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基于小波变换的数字水印系统设计.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.18M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    Abstract
    1 绪论
    1.1 引言
    1.2 国内外研究现状
    1.3 研究目的与意义
    2 小波变换
    2.1 小波分析简介
    2.2 离散小波变换
    2.3 小波域数字水印
    3 数字水印
    3.1 数字水印的基础知识
    3.1.1 数字水印的基本特征
    3.1.2 数字水印的分类
    3.2 数字水印的算法
    3.3 数字水印的应用
    4 系统的设计与实现
    4.1 水印的嵌入
    4.2 水印的提取
    4.3 系统实现的结果
    4.4 抗攻击实验
    5 结论
    参考文献
    目 录 摘要............................................................................................................................................ 1 Abstract.......................................................................................................................................2 1 绪论........................................................................................................................................ 3 1.1 引言............................................................................................................................. 3 1.2 国内外研究现状......................................................................................................... 4 1.3 研究目的与意义......................................................................................................... 5 2 小波变换................................................................................................................................ 6 2.1 小波分析简介............................................................................................................. 6 2.2 离散小波变换............................................................................................................. 6 2.3 小波域数字水印......................................................................................................... 7 3 数字水印................................................................................................................................ 8 3.1 数字水印的基础知识................................................................................................. 8 3.1.1 数字水印的基本特征...................................................................................... 8 3.1.2 数字水印的分类.............................................................................................. 9 3.2 数字水印的算法....................................................................................................... 10 3.3 数字水印的应用....................................................................................................... 12 4 系统的设计与实现.............................................................................................................. 13 4.1 水印的嵌入............................................................................................................... 13 4.2 水印的提取............................................................................................................... 14 4.3 系统实现的结果....................................................................................................... 15 4.4 抗攻击实验............................................................................................................... 16 5 结论...................................................................................................................................... 22 参考文献.................................................................................................................................. 23
    摘要 随着计算机和网络的飞速发展，以数字形式进行存储和发布创作和成果越来越多。 然而，数字作品极易被非法拷贝、伪造和窜改，使得很多版权所有者不愿意利用网络公 开其作品，从而阻碍其相应技术的发展。目前，数字作品的版权保护不仅仅是立法问题， 也是一个很重要的技术难题。数字水印技术通过将水印信息嵌入原始数据中来证明数字 作品的版权，是解决这个问题的一种有效方法。本文提出一种基于小波变换的图像数字 水印算法，通过将低频子图分块并量化其小波系数，实现水印的嵌入和提取，并对其进 行抗噪声、JPEG 压缩、旋转等实验。对于旋转攻击，该算法结合了图像的归一化技术。 实验结果表明，该算法对常见图像处理和旋转都有较好的鲁棒性。 关键词：数字水印；小波变换；鲁棒性 1
    Abstract Along with the fast development of computer and Internet,storing and releasing creation and results in digital form is becoming more and more. However, digital information is so easy to be illegally copied, forgery and tampering that many copyright owners are not willing to use the network to public their works, thus the development of relevant technology is impeded. At present,protecting the copyright of digital works is not only the legislative problem, but also a very important technical problems. Digital watermarking technology is through watermarks data embedding into original data to demonstrate the copyright of digital works, and it’s a kind of effective method to solve this problem. This paper proposes a image watermarking algorithm which based on wavelet transform, realizing the embedding and extracting of watermark by dividing the low frequency sub-image into blocks and quantify it’s wavelet coefficients, the resistance to noise, JPEGcompression, rotate and so on. For rotation attack, the algorithm combines with the image normalization technique. The experimental results demonstrate that this algorithm has good robustness to the common image processing and rotation. then carries on experiments about Key Words：Digital watermarking; Wavelet transform; Robustness 2
    1 绪论 1.1 引言 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字多媒体信息包括图像、文本音视频、 三维模型的存储、复制与传播变得非常方便。我们在通过互联网方便快捷的获取多媒体 信息的同时，还可得到与原始数据完全相同的复制品，这就带来了对数字媒体原创者的 版权和经济利益如何保护以及数字媒体信息是否安全可信等诸多问题。由此引发的信息 安全问题、盗版问题和版权纷争问题已成为日益严重的社会问题。因此，对多媒体内容 的版权保护与内容鉴别成为我们所处的这个信息时代所急待解决的问题[1-3]。版权保护已 经成为一个迫切需要解决的现实问题，媒体信息的数字化和网络化给版权保护带来了新 的难度。传统的加解密系统已经不能有效地解决版权保护问题。因为，经过加密后只有 被授权持有解密密钥的人才能够存取数据，这样自己的作品就无法向更多的人展示；而 且数据一旦被解密，就完全处于解密人的控制之下，原创作者无法追踪作品的复制和再 次传播。 为了解决这一问题,仅仅依靠传统的加密技术已经远远的不能满足人们的要求了,而 以将特定的数字标志信息隐藏在数字作品中为特征的数字水印技术却在此方面发挥了 巨大的作用。作为信息隐藏技术的一个重要分支,数字水印技术可以说是信息时代特有的 产物,正是由于数字作品的知识产权保护及其他一系列需求促使了数字水印的出现。数字 水印技术被认为是解决网络化和数字化时代数字作品版权保护的一种有效方法。数字水 印技术是将具有一定意义的标识信息嵌入原始的媒体数据中，这些信息就是水印信息， 它与原始数据紧密结合，且随之一起被传输。在接收端，水印信息被提取出来，可用于 广播监视、数字签名、数字指纹、内容认证和秘密通信等。因而数字水印被认为是抵抗 多媒体盗版的“最后一道防线[4-6]。 在我国，现行的税务发票、增值税发票、伪造制假造成税款大量的流失。长期来， 猖獗的伪造发票现象给国家造成了数目巨大的税款流失。因而从数字水印技术自身来 讲，它具有巨大的经济价值和广泛的应用前景，已经成为了多媒体信号处理中的一个研 究热点。 3
    1.2 国内外研究现状 数字水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展较快的热点技术之一，它涉及了 不同学科领域的理论和思想，如信号处理、编码理论和数字通信、算法设计等技术，还 包括法律和公共策略等问题，有着良好的应用前景[7-8]。从 1993 年 Caronni 正式提出数 字水印到现在的十几年时间里，它已经引起国内外很多公司、研究机构等的极大关注。 在国外方面，《IEEE 会报》、《IEEE 图像处理》、《IEEE 消费电子学》、《IEEE 通信选 题》等很多国际著名的期刊都组织了数字水印的专题新闻报道或技术专刊。在 1999 年 第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主要焦点，全部 33 篇文章中有 18 篇 是关于数字水印的研究。以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批美国研究机构及企业 已经申请了数字水印方面的专利。美国版权保护技术组织（CPTWG）也成立了专门的 数据隐藏小组（DHSG）用于制定版权保护水印的技术标准。目前，已支持或开展数字 水印技术研究的机构不仅有政府部门，也有知名企业和大学，它们包括美国财政部、美 国空军研究院、美国版权工作组、美国陆军研究实验室、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、西班牙 Vigo 大学、剑桥大学、瑞 士洛桑联邦工学院、朗讯公司贝尔实验室、IBM 公司 Watson 研究中心、微软公司剑桥 研究院、CA 公司、Sony 公司、NEC 研究所以及荷兰菲利浦公司等。SPIE 和 IEEE 的一 些重要国际会议也相继开辟了很多相关的专题[9-12]。 国内方面，随着信息技术交流的加快和水印技术的迅速发展，已经有相当一批有实 力的科研机构投入到这一领域的研究中来。1999 年 12 月，我国第一届信息隐藏学术研 讨会由国内信息安全领域的何德全院士、蔡吉人院士、周仲义院士及有关应用研究单位 联合发起召开。2000 年 1 月，中科院自动化所模式识别国家重点实验室和国家“863”智 能机专家组组织召开了数字水印学术研讨会，来自中国科学院、国家信息安全测评认证 中心、国家自然科学基金委员会、清华大学、北京邮电大学、国防科技大学、中国科技 大学、北京电子技术应用研究所、上海交通大学、天津大学、北京大学、中山大学、北 方工业大学等单位的专家学者和研究人员深入探讨了数字水印的关键技术，报告了各自 的研究成果，很大程度地推动了国内数字水印技术的研究与发展。从会议反应的情况可 以看出，我国数字水印学术领域的研究与世界水平相差不大，而且有自己独特的研究思 路[13-15]。国家对信息安全产业的健康发展也非常重视，在 2003 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 4
    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、或挑战应答等技术）”等多项防盗版和防伪技术给予重点支持。现在国内 已经出现了不少生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的 刘瑞祯、谭铁牛等人于 2002 年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和 网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司——上海阿须数码技术有限公司，公司现从事 数字证件、数字印章、PDF 文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技 术的研究。虽然数字水印在国内的应用还处在初级发展阶段，但水印公司的创办使得数 字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是走上了实用化和商业化的道 路，推动了国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效、安全的保障。 1.3 研究目的与意义 数字水印技术作为一个跨多领域、多学科的技术体系，由于它与具体的应用密切相 关，因此每个研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略也各不相同，但都是围 绕着实现数字水印的各种基本特征进行设计，这也决定了数字水印技术研究成果的多样 性以及数字水印技术研究的不完善性，仍有许多技术问题需要解决。数字水印技术把具 有特定意义的水印信号，利用数字嵌入的方法隐藏在数字作品的空域或频域中，用来证 明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据；同时通过对水印的检 测和分析可以保证数字信息的完整可靠性。因而，数字水印技术被认为是知识产权保护 和多媒体数字作品防伪的有效手段，它将促进隐蔽通信技术和信息安全技术的提高。目 前提出的数字水印的嵌入方式大致可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类。 空域算法主要采用各种方法直接修改数字图像的像素, 典型的一种算法是将信息嵌入到 随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但 是由于它使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易因图像量化、 滤波、几何变形的操作而被破坏。变换域水印算法首先对图像进行变换，将空域数据变 换到频域中,然后嵌入水印,如离散傅里叶变换(DFT) 、离散小波变换(DWT) 、离散余弦 变换(DCT)等,其优点是嵌入的水印信息量大,嵌入效果比较好，鲁棒性较空域算法高[16]。 变换域数字水印算法的研究使得水印能有效地抵抗剪切和旋转等几何攻击，具有较强的 鲁棒性。本设计在小波变换理论的基础上提出一种算法，实现图像数字水印的嵌入和提 取。并进行一些抗攻击性能的实验，以判断该算法的鲁棒性。 5
    2 小波变换 2.1 小波分析简介 小波变换是在傅立叶分析的基础上发展起来的，它相对于傅立叶分析的优点是它在 空域和时域都是局部化的，其局部化格式随着频率自动变化，在低频处取宽的时（空） 间窗，在高频处取窄的时（空）间窗，适合处理非平稳信号。小波变换是对信号时间一 尺度(时间一频率)的一种分析方法，具有多分辨率分析(MRA)的特点，而且在时域和频 域都具有表征信号局部特征的能力。它通过伸缩和平移等运算对函数或信号进行多尺度 细化分析，解决了许多傅立叶变换不能解决的困难问题。 通俗地讲，小波（Wavelet）是一种在有限小区域内存在的波，是一种其函数表达式 具有紧支集，即在有限范围内函数 f(x)不等于零的特殊波形。它是由一个满足条件 C    ( ) t dt  0 （3-1）    的函数 ( )t 通过平移和伸缩而产生一函数族 , ( ) a b t 。 , ( ) t  a b  a 1 (  2 t b  a ) a,b∈R；a>0 （3-2） a b t 称为小波基函数，简称小波基。其中 a 为尺度因子（伸缩因子），b 为平移因子， , ( ) 因为它们都是连续变化的值，所以称 , ( ) a b t 为连续变化的小波基函数。它们是由同一母 小波函数 ( )t 经过伸缩和平移后得到的一组函数系列。由于小波基函数在时域和频域都 具有有限的或近似有限的定义域，所以经过伸缩平移后的函数在时域仍是局部性的。 2.2 离散小波变换 在实际应用中，不管是图像还是音频信息，都是经过采样量化后得到的一些离散数 据。因此，我们一般采用离散小波变换（Discrete Wavelet Transform）对信号进行处理。 离散小波变换是指在特定子集上采取平移和缩放的小波变换，是一种兼具时域和频域多 分辨率能力的信号分析工具。此变换运用可以缩放平移的小波代替固定的窗进行计算分 析，主要应用于信号编码和数据压缩。 6
    离散小波变换在图像处理中的基本思想是把图像进行多分辨率分解，分解为不同的 空间和独立的频率带的子图像，然后对子图像的系数进行处理。根据S. Mallat的塔式分 解算法，通过一级小波变换，原始图像被分解为4个一级子图：即1个低频子图LL1（原 始图像的主要部分及近似）和3 个高频子图（原始图像的细节部分）：HL1（水平方向 细节），LH1（垂直方向细节），HH1（对角方向细节）。若对低频子图LL1 再进行小波 分解又得到低分辨率的4个二级子图（LL2、HL2、LH2、HH2），如图3-1所示。如此重 复，可以对图像进行多级小波分解，其中最底层的低频子图集中了被分解图像的绝大部 分信息，刻画了图像的主要特征，故称为被分解图像的近似子图；各高频子图分别保持 了被分解图像各方向的边缘细节，刻画了被分解图像的边缘细节特征，所以称为被分解 图像的细节子图。低频子图抵抗外来影响的能力较好，高频子图的边缘细节容易受到外 来噪声和常规图像处理等因素影响，稳定性差[16]。图3-2是woman图像经过两级小波变 换后的图像。 图 3-1 图像的二级 DWT 分解 图 3-2 两级小波变换后的 woman 图 2.3 小波域数字水印 随着小波变换理论的发展及其在数字图像处理的应用，很多学者都已经提出了基于 小波域的数字图像水印技术，小波变换在数字水印中的应用也日渐成熟。小波变换的各 种优点都有利于在小波域中开发图像数字水印技术： （1）小波变换具有多分辨率分析的特性，它对图像的描述为分层目录结构，这样就 可以直接对图像进行层次处理，而不需要对整幅图像进行水印的验证。这一特点尤其适 用于需要进行大量数据处理的图像步进传输中，例如视频图像的应用。这种分层目录结 构的水印算法可以为图像水印提供分级检测的方式，很大程度地减少计算量。 7
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