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基于MATLAB的数字水印技术.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.78M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    ABSTRACT
    4 数字图像水印攻击和评价
    5 基于小波的水印技术
    6 程序运行结果
    致 谢
    摘 要 随着计算机网络的迅速发展，包括数字图像在内的数字媒体得到了广泛的应用， 数字媒体的数据逐渐成为人们获取信息的重要来源，但随之而来出现了一系列如随 意复制、编辑、非法传播数字图像的信息安全问题，数字媒体的版权保护问题变的 日益突出，数字图像水印技术由此应用而生，已成为信息安全领域的一个研究热点。 数字水印技术是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及保障信息完 整性的新型技术，在音频、图像、视频制品中迅速得到广泛的研究和发展。 本文主要完成以下工作： 1．从数字水印技术的研究动态、概念、特点、典型算法及其受到的各种形式的 攻击作了概括性介绍。 2．由数字图像水印的一般工作流程：嵌入水印、提取水印、攻击、再提取水印， 分析和讨论了基于 DWT 小波变换的数字图像水印技术的基本原理和实现过程，最后 给出了用 MATLAB 编写、实现的源代码。 关键词：图像处理；数字图像水印；信息安全；DWT 算法；Matlab
    ABSTRACT With the rapid development of computer networks, digital media includes digital images, has been widely used. Digital media data has gradually become an important source of information for people, but with the emergence of digital image information security issues by the behavior of copy, edit, illegal dissemination, digital media copyright protection issues become images Watermarking technology has been applied and has become a hotspot in the field of information security. Digital watermarking technology is a kind of new technology which can protect copyright and authentication source and guarantee the integrity of information in open network environment. It is widely researched and developed in audio, image and video products. increasingly prominent. Digital This article mainly completes the following work: 1. This paper introduces the research trends, concepts, characteristics, typical algorithms and various forms of attacks of digital watermarking technology. 2. The basic principle and realization process of digital image watermarking based on DWT wavelet transform are analyzed and discussed. Then , the paper introduces and realizes the watermarking of digital image watermarking by embedding watermark, extracting watermark, attacking and extracting watermark. Finally, using MATLAB to complete those function. Key words：image processing; digital image watermarking; information security; DWT transform
    目 录 1 绪论 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 课题研究的目的.........................................................................................................1 1.2 课题研究的意义.........................................................................................................1 1.3 国内外研究概况.........................................................................................................2 2 原理分析 ............................................................................................. 错误！未定义书签。 2.1 水印的基本特征.............................................................................错误！未定义书签。 2.2 水印技术的原理.........................................................................................................3 3 数字水印算法 .................................................................................................................6 3.1 空域水印嵌入算法...................................................................................................6 3.2 变换域算法...............................................................................................................6 4 数字图像水印攻击和评价 ...........................................................................................6 5 基于小波的水印技术 ....................................................................................................7 5.1 载体图像小波变换...................................................................................................7 5.2 水印图像的预处理...................................................................................................7 5.3 小波数字水印的嵌入...............................................................................................8 5.4 小波水印的检查提取.................................................................. 错误！未定义书签。 6 程序运行结果 .................................................................................................................9 6.1 数字水印的嵌入.......................................................................................................9 6.2 数字水印的提取.....................................................................................................10 6.3 数字水印的攻击.....................................................................................................11 7 总结 ................................................................................................................................ 13 致 谢 ................................................................................................................................13 参考文献 ............................................................................................................................13
    1.1 课题研究的目的 1.绪论 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放的网 络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术。本次课程论文本论文中首先介 绍了有关数字图像水印的发展背景以及其应用，其次介绍了实现数字图像水印技术 的原理，最后就是针对数字图像水印的 Matlab 设计，以及进行一定的对比分析。 1.2 课题研究的意义 数字水印技术是刚刚兴起的一门数字信息安全的新技术，但是由于它具备的特殊优 势和特性，自它被提出之后，就受到广大专家学者的认可，它的应用前景和应用领 域非常巨大，总的来说，主要应用领域有： （1）版权保护：目前版权保护可能是水印最主要的应用领域。数字作品的所有者用 密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该 作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信 号作为依掘，从而保护所有者的权益。这要求水印必须具有较好的鲁棒性、安全性、 透明性和水印嵌入的不可逆性。 （2）票据防伪：随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过 1200dpi 的 彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得纸币、支票以及其它票据 的伪造变得更加容易。目自订，美国、日本以及荷兰都在研究用于票据防伪的数字 水印技术，其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，己经开始研究在彩色 打印机和复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的水印，需要时可以实时地 从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识伪。另一方面，在从传统商务向电子商务 转化的过程中会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像，网络安 全技术成熟以后的各种电子票据等都需要进行非密码认证，数字水印技术可以为各 种票据提供不可见的标志，从而大大增加了伪造的难度。 （3）内容认证：通过使用那些很难被检测到的方法，使得篡改数字作品变得越来越 容易。内容认证的目的就是检测对数字作品的修改，可用脆弱水印来实现认证。可 以简单的认为脆弱水印是一种当作品发生任何形式的改变后变得不可测的标志。如 果从作品中检测到一个非常脆弱的水印，那么说明作品没有被修改，至少没有被意 外地修改。该类水印还可以对数字作品被篡改的地方进行定位，甚至有的算法还能 够将被篡改的内容进行部分恢复或全部还原。 （4）标题与注释：数据的标识信息有时比数数据本身更具有价值，如遥感图像的拍 1
    摄日期、经纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信 息标记在原始文件上又很危险。将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品 中，于是标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序可以读取。 （5）盗版跟踪：数字水印还有一些其他的应用，他们的目的是传输合法接受者的信 息而不是数据来源者的信息，主要用于识别数据的单个发行拷贝，这一类应用在发 行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹”，对每个拷贝各自嵌入水 印的情况，因为他们的发行要面临共谋攻击的危险，所以嵌入的水印应该设计成对 共谋攻击而言是安全的，同样，对于某些数字指纹来说，他们要求水印易于提取， 且有很低的复杂度。 （6）拷贝保护：在多媒体发行体系中，希望存在这样的一个拷贝保护机制，即它不 允许未经授权的媒体拷贝，在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系 统中，拷贝保护是可行的，在这样的系统中，可用水印来说明数据的拷贝情况。 （7）安全的隐秘通信：情报战是信息战的重要组成部分，其核心思想是利用公用网 络进行保密数据传送，目前采用的方式主要是“文件加密”，然而经过加密的文件往 往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公 用网络进行保密通信有了新的思路，即利用数字水印技术把需要传递的秘密信息作 为水印嵌入到可以公开的数字产品的时(空)域和变换域中，从而实现隐蔽通信。由于 嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化，察觉到秘密信息的存在是不大可 能的。从这个意义上讲，传输秘密信息的信道也是秘密的。这将有效地减少遭受攻 击的可能性。同时，由于信息的嵌入方法是保密的，如果再结合密码学的方法，即 使敌方知道秘密信息的存在，要提取和破译该信息也是十分困难的。 1.3 国内外研究概况 二十世纪九十年代，数字水印的嵌入方法的最初提出是在空间域上实现的，而 在二十世纪末到二十一世纪初，频域数字水印的研究兴起，比起空间域的方法，频 域水印技术的鲁棒性更好，国际、国内对数字水印研究很重视，可见数字水印对社 会的应用是多么重要，它的研究前景是十分广阔的。数字水印技术是近十年来横跨 信号处理、数字通信、密码学、计算机网络技术等多学科的新兴技术，具有潜在的 应用市场和良好的应用前景。 从研究意义来看，对它的研究具有重要的学术、经济和军事价值。一方面，它 将促进多媒体技术、网络技术、通信技术、信号处理技术等多门新兴技术的有机结 合，促进多媒体网络的进一步繁荣；另一方面，它将有助于多媒体信息版权保护及 其冲突问题的解决。同时，它将促进隐蔽通信技术、信息安全技术的提高。 2
    2.原理分析 2.1 水印的基本特征 数字水印通常可分为鲁棒数字水印和易损数字水印两类，从狭义来讲，数字水印 一般特指鲁棒数字水印，鲁棒数字水印主要用于数字作品中标示著作权信息，利用 这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入标示信息。在发生版权纠纷时，标示信息 用于保护数据的版权所有者。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全 性。 不同领域对数字水印有不同的要求，但是一般而言，鲁棒数字水印应具备如下特 点： (1) 不可感知性。就是嵌入水印后的图像和未嵌入水印的图像，必须满足人们感 知上的需求，在视觉上没有任何差别，不影响产品的质量和价值。 (2) 鲁棒性：嵌入水印后的图像在受到攻击时，水印依然存在于载体数据中，并 可以被恢复和检测处理。 (3) 安全性：嵌入的水印难以被篡改或伪造，只有授权机构才能检测出来，非法 用户不能检测、提取或者去除水印信息。 (4) 计算复杂度：在不同的应用中，对于水印的嵌入算法和提取算法的计算复杂 度要求是不同的，复杂度直接与水印系统的实时性相关。 (5) 水印容量:水印容量是指载体数据字中可嵌入多少水印信息，可以从几兆到几 个比特不等。 2.2 水印技术的原理 数字水印技术实际上就是通过对水印载体的分析、水印信息的处理、水印嵌入点 的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制和提取检测方法等相关技术环节的合理 优化，寻找满足不可感知性、鲁棒性和安全性等约束条件下的准最优化设计问题。 在实际应用中，一个完整水印系统的设计通常包括水印的生成、嵌入、检测和提取 四个部分。 1. 水印生成 通常基于伪随机数发生器或混沌系统来产生水印信号，从水印的鲁棒性和安 全性方面来考虑，常常需要对原水印进行预处理来适应水印嵌入算法。 2. 水印嵌入 在尽量保证水印不可感知性的前提下，嵌入最大强度的水印，可提高水印的 稳健性。水印的嵌入过程图一，密钥公钥不是一定需要的数据，常用的水印 嵌入准则有加法准则、乘法准则和融合准则。 3
    加法准则是一种普遍的水印嵌入方式，嵌入水印时没有考虑到原始图像各像素间 的差异，因此，该方法嵌入水印后图像质量在视觉上变化比较大，影响了水印的稳 健性。公式：Y=I+aW，I 是原始载体，W 是水印信号，a 是水印嵌入强度，它的选择 必须考虑图像的实际情况和人类的视觉特性。 乘法准则考虑到了原始图像各像素之间的差异，因此，乘法准则的性能在很多方 面要优于加法准则。公式：Y=I*（1+aW）。 融合准则综合考虑了原始图像和水印图像，在不影响人的视觉效果的前提下，对 原始图像做了一定程度的修改。公式：Y=（1-a）*I+aW。 3. 水印检测 指判断水印载体中是否存在水印的过程。水印的检测过程如图二，椭圆框表 示水印过程不一定需要这些数据。 4
    4. 水印提取 指水印被比较精确地提取的过程。水印的提取和检测可以需要原始图像的参 与（明检测），也可以不需要原始图像的参与(盲检测)，水印的提取过程如图 三所示，椭圆框表示提取水印不一定需要这些数据。 5
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