止年月：2001 年 9 月至 2003 年 3 月
    提 要 本论文着重探讨了两个方面的问题：第一，基于离散余弦变换（DCT）的数 字图像水印方案；第二，基于二维离散小波变换（DWT）的数字图像水印方案。 针对目前基于离散余弦变换（DCT）的图像水印方案中存在的一些问题，我 们提出了一种新的基于 DCT 域的水印嵌入和提取方案，该方案将满足标准正态 分布 N(0,1)的实数伪随机序列作为水印添加到图像子块的 DCT 系数中，并通过 一个水印分量的强度控制阈值来控制加入的每一个水印分量的能量以增强水印 的鲁棒性；通过调整水印嵌入的位置、长度和强度来保证水印透明性和鲁棒性 的平衡；通过适当的相关性运算来实现不依靠原图像信息的盲检测。试验结果 表明，实现的水印算法具有很好的透明性，而且对于常见的图像压缩和噪声干 扰等攻击具有很好的鲁棒性。 我们对水印在 DWT 域的低频、中频和高频段的嵌入方法进行了大量的研究 和试验，还探讨了一种将水印同时嵌入三个频段的混合方法。试验结果表明， 在三个频段中分别嵌入水印能够满足不同的要求，可以应用于不同的方面；而 同时在两个或三个频段上嵌入水印可以使算法具有更好的鲁棒性，甚至于同时 满足透明性和鲁棒性这两方面的要求。
    目 录 第一章 绪 论 ························ 1 1.1 引言 ·························· 1 1.2 数字水印的概念 ····················· 1 1.3 国内外研究现状 ····················· 1 1.4 数字水印方案典型算法 ·················· 3 1.5 本论文的研究工作和成果 ················· 4 1.6 本论文的组织结构 ···················· 4 第二章 相关知识 ······················· 5 2.1 满足 N(0,1)分布的实数伪随机序列 ············· 5 2.2 线性移位寄存器序列 ··················· 5 2.3 离散余弦变换 ······················ 7 2.4 二维离散小波变换 ···················· 8 第三章 基于离散余弦变换的数字图像水印方案··········· 9 3.1 目前 DCT 域图像水印方案存在的一些问题 ········· 9 3.2 水印框架 ······················· 9 3.3 水印嵌入算法 ····················· 10 3.4 水印提取算法 ····················· 11 3.5 算法的参数设定 ···················· 11 3.5.1 鲁棒性 ······················ 11 3.5.2 透明性 ······················ 12 3.5.3 水印盲检测和 zS 的设定 ··············· 12 3.5.4 水印强度α的设定 ················· 13 3.5.5 T 的设定 ······················ 15
    3.5.6 L 和 M 的选取 ···················· 15 3.6 试验结果 ······················· 16 3.7 算法的不确定因素 ··················· 17 第四章 基于二维离散小波变换的数字图像水印方案········ 18 4.1 目前 DWT 域图像水印方案存在的一些问题 ·········· 18 4.2 在 DWT 低频域中嵌入和提取水印 ·············· 18 4.2.1 嵌入算法 ······················ 19 4.2.2 提取算法 ······················ 20 4.2.3 参数设定 ······················ 21 4.2.4 试验结果 ······················ 22 4.3 在 DWT 中频或高频域嵌入和提取单重水印 ········· 22 4.3.1 单重高频水印嵌入算法 ················ 22 4.3.2 单重高频水印提取算法 ················ 23 4.3.3 参数设置和试验结果 ················· 23 4.3.4 在 DWT 中频域嵌入和提取水印 ············· 26 4.3.5 在 DWT 中频域或高频域嵌入和提取多重水印 ······· 26 4.4 基于 DWT 的混合嵌入和提取水印 ············· 29 4.4.1 混合多重水印嵌入算法 ················ 29 4.4.2 混合多重水印提取算法 ················ 29 4.4.3 试验结果 ······················ 29 4.5 补充说明 ······················· 29 第五章 数字图像水印试验系统 ················ 31 5.1 试验系统的设计思想 ··················· 31 5.2 试验系统的主要功能 ··················· 33 5.2.1 打开保存位图 ···················· 33 5.2.2 嵌入和提取算法 ··················· 33
    5.2.3 水印攻击 ······················ 33 5.2.4 水印算法性能评价 ·················· 35 5.2.5 帮助 ························ 36 5.3 系统实现 ························ 36 第六章 总结与展望 ····················· 37 6.1 总结 ·························· 37 6.2 展望 ·························· 38 致谢 ···························· 38 附图 ···························· 39 参考文献 ·························· 49
    第一章 绪论 1.1 引言 随着信息时代的发展，特别是 Internet 的普及，信息的安全保护问题日益 突出。当前的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础，无论是采用传统 的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成 密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不 断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。 另一方面，随着多媒体技术的广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护 的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对 这些数据也采用密码学加密方式，则其本身的信号属性被忽略了。最近几年， 许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像 数据进行隐藏加密，并将这些技术应用于制作多媒体的“数字水印”。有关数字 水印的历史发展和意义可参考文献【11】【12】【13】。 1.2 数字水印的概念 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，只有通过专门的监测 器或阅读器才能提取。它是信息隐藏技术研究方向的一个重要分支【14】。（有 关数字水印的概念还有其他类似的表述方法【21】【22】） 嵌入数字作品中的信息必须具有以下两个基本特性才能称为数字水印： 透明性：在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。 鲁棒性：在经历多种无意或有意的信号处理后，数字水印仍能保持完整性或仍 能被准确鉴别。水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致 水印数据的丢失。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转 换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 在数字水印技术中，水印的透明性和鲁棒性构成一对基本矛盾。从主观上 讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据而又不影响原数字作品的质量，同 时又可以抵抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能 同时实现，不过这并不影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重于 其中的一个方面。 1.3 国内外研究现状 自 1993 年以来，数字水印技术已引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际 上非常活跃的研究领域。信息隐藏包括数字水印的研究在最近短短几年内迅猛 发展，是由于它是应用于开放性网络上的多媒体隐藏技术，为解决版权保护和
    认证、来源认证、篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一条崭 新的技术方向，因而在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽 通信和防伪等方面具有十分良好的应用前景。 由于这一新生事物中蕴含着的巨大商机，且信息隐藏及其数字水印技术的 应用前景和在经济、技术上的重要性，国际上工业界、学术界和军方对此项技 术都极其重视并大力支持。全球支持或开展此项研究的政府机构和研究部门很 多，包括美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海 陆空军研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本 NTT 信 息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、普渡大学、剑桥 大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室、CA 公司等机构；同 时，IBM、日立、NEC、Pioneer 和 Sony 五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏 的电子水印。1996 年 5 月，第一届国际信息隐藏学术研讨会(International Information Hiding Workshop,IHW)在英国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨 会已举办了四届。另外，在 IEEE 和 SPIE 等一些重要国际会议上也开辟了与数 字水印相关的专题。欧洲已有几项较大的工程项目如 VIVA 和 ACTS 中都有关于 数字水印方面的专项研究。 目前，国内已有不少研究机构及大学正在从事信息隐藏和数字水印方面的 研究。1999 年底，第一届全国信息隐藏学术研讨会(CIHW)在北京电子技术应用 研究所召开，至今该研讨会已举办了三届。国家“863 计划”、“973”项目（国 家重点基础研究发展规划）、国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资 金支持。从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究与世界水平处在同一阶 段，而且有独特的思路，但就研究成果来说，大多局限在初始阶段，还没有商 品化的软件推出。 目前，有许多提供商品化数字水印软件的公司，例如： ·Digimarc 公司 (http://www.digimarc.com)， ·Signum 公司 (http://www.signumtech.com)， ·Aliroo 公司 (http://www.aliroo.com)， ·MediaSec 公司 (http://www.mediasec.com)。 另外，还有许多供研究用的数字水印软件，下面对这些软件略举几例： ·StirMark 非常有名的水印测试工具 (http://www.cl.cam.ac.uk/~fapp2/watermarking/stirmark/)。 ·Hide4PGP 支持在.BMP、.WAV、.VOC 等文件格式，嵌入信息是不可感知的 (http://www.heinz-repp.onlinehome.de/Hide4PGP.htm)。 ·JSteg 在 JPEG 图像中嵌入和提取信息的软件 (http://www.tiac.net/users/korejwa/jsteg.htm)。 ·Hide and Seek 针对图像的水印软件 (http://www.rugeley.demon.co.uk/security/hdsk50.zip)。 目前，数字水印的研究从结构层次上可分为基础理论研究、应用基础研究、 应用技术研究三个层次：
    基础理论研究：主要针对感知理论、信息隐藏及其数字水印模型、理论框架等。 应用基础研究：主要方向是针对声音、图像、视频等多媒体信号，研究相应的 数字水印隐藏算法和检测算法，以及能够抵抗仿射变换、滤波、重采样、色彩 抖动、有损压缩的鲁棒的数字水印技术。 应用技术研究：以实用化为主要目的，研究各种多媒体格式的数字水印算法。 1.4 数字水印的典型算法 目前水印技术的典型算法有： 最低有效位算法（LSB）： 它是国际上最早提出的数字水印算法，是一种典 型的空间域信息隐藏算法。它可以隐藏较多的信息，但当受到各种攻击后水印 很容易被移去【22】。 Patchwork 算法： 这是麻省理工学院媒体实验室提出的一种数字水印算法， 主要用于打印票据的防伪。其缺陷是所隐含的数据量较少，对仿射变换敏感【21】 【23】。 基于 DCT 的频域水印算法： 这是目前研究较多的算法。它具有鲁棒性强、 隐蔽性好等特点，尤其可以与 JPEG、MPEG 等压缩标准的核心算法相结合，能较 好地抵抗有损压缩【2】【8】【24】【39】。 扩展频谱方法： 是扩频通信技术在数字水印中的应用，其特点是应用一般 的滤波手段无法消除水印【25】。 小波变换（WT）算法： 已有不少学者研究了在小波域中隐藏数字水印信息 的算法，并取得了较好的效果【3】【26】【27】【28】【34】【35】【36】。它是当 前研究的一大热点。 目前，虽有一些研究算法和技术可以抵抗常见的噪声干扰、JPEG 有损压缩 等，但对于抵抗剪切、缩放、旋转、最新的 JPEG 2000 压缩标准及 A/D、D/A 变 换等处理和攻击却很少，尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击。 数字水印技术的研究发展目前可分为两代。第一代技术主要研究在保证水 印不可感知性的前提下，提高数字水印对多媒体的一般处理、加噪、有损压缩 等攻击的鲁棒性；第二代技术在第一代的基础上，重点研究了增强数字水印对 仿射变换和几何攻击（RST）等的抵抗能力，并提出了一些新的水印技术和方法。 例如，M. Kutter 等首先提出了第二代水印技术的概念，并提出了一种基于点特 征和二维连续小波变换的水印策略；Pun 利用噪声可见性函数（NVF）嵌入水印 信息，以满足水印的不可见性，并通过离散傅立叶变换和水印自身的自相关函 数（ACF）来实现水印抵抗几何攻击的鲁棒性。目前的数字图像水印技术主要集 中应用于数字域的版权保护和认证方面。 在进一步的应用中，迫切需要可以抵抗旋转、缩放、平移的数字水印技术 以及不需原图像的盲检测，需要检测出的水印有数字、二值图、灰度图和彩色 图，这些构成了第二代数字水印技术。根据数字水印技术的不可感知性和鲁棒 性等特点，数字水印会在更为广阔的领域得到新的应用，如在印刷防伪中的应
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