1、青岛科技大学本科毕业设计论文11 绪论在日常生活中，人们将纸币对着光源，通过检查其中是否有“水印”来判断纸币的真伪。此外水印还被广泛应用于支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，并成为判断传统印刷品真伪的一个重要手段。而对于一些数字作品，比如图像、音乐、视频、电子图书等，数字水印技术就成为保护这些数字作品的一个有效的选择。数字水印技术在真伪鉴别、隐蔽通信、标志隐含、电子身份认证等方面具有重要的应用价值。数字水印技术的研究涉及信息学、密码学。数学、计算机科学、模式识别等多种学科，其巨大而广阔的应用前景引起了学术界、工业界和军方的关注。1.1 数字水印产生的背景作为传统加密方法的有效补充手段，数字水
2、印近年来引起了人们的高度重视，并逐步成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。数字水印技术通过一定的算法将一些水印信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，这些信息可以用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、作者、发行人等。数字水印与载体信息紧密结合并隐藏其中，成为源数据的一部分，并可经历一些攻击手段而存活下来。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、鉴别真伪和非法拷贝、解决版权
3、纠纷等方面，为法庭提供了有力证据。数字水印技术的出现有着深刻的历史背景。世纪末，数字技术的飞速发展以及互联网的普及给人们的工作和生活带来了巨大便利，人们可以通过互联网传递重要信息，进行网上贸易，或者发布自己的数字作品等等。以数字媒介为载体的多媒体信息如图像、音乐和视频等的传播和获取也变得日益快捷和方便，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度。但是随之而来的一些问题也出现了。一些非法个人、团体在没有得到数字作品所有者的许可下，利用网络的开放性和共享性，随意复制、篡改、传播有版权的内容，或者在电子商务中进行非法盗用和恶意篡改等。由于数字化的优点，使得对数字作品的侵权行为变得很容易。这些行为严重
4、损害了数字作品创基于小波分析的图像水印算法研究2作者和使用者的利益。因此，如何进行有效的版权保护和信息安全保护，成为一个迫在眉睫的现实问题。1.2 数字水印的应用领域随着数字化产品在中国的广泛开展，特别是这几年因特网用户将成倍增长，电子商务会加速发展，在网络上直接销售数字化产品将给厂家带来极大的商机，如何有效保护产品的版权将成为厂商极为关心的问题。到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面。其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求，随
5、着需求的不断变化，数字水印技术的应用领域不断扩展，主要有这几个方面：版权保护、加指纹、标题与注释、篡改提示、使用控制、内容认证、商务交易中的票据防伪、隐蔽通信及其对抗等。1.3 本文所要研究的内容本文是基于小波变换的图像水印算法研究，提出了一种基于二维离散小波变换的算法，本文研究内容：第一章绪论介绍了数字水印的产生背景及其应用领域；第二章介绍数字数字水印概念、模型、特点、分类及其多种典型算法；第三章介绍了小波概念、小波函数、离散小波变换、图像的小波分解与重构；第四章介绍了基于小波变换的数字水印算法原理；第五章基于小波变换的数字水印的实现代码。青岛科技大学本科毕业设计论文32 数字水印理论基础2
6、.1 数字水印的概念所谓数字水印，就是在数字宿主媒体(如图形、图象、音频、视频或文本等)中嵌入一定量的信息，根据对所加信息要求的不同，这部分加入的信息或可见或不可见(通常要求不可见)，但都不影响原宿主媒体的功能，并对原宿主媒体起到保护的作用。通常这些加入的水印是含有版权信息或其它重要信息的数字符号，它可以是代表版权所有的文字、商标、印鉴或是其它数字图形、图象、音频、视频或随机序列信息。数字水印技术是指利用数字产品的信息冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的一些标识信息直接嵌入多媒体内容中，并能够通过计算机或专用检测电路及时地把水印检测或提取出来的技术。这种技术充分利用了人的知觉系统(HVS)和人
7、类听觉系统(HAS)的冗余特性。数字水印研究主要研究以下内容(1)水印基本理论的研究。水印基本理论研究包括有三部分的研究内容。它是数字水印技术研究中最为关键的一部分。水印的产生：就是构造嵌入宿主媒体前的水印信息，可以是与宿主媒体直接有关的文本、图象或者语音、视频等数据信息。水印的嵌入算法：是指根据不同的应用目的，在数字媒体中选取适当的位置，将水印数据隐藏在数字媒体中方法。水印的提取：就是检测数字媒体中是否含有嵌入水印信息，或者将已知含有水印信息的媒体中的水印提取出来的方法。常用于检验版权归属，军事或其它秘密通信中，还可用于侦察和监控，以免泄密事件的发生。(2)数字水印攻击和抗攻击能力的研究。是
8、指研究增强水印抵抗各种攻击的能力，以及对水印实施攻击以消除水印的方法和策略。(3)数字水印技术的应用研究：就是研究如何在工业中应用水印技术来进行版权保护或隐秘通信。2.2 数字水印的模型数字水印就是向被保护的数字作品信息，比如图像、视频、音频等嵌入某基于小波分析的图像水印算法研究4些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，可以是作者的序列号、公式标志或有意义的文本等等。从信号处理的角度看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于人眼视觉系统对比度门限或听觉系统对声音的感知门限，或就无法感知到信号的存在。由于受空间、时间和频率特性的限制，因此通过对载体对象作
9、一定的调整，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一些信息。在实际应用中，一个完整水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分：1 水印的生成水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统，或者是有意义的一些数据，如序列号、图像等。产生的水印信号往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。原始水印信号也可以预先指定，而在嵌入水印前对该水印信号可以做适当的变换或者不做变换，密钥可以在水印嵌入过程中产生。2 水印的嵌入水印嵌入就是把水印信号加到载体数据中，嵌入准则可以是量化嵌入、加法嵌入、乘法嵌入等。量化嵌入：在量化水印算法中，水印通常是二值序列，通过一种量化替代方案把原始图像数据替换成另一个量化值
10、来嵌入水印。一种简单的量化水印称为奇偶嵌入水印，若宿主信号被里化为与之最近的偶数，则嵌入“0“;若量化为与之最近的奇数，则嵌入“1“,嵌入准则可以是加法嵌入、乘法嵌入：加法准则 (2.1) )()( kawxk乘法准则 (2.2)x 可以表示原始产品采样的幅度，也可以表示某种变换域的系数值，而作为嵌入强度的参数 可以选取不同的值或自适应的值以确定达到最好的效果。3 水印的提取水印提取和检测系统的目的是提取出水印 w，或者是某种可信度的值，它表明了所考察数据中存在给定水印的可能性。在一些水印系统中，水印可以被精确的提取出来，这个过程称为水印提取。水印提取过程负责从水印载体数据中提取出水印信息。2
11、.3 数字水印的特点青岛科技大学本科毕业设计论文5数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还具有其固有的特点。（1）不可感知性（不可见性）：数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质且不易被察觉；（2）鲁棒性（稳健性）：指经过各种处理操作或恶意攻击后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的攻击包括篡改、伪造、去除水印等。可能的操作包括信道噪声、滤波、增强、有损压缩、几何变换、D/A 或 A/D 转换等。（3）隐藏位置的安全性：水印信息隐藏于目标数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。（4）无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权，不会发生多重所有
12、权的纠纷。（5）通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统也就失去了存在的意义。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和隐蔽性等特点。2.4 数字水印的分类根据数字水印分类的出发点不同，数字水印可以分为不同种类。各种分类方法并不是孤立的，例如一般要求公开水印是非对称盲水印。常见的几种分类方法如下：按水印的特性可以将数字水印划分为鲁棒水印和脆弱水印两类。鲁棒水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱
13、水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，它必须对信号的改动很敏感，这样人们可根据脆弱水印的状态判断数据是否被篡改过。按水印所负载的媒体，可以将数字水印划分为图象水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。按水印检测过程划分，可分为非盲水印和盲水印。非盲水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，非盲水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。基于小波分析的图像水印算法研究6按水印的内容划分，可分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像(如商标图像)或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个随机序
14、列。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印；但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否包含水印。按水印隐藏的位置划分，可分为空域数字水印、频域数字水印、时/ 频域数字水印和时间/尺度域水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。按用途划分,数字水印的应用领域十分广泛，不同的用途对其技术要求也不一样。所以按水印的用途，我们可以将数字水印划分为版权保护水印、票据防伪水印、篡改验证水印和隐蔽标识水印。2.5 数字水印的典型算法近年来，数字水印技术的
15、研究得到了社会各领域的关注，各种水印算法被相继提出。数字水印的嵌入算法有很多的分类方法。 但主要可分为两大类：基于空间域和变换域两种方法。大多数空域方法缺乏对图像处理的稳健性，随着水印技术研究的不断发展和应用要求的不断提高，空域方法已被放弃使用，而主要应用在信息隐形领域当中。变换域的水印算法主要有以下显著优点：(1)在变换域嵌入的水印信号能量可以分布到空间域的所有象素上，有利于保证水印的不可见性和鲁棒性；(2)在变换域中，人眼视觉系统的某些特性，如频率掩蔽特性，可以更方便的结合到水印编码过程中；(3)变换域的水印算法可以更好的同国际数据压缩标准相兼容。因此这里主要分析的是变换域的水印算法,变换
16、域的水印算法大致又可分为以下几种算法：(1)DFT(Discrete Fourier Transform)域水印算法：该方法有利于实现水印的仿射变换(图象几何变换和传输过程中常见畸变的数学模型)不变性，且可利用相位信息嵌入水印(根据图象处理的有关结论：从图象的可理解性角度，青岛科技大学本科毕业设计论文7相位信息比振幅信息更重要，与利用振幅信息相比具有更多的优点)，但 DFT与国际压缩标准不兼容，因而限制了其应用。(2)DCT (Discrete Cosine Transform)域水印算法：DCT 域是 JPEG 和MPEG 压缩标准使用的变换域，因此 DCT 域的水印嵌入规则对 JPEG 和
17、 MPEG 压缩都具有较强的健壮性。而且前人在信源编码里得出的可视性(即视觉失真)理论能够被重新使用，这些研究有助于预测水印对载体图像的视觉影响。另外一点是为了使计算时间最小，在 DCT 域中研究水印提供了这种可能性，即在压缩时直接实现嵌入操作(例如在一个 JPEG 或 MPEG 编码器里)。 (3)DWT(Discrete WaveletTransform)域水印算法：小波变换具有良好的空间-频率分解特性，另外，在 2000 年底公布的最新静止图像压缩编码标准JPEG2000 中，使用的是小波变换域，因此目前人们在水印技术中对小波的热情程度就像当初在 JPEG 中提倡使用 DCT 一样。作为
18、一种时间-频率信号的多分辨率分析方法，小波变换在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，且能够很好的匹配 HVS 特性，其多分辨率思想对根据健壮性和视觉效应设计一个好的信息在载体中的分布方式(即定位)是很有用的。基于小波分析的图像水印算法研究83 小波变换理论基础3.1 小波的概念小 波 (Wavelet)这 一 术 语 ， 顾 名 思 义 ， “小 波 ”就 是 小 的 波 形 。 所 谓“小 ”是 指 它 具 有 衰 减 性 ； 而 称 之 为 “波 ”则 是 指 它 的 波 动 性 ， 其 振 幅 正负 相 间 的 震 荡 形 式 。 与 Fourier 变 换 相 比 ， 小 波 变 换
19、 是 时 间 (空 间 )频 率 的局 部 化 分 析 ， 它 通 过 伸 缩 平 移 运 算 对 信 号 (函 数 )逐 步 进 行 多 尺 度 细 化 ， 最终 达 到 高 频 处 时 间 细 分 ， 低 频 处 频 率 细 分 ， 能 自 动 适 应 时 频 信 号 分 析 的 要 求 ，从 而 可 聚 焦 到 信 号 的 任 意 细 节 ， 解 决 了 Fourier 变 换 的 困 难 问 题 ， 成 为 继Fourier 变 换 以 来 在 科 学 方 法 上 的 重 大 突 破 。 有 人 把 小 波 变 换 称 为 “数 学显 微 镜 ”。3.2 小波函数设 为一平方可积函数，
20、也即 ，若其傅立叶变换 满)(T)(2RLT)(足允许条件 dw2|)(|(3.1) 则称 为一个基本小波或小波母函数，并称式(1.1)为小波函数的可容)(t许性条件。将小波母函数 进行伸缩和平移，设其伸缩因子(或称尺度因子)为 a，T平移因子为 ，令其平移伸缩后的函数为 ，则有： )(,taa0, (3.2) )()(21, tatR称 为依赖于 a, 的小波基函数。由于尺度因子 a、平移因子 是取)(,ta连续变换的值，因此称 为连续小波基函数。)(,ta青岛科技大学本科毕业设计论文93.3 离散小波变换对任意函数 f (t)的离散小波变换(Discrete Wavelet Transfo
21、rm，简称为DWT)为：(3.3) dttffnmWTRnmnmf )(, ,若离散小波序列 构成一个框架，设其上、下界分别为 A 和 B，则z,当 A=B 时（此时框架为紧框架） ，离散小波变换的逆变换(IDWT)公式为：(3.4) )(,(1)(,)( , tnWTAtftf mfnmnm 当 A=B=1 时，离散小波序列 为一正交基，此时小波变换的逆变zn,换公式为：(3.5)(,()(,)( , , tTtftf nmnmfnmn3.4 二维离散小波变换假定 为 J 尺度空间的剩余尺度系数序列，并且令 和 分别为小波函jlis, 0h1数的低通和高通滤波器，则二维小波变换的快速分解公式
22、为（3.6)jli,ljmkmk shi,0, )2()(1(3.7) ljkkjli i,1,0,(3.8)ljmkmkjli shi, 11, )2()(3.9) ljkkjli is,0,0,其中 为尺度空间的剩余尺度系数序列，它是 经过行列两个方向低通jlis, 1,jlis滤波后的输出，对应原始图像信号在下一个尺度上的低频概貌，属于 LL 频带；基于小波分析的图像水印算法研究10经过行方向高通，列方向低通，对应水平方向的细节信号在垂直方向的概jli,貌，属于 HL 频带； 包含了水平方向低通、垂直方向低通滤波后所保留的jli,细节信息，对应 LH 频带， 包含了水平和垂直方向都经过高
23、通滤波后的细节jli,信息，表示对角线的细节信息，属于 HH 频带。图像的两层多分辨率小波分解如图 3-1 所示。图 3-1 两层多分辨率小波分解示意图Fig3-1 Multi-resolution wavelet decomposition of diagram每一级分解都把图像分解为四个频带水平（HL） 、垂直(LH)、对角(HH) 和低频，其中低频(LL)部分还可以进行下一级的分解，从而构成了小波的塔式分解。一幅图像经过分解之后，图像的主要能量主要集中于低频部分，这也是视觉重要部分而图像的高频部分即图像的细节部分所含能量较少，分布在，声了万三个子图中，主要包含了原图的边缘和纹理部分信息。小波变换的这些性质为数字图像的局部特性(如边缘，纹理等)提供了很好的空间一尺度定位，同时由于其多分辨率的表示，可以直接对图像进行分级处理，这一特性更可以实现水印的渐进解码和传输。 )2()2()( 11,10, 0,0,1, lmhklmhik isjiji jijijmk (3.10)上述快速算法，是在已知原始二维函数在某一尺度空间的展开系数矩阵jnms,基础之上进行计算的。初始矩阵的选取是二维快速算法中的一个重要问题，严格的讲，初始矩阵应使用公式：
