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DCT域图像数字水印算法的分析和实现.docx

发布时间：2022-06-26 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.92M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    第1章 绪 论
    1.1信息隐藏技术
    1.2 数字水印的研究背景
    1.3 数字水印的发展前景
    第2章 数字水印基本原理及技术
    2.1 数字图像水印的基本原理
    2.2 数字水印的特点
    2.3 数字水印的分类
    2.4 数字图像水印的典型算法
    2.4.1 时空域水印算法
    2.4.2 变换域水印算法
    2.5 数字图像水印的典型攻击
    2.6 数字水印系统的性能评价
    第3章 离散余弦变换及DCT域图像水印算法
    3.1 离散余弦变换
    3.1.1 离散余弦变换的原理
    3.1.2 离散余弦变换的定义
    3.2 基于DCT域的图像水印算法
    3.2.1 DCT域图像水印算法的背景
    3.2.2 DCT域图像水印算法的特点
    3.2.3 DCT域图像水印算法的发展
    第4章 基于DCT域图像数字水印算法设计
    4.1水印与载体图像的选取
    4.2 水印的生成与嵌入
    4.2.1 水印的生成
    4.2.2 水印的嵌入位置选取
    4.3 水印的检测与提取
    第5章 算法实现和实验结果分析
    5.1算法的实现
    5.1.1 水印的嵌入
    5.1.2水印的提取
    5.2攻击实验
    5.2.1高斯噪声攻击
    5.2.2 JPEG压缩攻击
    5.2.3旋转攻击
    总 结
    致 谢
    参考文献
    附录1
    毕业论文 I DCT 域图像数字水印算法的分析和实现 摘要：随着计算机通信技术和互联网的迅速发展，数字多媒体的传播业越来越方便 快捷。但是数字形式的多媒体产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散 发，大范围的授权拷贝行为受到了音像、出版、影视和软件等行业的高度关注。为 了防止这种情况的发生，人们提出了数字水印的概念。数字水印是目前学术界研究 的一个前沿热门方向，可为版权保护等问题提供一个潜在的有效地解决方案。 在本论文中，首先介绍了信息隐藏技术、数字水印技术，并着重介绍了数字水印 技术的基本原理、特征、典型算法、评测方法等数字水印技术。然后设计了一种基于 DCT的图像数字水印新算法，该算法根据二值水印图像像点取值情况,相应地改变中频 段两个位置处DCT系数的大小关系，从而实现水印信息的嵌入。最后在MATLAB中 通过编程进行实验仿真，并对其进行性能测试，实现了数字水印的嵌入、提取实验并 用攻击实验证明该算法具有较好的不可见性和较好的鲁棒性。 关键词：数字水印； 离散余弦变换(DCT)； 鲁棒性
    毕业论文 II Design and Implement of Digital Image Watermark Based on DCT Abstract：With the rapid development of computer communication technology and the Internet, digital multimedia broadcasting industry is more and more convenient. However, because the digital forms of multimedia products can be easily copied completely and be disseminated widely in a networked environment, these acts is concerned widely by authorized audio and video, publishing, film and software industries. In order to prevent this from happening, the concept of digital watermarking was put forward. Digital watermarking is the academic study of popular and the cutting-edged, and also providing a potentially effective solution for copyright protection and other issues. In this paper, firstly introduced the digital watermarking technique for information hiding, digital watermarking technology, and highlighted the basic principles of digital watermarking technology, the characteristics of typical algorithms, and the evaluation methods. And then improved a DCT-based digital image watermarking algorithm, the algorithm based on the binary watermark image pixel value corresponding change in the band two locations at the size of the relationship of the DCT coefficients in order to achieve the watermark information’s embed. Through experimental simulation by programming in MATLAB, and performance testing, the digital watermark embedding and extraction experiments and attack experiments prove that the algorithm has good visibility and good robustness. Key words: Digital watermarking， discrete cosine transform (DCT)， Robustness
    毕业论文 目 录 III 摘要 .................................................................. Ⅰ Abstract： ............................................................. Ⅱ 第 1 章 绪 论 .......................................................... 1 1.1 信息隐藏技术......................................................................................................... 1 1.2 数字水印的研究背景............................................................................................. 2 1.3 数字水印的发展前景............................................................................................. 3 第 2 章 数字水印基本原理及技术 .......................................... 4 2.1 数字图像水印的基本原理..................................................................................... 4 2.2 数字水印的特点..................................................................................................... 6 2.3 数字水印的分类..................................................................................................... 7 2.4 数字图像水印的典型算法..................................................................................... 8 2.4.1 时空域水印算法........................................................................................... 8 2.4.2 变换域水印算法........................................................................................... 8 2.5 数字图像水印的典型攻击..................................................................................... 9 2.6 数字水印系统的性能评价................................................................................... 10 第 3 章 离散余弦变换及 DCT 域图像水印算法 .............................. 12 3.1 离散余弦变换....................................................................................................... 12 3.1.1 离散余弦变换的原理................................................................................. 12 3.1.2 离散余弦变换的定义................................................................................. 13 3.2 基于 DCT 域的图像水印算法............................................................................. 14 3.2.1 DCT 域图像水印算法的背景.................................................................. 14 3.2.2 DCT 域图像水印算法的特点.................................................................. 14 3.2.3 DCT 域图像水印算法的发展.................................................................. 16 第 4 章 基于 DCT 域图像数字水印算法设计 ................................ 17 4.1 水印与载体图像的选取....................................................................................... 17 4.2 水印的生成与嵌入............................................................................................... 18 4.2.1 水印的生成................................................................................................. 18 4.2.2 水印的嵌入位置选取................................................................................. 18 4.3 水印的检测与提取............................................................................................... 20
    毕业论文 IV 第 5 章 算法实现和实验结果分析 ........................................ 22 5.1 算法的实现........................................................................................................... 22 5.1.1 水印的嵌入............................................................................................... 22 5.1.2 水印的提取............................................................................................... 23 5.2 攻击实验................................................................................................................ 25 5.2.1 高斯噪声攻击............................................................................................ 25 5.2.2 JPEG 压缩攻击......................................................................................... 27 5.2.3 旋转攻击.................................................................................................... 29 总 结 ................................................................ 31 致 谢 ................................................................ 33 参考文献 .............................................................. 34 附录 1 .................................................................36
    毕业论文 第 1 章 绪 论 1.1 信息隐藏技术 在研究数字图像水印技术之前，需要先了解什么是信息隐藏技术。所谓信息隐藏 是指在一些载体信息中将需要保密传递的信息隐藏进去，而载体本身并没有多大变化， 不会引起怀疑，这样就达到了信息隐藏的目的。 在许多应用领域中，人们常常希望将秘密信息隐藏在某些对象中，或者防止别人 通过这种方式秘密传递信息。其中比较有代表性的例子有：军队和情报部门需要隐蔽 的信息、保护作者合法权益的版权标记、以及出于某种利益的隐蔽通信等。对于数字 水印、计算机系统中隐通道、密码协议中域下通道以及低截获概率通信等技术手段的 研究能够在一定程度上从理论和工程上满足人们的需求，这些都是信息隐藏所研究的 内容。 今天，随着多媒体技术的快速发展与广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了崭 新的领域。国际上的第一届信息隐藏学术会议于1996年在剑桥大学举行，这次会议推 动了信息隐藏的理论与技术的研究，标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏学的正式诞 生。中国从1999年开始，每年召开一次全国信息隐藏学术研讨会。信息隐藏学作为隐 蔽通信和知识产权等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。 信息隐藏学是一门新兴的交叉学科，在计算机、通信、保密等领域有着广阔的应 用背景。数字水印技术，作为数字媒体版权保护的有效手段，也作为信息隐藏学的一 个重要分支，已得到广泛的研究和一定的应用。一个信息隐藏系统的一般化模型可以 用下图1-1来表示。该系统主要包括一个嵌入过程和一个提取过程，其中嵌入过程是 指信息隐藏者利用嵌入密钥，将嵌入对象添加到掩体对象中，从而生成隐藏对象的过 程。提取过程是指利用提取密钥从接受到的、可能经过修改的隐藏对象中恢复嵌入对 象，在提取过程中可能需要掩体对象，也可能不需要。图1-1是信息隐藏的一般模型。 1
    毕业论文 图 1-1 信息隐藏的一般模型 1.2 数字水印的研究背景 随着计算机通信技术和互联网的迅速发展，数字多媒体的传播也越来越方便快捷。 互联网中以电子印刷出版、电子广告、数字图书馆、网络视频和音频、电子商务等新 的服务和运营方式为商业、科研、娱乐等带来了巨大的机会。但是另一方面也使得盗 版者能以非常低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容获得名利等。出于对数 字产品的版权所有者的利益考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权保护 的问题。然而通过密码学技术对数字产品进行加密后，在所加密的数字内容解密之后， 没有有效的手段来保证其不被非法拷贝、再次传播和盗用。此外，数字形式的多媒体 产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散发，大范围的侵权拷贝行为受到 了音像、出版、影视和软件等行业的高度关注。为了防止这种情况发生，人们提出了 数字水印的概念。1996年5月，在英国剑桥召开了第一届国际信息隐藏学术会议(IHW)， 会议的一个主要议题就是数字水印技术。此后各种重要的学术会议及学术期刊上不断 出现关于数字水印研究的文章，数字水印开始成为国际学术界和企业界的一个热门研 究领域和发展方向，逐步得到人们的广泛关注、高度重视和发展。 数字水印在我国也受到了相当的重视，学术界对于数字水印技术的研究很多，已 经有一批具有相当实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。自1999年12月召开了 我国第一届信息隐藏学术研讨会后，各种相关的学术会议不断举办，国家“863"计划、 “973”计划、国家自然科学基金等都对数字水印的研究提供了项目资助。目前我国在 数字水印领域的学术研究水平与世界水平相差不远，但要投入实际应用还有待时间。 总的说来，由于数字水印的研究要以计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信 号处理等领域的思想和概念为基础，一个数字水印方案一般总是综合利用这些领域的 2
    毕业论文 最新进展，但也无法避免这些领域固有的一些缺点。目前尽管人们都在努力发展和完 善数字水印技术，但从水印研究的状况而言，数字水印技术仍然没有完全成熟，还只 是一门新兴的学科，总体上还处在一个技术评估的阶段。在这个阶段，数字水印技术 还没有被人们广泛理解，而且还有很多问题没有得到解决。 1.3 数字水印的发展前景 数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们发现他还 具有更多更广的应用，有许多是当初没有预料到的。目前，数字水印技术的应用大体 上分为版权保护、数字指纹、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护、安全不可 见通信等几个方面。 尽管在水印的发展过程中出现了很多的研究结果，但数字水印技术仍然是一个不 成熟的研究领域，还有许多有意义的工作需要完成。其理论基础依然非常薄弱，大部 分的数字水印算法还只是经验性的。根据数字水印研究现状分，以下几个方面将是今 后关于数字水印研究得关注的几个方向： (1)视频水印的研究：现在对于数字水印技术的研究主要集中在静态图像方面。 至于音频方面，人们已能建立很好的语言模型，因此相应的水印技术也相对成熟一些。 而在视频方面，虽然目前已有基于动画的水印，但远不如在静态图像中所达到的效果 要好。因此关于视频资源的保护方面是未来数字水印技术的重要应用方向。 (2)数字水印模型的深入研究：对现有的数字水印模型的深入研究，就是要继续 研究不同学科理论在数字水印技术中的应用，建立完善的数字水印技术的理论体系， 包括建立更好的模型，对模型在各种媒体资源中隐藏水印信息的容量的分析，对算法 抗攻击和鲁棒性等性能的分析，以及对数字水印相关的攻击方式的分析研究方法等。 (3)数字水印的标准化应用研究：数字水印要得到更广泛的应用才能更进一步推 动数字水印技术研发的良性发展。例如数字水印应用于数字内容交易场所，完成数字 内容的版税征收等。 数字水印技术是一个新兴的研究领域，如今还有许多未触及的研究课题，其应用 领域也在不断扩大，现有技术也需要改进、完善和提高。数字水印作为数字资源的重 要的防伪技术，具有很高的技术含量和很强的生命力，同时也孕育着巨大的商机。随 着研究的不断深入，相信数字水印技术必将有广阔的应用前景。 3
    毕业论文 第 2 章 数字水印基本原理及技术 2.1 数字图像水印的基本原理 数字水印的基本原理是将某些标识数据作为水印信息嵌入到载体数据中，并且保 证水印信息在载体数据中的不可感知和足够安全。一方面，从图像处理的角度看，嵌 入水印可以视为在强信号下迭加一个弱信号，由于人的视觉系统分辨率受到一定的限 制，只要迭加信号的幅度低于对比度门限，就无法感觉到信号的存在。因此，通过对 原始图像作一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。即数字水 印技术是将特定的信息嵌入到被保护的信息中，以及从被保护的信息中提取或检测出 特定信息的过程。所以，所有数字水印系统都包括两个基本模块，即水印嵌入系统和 水印恢复系统。 嵌入阶段的设计主要解决两个问题：一是数字水印的生成，可以视为随机数序列， 也可以是文本、图片等数据；二是嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印能够很好 的保护数字产品。下图2-1是一个水印嵌入一般模型，其中设水印信息为W、载体数 据为I、私钥(公钥)为K、输出是加入水印后的数据J。 图2-1 水印嵌入的一般过程 另一方面，从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道上用扩频通 信技术传输一个窄带信号。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率 上的能量是难以检测到的。水印的译码则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。 设载体图像为I，水印信号为W，密钥为K，则水印嵌入公式描述为： IW  KWIE ,( , (2-1) ) 4
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