基于Arnold变换的DCT域数字图像水印算法研究.doc

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1、西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题 目 基于Arnold变换的DCT域 数字图像算法水印研究 专业班级 08级电子信息工程1班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 年 月西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题 目基于Arnold变换的DCT域数字图像水印算法研究学生姓名学 号专业班级电子信息工程1班指导教师职 称讲师教 研 室电信毕业设计（论文）任务与要求（1）熟悉数字水印嵌入与提取的基本原理与各种常用的方法；（2）掌握DCT变换和Arnold变换的概念、基本理论以及在图像处理中的应用；（3）研究基于Arnold变换的DCT变换的图像水印技术，提出一种可行的水印嵌入和提取

2、的算法，并利用MATLAB编程仿真，验证其可行性；（4）对上述水印算法的性能进行评估，包括嵌入水印图像对原图像引起的失真的主客观评估（PSNR）和水印受到各种攻击下的稳健性的评估（NC）；（5）熟练掌握MATLAB软件及其编程技巧。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容2012.1.102012.3.22012.3.32012.3.232012.3.242012.4.52012.4.62012.4.252012.4.262012.5.11查阅资料，明确任务，提交开题报告。查阅资料，理解水印相关的基本原理。根据相关理论，进行程序的编写。调试程序，进行论文方案论证，书写论文。整理论文，准备答辩。

3、开始日期 完成日期 教研室主任（签字） 系主任（签字） 西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目基于Arnold变换的DCT域数字图像水印算法研究学生姓名学 号08101080111专业名称电子信息工程指导教师余秋菊开题时间2012.3.2班 级1班一、选题目的和意义： 计算机网络技术和多媒体信息处理技术的迅速发展，给人们使用加工数字信息带来便利的同时也暴露出越来越严重的安全问题，人们通过网络发布软件文件，多媒体作品时，希望能够有效地保护自己的作品版权，防止他人对信息 进行非法复制传播以及篡改，解决此类安全问题的传统方法是加密，但是密文一方面妨碍了多媒体信息的传播，另一方面密文反而会引起

4、攻击者的注意，密文一旦被破解所有加密文件就如普通文件一样，其内容完全透明，加之近年来一些加密算法不断被破解，传统的加密方法受到了威胁，在此情况下，一种新的信息安全技术基于信息隐藏的数字水印技术应运而生，其作为版权保护、防止非法复制、图像认证、保密通信与对抗、电子商务中的网页保护和票据防伪等方面的有力工具已得到了广泛关注。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势： 根据数字水印技术作用域的不同，数字水印技术可以分为空间域水印技术和变换域水印技术，我们从两种域空间来说明数字水印技术的国内外研究现状。1. 对空间域水印技术的研究空域技术直接更改图像的数据，通常是在图像的亮度或彩色光带或者在两者之上加一

5、个调制信号来嵌入数字水印。该方法把水印信息放在图像数据的最低位上，保证了水印的不可见性，但它的鲁棒性差，一般的图像压缩和量化就可以把大部分水印去掉。2. 对变换域水印技术的研究变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反变换得到加入水印的图像。几种最常见的变换是离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT），离散小波变换（DWT）等。三、主要研究内容： （1）水印预处理：在水印系统中采用了Arnold变换对水印进行置乱。（2）研究基于Arnold变换的DCT域的静态图像水印技术，提出一种可行的水印嵌入和提取的算法，并利用MATLAB编程仿真，验证其可行性。并对上述水

6、印算法的性能进行评估：嵌入水印图像对原图像引起的失真的主客观评估。（3）攻击测试：对嵌入水印后的图像进行攻击测试，对算法的鲁棒性进行测试。指导教师意见及建议： 签字： 年 月 日教研室审核意见： 签字： 年 月 日注：此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题 目学生姓名学 号专业名称指导教师检查时间班 级毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况指 导 教 师 意 见 “中期检查”主要检查毕业设计进度，主要检查以下内容：a. 学生是否清楚自己的工作内容和技术路线b. 能否按进度完成设计任务c. 能否与指导教师保持正常的师生指

7、导关系签字： 年 月 日教研室意见签字： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名学 号专 业班 级毕业设计（论文）题目设计（论文）起止时间 年 月 日至 年 月 日指导教师评语：（应从选题、收集资料与运用、论点、论述依据、结论、论证方法、写作规范以及日常表现等方面对论文进行评述。）建议成绩：指导教师签名： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表学生姓名学 号专 业班 级毕业设计（论文）题目设计（论文）起止时间 年 月 日至 年 月 日评阅教师评语：（应从选题、写作规范、问题论证或说明效果等方面对论文进行评述）建议成绩：评阅教师签名： 年 月 日西安文

8、理学院本科毕业设计（论文）答辩记录学生姓名学 号专业名称答辩时间年 月 日答辩地点指导教师题 目答辩小组成 员姓 名职 称姓 名职 称提问及回答情况记录： 记录人签字： 年 月 日答辩成绩：答辩小组组长签名： 年 月 日毕业论文成绩答辩委员会认定成绩毕业论文等级系（院）答辩委员会意见：负责人签名： 年 月 日注：1、毕业论文成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%；2、答辩委员会认定成绩是根据该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定成绩。3、论文等级分优秀（90分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）、不及格（60分）。基于Arnold变换的

9、DCT域数字图像水印算法研究摘 要：随着通信技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，数字多媒体信息的存储、复制与传播变得非常方便，数字化产品的产权保护成为急需解决的问题。数字水印技术作为一种新的有效产权保护手段，应用前景和使用价值十分广阔。论文首先介绍了数字水印的研究背景、应用领域以及目前国内外的研究现状等基本问题，随后介绍了数字水印的基本特征、原理、目的、意义。本文对数字水印的基础理论框架进行了全面的综合和概括，建立了完整的数字图像水印系统处理模型，包括水印的嵌入、提取、与验证过程。所提出的方案均在MATLAB中进行了验证本文提出了一种关于Arnold变换的DCT域数字图像水印算法。本算法选用了

10、有意义的二值图像作为水印，采用Arnold变换对水印进行加密处理，在检测算法中不需要原始图像从而实现了提取，通过各种攻击实验测试，最后对仿真实验结果作出分析，证明此算法的可行性，攻击实验结果表明了此算法的透明性、鲁棒性。关键词：数字水印、DCT变换 、Arnold变换、鲁棒性。The DCT Domain based on Arnold transformation digital image watermarking algorithmsAbstract：With the communication technology and network technology rapid develo

11、pment and the widespread application, digital multimedia information storage, copy and communication become very convenient digital product property protection has become an urgent need to solve the problem. Digital watermarking technology as a new effective property rights protection means, applica

12、tion prospect and the use value is very promising.This article firstly introduces research background of digital watermarking, applications and the research modern situation and abroad basic things, then introduces the basic characteristics of digital watermarking, principle, purpose, significance.

13、In this paper the basic theoretical framework of digital watermarking, the overall synthesized and summarized, the establishment of a complete digital image watermarking system treatment model, including embedding, extraction, and validation process. The proposed scheme are validated in MATLAB is pr

14、esented in this paper about the DCT domain chaos encryption digital image watermarking algorithm. The algorithm chooses a meaningful binary image as a watermark, and adopts Arnold transformation to encrypt, of watermark algorithm does not require the original image, thus fulfilling the extraction, t

15、hrough various attacks test, finally making an analysis of simulation experiment results,and the analysis prove the feasibility of the algorithm,meanwhile,the experimental results show that the attacks, transparency, robustness. Key words：Digital watermark、DCT transformation、Arnold transformation、 R

16、obustness. 目录目录第一章 绪论11.1 引言11.2 选题的目的与意义11.3 数字水印的发展趋势21.4 本课题主要讨论问题2第二章 数字水印基本原理32.1 信息隐藏32.2 数字水印42.3 数字水印的特征42.4 数字水印的分类52.4.1 按特性划分52.4.2 按水印所附载的媒体划分62.4.3 按检测过程划分62.4.4 按内容划分62.4.5 按用途划分72.4.6 按水印隐藏的位置划分72.5 数字水印基本算法82.5.1 空域算法82.5.2 变换域算法82.5.3 压缩域算法92.5.4 NEC算法102.5.5 生理模型算法102.6 运算量分析102.7

17、数字水印的评估112.8 数字水印的应用122.8.1 数字水印在数字产品防伪中的应用122.8.2 数字水印在数字产品防伪中的优势132.9 Arnold变换142.9.1 变换的基本原理142.9.2 Arnold变换特点15第三章 DCT变换的应用153.1 DCT变换153.2 常见的DCT变换173.3 改进的DCT变换18第四章 基于Arnold变换的DCT域的数字水印算法194.1 算法设计步骤194.1.1 水印预处理194.1.2 水印嵌入194.1.3 水印提取194.2 实验结果与分析204.3 本章小结24第五章 结论及进一步研究25结束语26致谢27参考文献28附录一

18、：程序30附录二：英译汉39第2页西安文理学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 引言近年来,数字水印技术已成为多媒体信息安全研究领域中发展最快的热点技术,受到国际学术界和企业界的高度关注。随着计算机多媒体技术的迅猛发展,越来越多的数字作品通过Internet能够以低成本、高速度地进行复制和传播,这样也很容易被盗版者所利用。网络信息安全涉及社会的经济、政治、文化等各个领域,因此,有效保护网络中数字作品的版权,解决数字作品的信息安全问题已经成为迫在眉睫的任务。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。随着因特网的日益普及，多媒体信息的交流

19、已达到了前所 未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。人们如今也可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易等，但是随之而出现的问题也十分严重：如作品侵权更加容易，篡改也更加方便。因此如何既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。 目前,数字水印技术被认为是解决版权问题的一种有效的方式。水印的基本要求是不可见性和鲁棒性,然而,这两者之间是相互矛盾的,研究水印算法就是要在保证不可见性的前提下,尽可能多地嵌入水印。本文结合密码学方面的知识,对带有版权信息的二值图像水印进行Arnold变换,利用人眼视觉系统HVS对图像所具有的频率掩蔽、亮度掩蔽和对比度掩蔽等特性

20、,提出了一种基于Arnold变换的DCT域中频的数字水印算法。试验表明该算法既具有视觉上的不可见性,又具有较好的鲁棒性,使受保护的数字产品具有双重安全性。1.2 选题的目的与意义随着互联网和多媒体技术的普及，互联网上所传播的数字信息（例如图像、视频等）都面临着一个安全问题。这些数字产品的版权保护成了当前研究的一个热点，数字水印技术就是解决这一问题的有效方法。数字水印技术利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性,向数字作品中加入不易察觉但可以判定区分的秘密信息水印(Watermark),从而起到保护数字作品版权或完整性的作用,其作为多媒体领域中知识产权保护的有效手段,正得到广泛的研究与应用。混沌

21、序列由于具有良好的伪随机性、轨道的不可预测性、对初值的敏感性等一系列特性，因此它非常适合于数字水印的应用。 1.3 数字水印的发展趋势1998年的国际图像处理会议上，Voyatzis等人【1】发表的论文中，正式标志混沌理论进入数字水印领域。我国最先探讨混沌理论与数字水印领域研究的是山东大学计算机科学学院的向辉副教授，他在文献【2】中详细介绍了如何采用混沌序列处理数字水印的方法。随着数字水印研究的蓬勃发展与广泛应用，作为数字水印重要的研究领域之一，混沌数字水印研究的重大理论意义和应用价值也日渐凸显出来，这种方式的优点是保密性、防攻击性强。目前，研究的热点是基于Arnold变换的数字水印。我国在该

22、这一问题,提出了如下几种处理方案.领域的研究尚不普及,虽已引起一些大学、研究机构的关注：(1)把水印信号进行分层处理，分层可以采用两目前还没有成熟的技术或产品问世，随着数字化产品在中国种方法，一种是采用层叠滤波器(stack filter)的阈值分解技术的普及；另一种是采用比特位分解，例如住此机遇,研制出自己的数字水印产品，并形成一些标准，然后把其中的某些层作为水印嵌入数字产品中。 (2)DCT域系数裂解的水印嵌入算法，基于DCT变换和小波变换域的水印处理技术是各国争相研究的热点，形成标准的可能性最大。 (3)将水印处理技术应用到其他领域，如军事和国防方面，或用水印处理技术来验证军事命令、信息

23、的真实可靠性，并探索该领.域的新技术和新理论，这对于国防现代化建设和未来的信息化、网络化战争的意义重大。1.4 本课题主要讨论问题 本文选择了数字图像作为水印载体，选择了由Arnold变换后的图像作为嵌入的水印信号，在DCT域进行了水印算法的研究。 本文的主要研究内容如下： (1) 水印预处理：在水印系统中采用了Arnold变换对水印进行置乱。 (2) 研究基于Arnold变换的DCT域的静态图像水印技术，提出一种可行的水印嵌入和提取的算法，并利用MATLAB编程仿真，验证其可行性。并对上述水印算法的性能进行评估：嵌入水印图像对原图像引起的失真的主客观评估；水印受到各种攻击下的稳健性的评估。第

24、二章 数字水印基本原理2.1 信息隐藏信息隐藏，也称为信息伪装（Steganography），该单词来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，就是将秘密信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。密码学是研究如何保护消息内容的，而伪装术是专门研究如何隐藏它们的存在性。数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术（密写术）。古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。大约700年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。可以说，

25、人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。但与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写术缺乏必要的理论基础。日常生活中为了鉴别纸币的真伪，人们通常将纸币对着光源，会发现真的纸币中有清晰的图像信息显示出来，这就是我们熟悉的“水印”。之所以采用水印技术是因为水印有其独特的性质：第一水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特定环境下才能被看到，不影响物品的使用；第二水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。因此水印常也被应用于诸如支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，长期以来判定印刷品真伪的一个重要手段就是检验它是否包含水印

26、。现今数字时代的到来，多媒体数字世界丰富多彩，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。如何保护这些与我们息息相关的数字产品，如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，就被日益重视及变得迫切需要了。借鉴普通水印的含义和功用，人们采用类似的概念保护诸如数字图像、数字音乐这样的多媒体数据，因此就产生了“数字水印”的概念。2.2 数字水印所谓数字水印（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，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印中包含音像作品的版本、创作者、拥有者、发行人等信息，数据量并不大，一般控制在100

27、位以内，与动辄上兆字节的音乐、影视文件相比犹如藏在草堆中的一根针。 数字水印技术利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，向数字作品中加入不易察觉但可以判定区分的秘密信息水印(Watermark)，从而起到保护数字作品版权或完整性的作用，其作为多媒体领域中知识产权保护的有效手段，正得到广泛的研究与应用。这种被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。到目前为止，已经有许多文献【3-4】对水印的嵌入和提取做过研究，数字水印的算法多种多样，大致可以分为空域法和频域法两种。变换域法可与数据压缩国际标准兼容， 从而实现在压缩域(compressed domain)内的水印编码，因而应用较多。本文结合上

28、述思想，提出了基于Arnold变换的图像数字水印算法。2.3 数字水印的特征嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：1、透明性（invisibility）：利用人类视觉和听觉的特性，使带水印的作品欣赏起来无异于原先的作品。2、不可检测性（undetectability）：水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在区别，攻击者无法用统计学方法确定水印的位置。3、鲁棒性（robustness）：经过一些处理（可能的处理包括：1、几何变形对图像进行尺寸缩放、剪裁、扭转等。2、有损压缩常用的图形文件格式JPEG就属有损压缩。它先将图像用DCT函数转换到频率域，然后对其量化，在量化过程中

29、忽略掉一些感知上不重要的成份，以达到压缩文件尺寸的目的。虽然肉眼看不出来，但经过压缩后的图像其精度肯定有所降低。3、信号处理如调整图像和视频的对比度、亮度、色度，以及模数转换、数模转换等。），多媒体数据发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以证明水印的存在。4、安全性（security）：具有较强的抗攻击能力，能够承受一定程度的人为攻击，而暗藏的水印不被破坏。2.4 数字水印的分类数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。2.4.1 按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印、可见水印和不可见水印。 1) 鲁棒数字水印鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，

30、它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。2) 脆弱数字水印脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。3) 可见水印可见水印：是可以看得见的水印，就像插入或覆盖在图像上的标识。可见水印主要应用于图像，比如用来可视地标识那些可在图像数据库中得到的或在internet上得到的图像的预览来防止这些图像被用于商业用途。当然也可用于视频和音频，比如电台播放广告，广告商为了维护权益，会在录音时录入某一特殊声音，从而从播放的广告中这一声音出现的次数来判断电台是否执行了合同。4) 不可见水印不可见水印：一种应用更加广泛的水印，表面不可察

31、觉，当发生版权纠纷时，所有者可从中提出标记，从而证明物品为某人所有。不可见水印又可分为：脆弱性水印和稳健性水印。脆弱性水印或易碎水印(Fragile watermark):当嵌入水印的载体数据被修改时，通过对水印的检测，可以对载体是否进行了修改或进行了何种修改进行判定。易碎水印的特性：水印在通常或特定的感知条件下不可见；水印能被最普通的数字信号处理技术改变；未经授权者很难插入一个伪造的水印；授权者可很容易的提取出水印；从提取出的水印中可以得到载体的那些部分发生改变。上述属性在特定的应用环境下不一定都回满足。稳健性水印(Robust watermark):是指加入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而

32、且要求能抵抗一定失真内的恶意攻击，并且一般的数据处理不影响水印的检测。稳健性水印的特性：水印在通常或特定的条件下不可感知；嵌入水印的载体信号经过普通的信号处理或恶意攻击后，水印仍可保持在信号中；未经授权者很难检测出水印；授权者很容易检测出水印。2.4.2 按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、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。2.4.3 按检测过程划分按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。非盲水印：在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与。半盲水印：在检测过程中不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测。盲水印：检测只需要密钥，既不

33、需要原始数据，也不需要原始水印。明文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。一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制，目前学术界的研究的水印大多数为半盲水印和盲水印。2.4.4 按内容划分按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。1) 有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）或数字音频片段的编码。2) 无意义水印无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印如由于受到攻击或其他原因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

34、定信号中是否含有水印。2.4.5 按用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。1） 票证防伪水印票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票证防伪的数字水印算法不能太复杂。2） 版权标识水印版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水

35、印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 3） 篡改提示水印篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识原文件信号的完整性和真实性。 4） 隐蔽标识水印隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。2.4.6 按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。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

36、四种。实际上只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。2.5 数字水印基本算法近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，下面对一些典型的算法进行了分析，除特别指明外，这些算法主要针对图象数据。 2.5.1 空域算法该类算法包括文本水印算法、Schyndel算法和Patchwork算法等。其中Schyndel算法【5】被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，文中阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法（相关性检测方法），此算法首先把一个密钥输入一个m-序列（maximum-length random sequence）发生器来产生水

37、印信号，然后此m-序列被重新排列成2维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此也是不强壮的；Patchwork算法【6,7】提出了一种基于改变图象数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取N对象素点，然后通过增加象素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性，文中还把象素对扩展为小块的象素区域(如8x8)，通过增加一个区域中的所有象素点的亮度值而相应减少对应区域中所有象素点的亮度值的调整来隐藏信息，但该算法嵌入码低，且对串谋攻击抵抗力弱。2.5.2 变换

38、域算法该类算法【8,9】中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信 (spread spectrum communication)技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换 (DCT)，然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前k系数上(不包括直流分量)，通常为图像的低频分量。若DCT系数的前k个最大分量表示为D= di ，i=1 ， ，k，水印是服从高斯分布的随机实数序列W = wi ，i=1 ， ，k，那么水印的嵌入算法为di = di(1 + awi)，其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像I。解码函数则分别计算原始图像I和水印图像的离散余弦变换，并提取嵌

39、入的水印，再做相关检验,以确定水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。一个简单改进是不将水印嵌入到DCT域的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的顽健性与不可见性之间的矛盾。另外，还可以将数字图象的空间域数据通过离散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换(DWT)转化为相应的频域系数；首先，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；其次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列（如高频或中频或低频）；再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前面选定的频域系数

40、序列；最后，将数字图象的频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。这种以变换域算法为代表的通用算法普遍采用变换技术，以便在频率域实现水印信号叠加，并借鉴扩展频谱通讯等技术对水印信号进行有效的编码，从而提高了透明性和鲁棒性，同时还适当利用滤波技术对水印信号引入的高频噪声进行了消除，从而增加了对低频滤波攻击的抵抗力。2.5.3 压缩域算法 基于JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统【10,11】不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。虽然MPEG-2数据流语法允许把用

41、户数据加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时，在MPEG-2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。下面介绍一种针对MPEG-2压缩视频数据流的数字水印方案。对于输入的MPEG-2数据流而言，它可分为数据头信息、运动向量(用于运动补偿)和DCT编码信号块3部分，在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对DCT编码数据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个DCT系数;其次，把相应水印信号块的变

42、换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和Huffman编码，最后对新的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0进行比较，只在n1不大于n0的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。 2.5.4 NEC算法 该算法【8,12,13,14】由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为

43、种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0，1)分布，密钥一般由作者的标识码和图象的哈希值组成，其次对图象做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图象除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N(0，1)的特征。 2.5.5 生理模型算法人的生理模型包括人类视HVS(HumanVisualSystem)和人类听觉系统HAS。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想【15-20】均是利用从视觉模型导出的JND(Just Noticeable Difference)描述来确定在图象的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图象相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印，这一方法同时具有好的透明性