研究基于小波域数字水印的图像质量评定方法的论文.doc

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1、计算机系本科学年论文 研究基于小波域数字水印的图像质量评定方法目录序言1一数字水印的定义1二数字水印的框架2（一）水印的嵌入和提取3（二）水印嵌入指示图3（三）量化参数自动调节系统4（四）基于数字水印的图像质量评价4三、 图像质量评价方法4（一）客观评价方法4（二）主观评价方法5四、实验结果分析评定5五、数字水印的研究现状和发展方向8（一）研究现状 8 （二）发展方向8六结束语9参考文献10 10基小波域数字水印的图像质量评价方法摘要 为了进一步提高部分参考型图像质量评价方法的准确性和水印隐藏性,浙江大学数字技术及仪器研究的几位专家提出了一种基于小波域数字水印的图像质量评价方法. 首先结合人类

2、视觉系统的特性检测原始图像的纹理丰富区域,获得水印嵌入指示图;然后将原始图像进行3层小波分解,根据水印嵌入指示图,在每个小波系数块内嵌入自定义水印,运用量化参数自动调节系统确保数字水印的隐藏性;最后通过失真图像的水印复原率实现对图像的客观质量评价.与传统的图像客观质量评价法( PSNR)和部分参考型图像质量评价方法(RR IQA)的对比实验表明,专家们提出的方法在预测精确性上分别高出8.5%和4.4% ,单调性上分别高出5.4%和2.2%,一致性上分别高出5.7%和3.4%.关键词: 图像质量评价 部分参考 数字水印 临界可见偏差 人类视觉系统Image Quality Assessment

3、Based on Digital Watermarking in Wavelet DomainAbstractIn order to imp rove the p recision and the watermarking invisibility of the reduced2reference Zhe Jiang University, digital technology and equipment of several experts, a digital watermark based on wavelet domain image quality assessment method

4、s.In thismethod, first, the texture2rich region of the original image is detected according to the characteris2tics of human visual system, and a w -atermark2embedded map is obtained. Next, a 32levelwavelet decomposition ofthe original image is performed. Then, a self2defined digital watermark is em

5、bedded in each wavelet coefficientbloc-k according to the watermark2embedded map, and the adap tive adjustments of quantization para -meter are adop tedto ensure the invisibility of watermark. Finally, the image quality is objectively assessed according to the water2mark2recovering rate of the disto

6、rtion image. Experimental result -s indicate that, as compared with the conventionalimage quality assessment method based on PS -NR and with the reduced2reference image quality assessment(RR IQA) method, the exerpets, mo -notonicity and consistency of the p roposed method are respectively 815% and41

7、4% , 5.4% and 2.2% , 5.7% and 3.4% higher.Key words: image quality assessment reduced2reference digitalwatermarking just noticeable difference humanvisual system计算机系本科学年论文 研究基于小波域数字水印的图像质量评定方法序言信技术的迅速发展,传播数字多媒体信息也越来越方便快捷。迅速兴起的Internet 以电子印刷出版、电子广告、数字仓库和数字图书馆、网络视频和音频、电子商务等新的服务和运作方式为商业、科研、娱乐等带来了许多机会。然

8、而,这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容。出于对利益的考虑, 数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权(intellectual property rights) 保护问题。密码学的加密或置乱技术能保证数字产品内容的安全传送,同时,可作为存取控制和征收费用的手段。因为,只有用户或版权所有者才有密钥,只有他们可以解密或恢复置乱从而得到数字产品的内容。但是,仅采用密码技术的一大缺点是所加密的数字内容在解密之后,就没有有效的手段来保证其不被非法拷贝、再次传播和盗用。为了防止这种情况的发生,人们提出了数字水印的概念。数字图像就是以数字形式的数据进行存储和处理的图像1。近年来,随着

9、多媒体技术和因特网技术的快速发展,数字图像处理技术与理论已成为计算机应用的一个重要领域,广泛应用于众多的科学与工程应用,如遥感、气象、通信等。在对图像进行数字化处理后,势必要涉及到图像质量评价。常用的图像质量评价的方法主要有客观评价方法和主观评价方法。一、数字水印的定义目前虽然有许多文献讨论有关数字水印技术的问题,但数字水印始终没有一个明确的统一的定义。通过综合一些学者提出的定义和分析已有的数字水印方案,我们可给出如下定义,数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据) 中具有可鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性。不同的应用对数字水印的要求不尽相同,一般认为数字水印应具有如下特点:

10、 （1）不可见性：或称为不可感知性。指根据多媒体信息的类型和几何特性， 利用用户提供的密钥向数字作品中嵌入水印后，水印信息和原始作品数据集成在一起，数字水印的存在不应明显干扰被保护的数据，也不应影响被保护数据的的正常使用。 （2）鲁棒性：或称为稳健性，是数字水印技术的重要指标。多媒体信息中的水印在经历了多种有意或无意的信号处理操作或攻击后，数字水印仍能保持部分完整性，并能被准确鉴别，嵌入的水印难以被一般算法清除。这里信号处理操作包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、有损编码压缩等。 （3）安全性：数字水印的信息应该是安全的，难以被伪造或同时，有较低的误检测率。水印信息隐藏的位置和内容不为人知，数

11、字水印系统使用一个或多个密钥以确保安全。隐藏载体与原始载体具有一致的特性，如具有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。 我们认为具有上述特点的水印是严格意义上的数字水印,但由于对数字水印的定义尚未统一,许多文献中讨论的数字水印并不具备上述特点,或者仅具有部分上述特点,在本文中我们讨论的范围是更广义上的数字水印。 二、数字水印的框架 数字水印就是在多媒体对象中添加某些诸如水印、数字签名、商标等水印信息以至于事后水印能够被检测或者提取出来的一个过程，从而能够证明产品的真实可靠性。典型的数字水印技术由3 个主要的过程组成：水印的嵌入过程；水印的提取过程；水印的检测过程。每一个

12、所有者都有唯一的水印，或者一个所有者能够将不同的水印嵌入到不同的对象中。将水印信息预处理后加入到载体中，称为嵌入。水印的嵌入可理解为在一个宽带信道（原始图像）上用扩频通信技术传输一个宽带信号（水印）。从水印化数据中提取出水印信息或者检测出水印信息的存在性称为水印的提取和检测。 图1 为一般性的水印嵌入框架。其功能是根据密钥Key 生成水印信号W，通过一定的算法加入载体作品中，得到嵌入了水印的作品S。图1 水印信息嵌入 图2 是一般性的水印提取框架。其功能是对待检测数据进行水印信号相似性检测，提取出水印。虚框部分表示在提取水印信息时，原始数据不是必要的。图2 水印信息提取 图3 是一般性的水印检

13、测框架。其功能是判断一个水印是否存在，检测器输出的是一个二值信号（0 或1）。虚框部分表示在检测水印信号时，原始数据不是必要的。图3 水印信息检测(一). 水印的嵌入和提取 本研究只在图像的亮度分量进行水印的嵌入和提取，首先取原始图像的亮度分量，进行 层小波分解，获得 个小波系数块：k ， ， ， ， ， ， ， ， ，如图（）所示其中： 为高频层，k 为小波系数块计数，k ，然后将每个小波系数块划分为互不重叠的 块，采用量化的方法- 逐块嵌入自定义的 数字水印：W wij ，i ，那么嵌入位置的小波系数增加，即ee ，从而使Q（e）与wij相同；如果wij Q（e），那么嵌入位置的小波系数不

14、变公式（）中是量化参数，不同的小波系数块使用不同的量化参数k提取数字水印时首先对失真图像进行 层小波分解；然后在每个小波系数块内，根据该块的量化参数和公式（），检查每个小波系数，得到提取的水印信息。图小波系数块和自定义水印（二）水印嵌入指示图图3 lighthouse的水印嵌入指示图 人类视觉系统对不同视觉信号的失真敏感度是有差异的，通常人类视觉系统对纹理丰富区域内的图像失真具有较低的敏感度因此，为了更好地满足嵌入水印的隐藏性，在水印嵌入之前，对原始图像进行纹理丰富区域检测，获得水印嵌入指示图 图（）为 实验室提供的原始图像数据库中的 ，其纹理系数分析如图（）所示，草地、栅栏和灯塔墙壁等区域纹

15、理较丰富，天空和房子等区域纹理平滑水印嵌入指示图如图（）所示，白色位置表示纹理丰富区域，水印在该位置嵌入，人眼不易察觉(三). 量化参数自动调节系统 量化参数k 控制了嵌入水印的脆弱性：量化参数太大，水印容易被人眼察觉，对图像质量造成影响；量化参数太小，微弱的图像失真也会造成水印难以恢复，无法反映图像失真的真实情况因此，选择合适的量化参数，权衡水印的隐藏性和脆弱性，在水印嵌入和提取的过程中显得至关重要本研究通过运用量化参数初始值正向调节系统和动态反向调节系统确定合适的量化参数。（四）基于数字水印的图像质量评价当水印图像经过失真处理（如 有损编码）后，图像质量下降，通过接收端提取的水印复原率C可

16、以获得图像客观质量评价水印复原率是正确提取的水印位数M 占原始水印总位数M 的比值：C M/M （）本研究中，接收端首先对失真图像进行 层小波分解；然后在每个小波系数块内利用公式（）逐个检查 块的Q（e）与水印位wij的一致性，获得提取的水印W，根据与原水印的比较，获得水印复原率Ck （m，n）。三、 图像质量评价方法（一). 客观评价方法图像质量的客观评价方法的共同点是用物理方法对图像的物理特性进行评价,将度量值与规定标准进行比较。利用客观的方法或数学模型来度量图像质量具有快速、稳定、易量化等优点。在图像质量的客观评价方法中,最常用的是图像逼真度的度量,计算退化图像与原始图像之间的统计误差。

17、若误差越小,从统计意义上来说退化图像与原图像的差异越小,图像的逼真度就越高,获得的图像质量评价也就越高。 设原始的二维灰阶图像A=f (i,j),其中i=1,2,N, j=1,2,M,经处理后的图像数据为A=f(i,j),其中i=1,2,N, j=1,2,M。可用下列几种客观评价方法进行评价:1) 均方误差2,5MSE (Mean Square Error): 其中M、N分别表示图像的长和宽。这种方法的优点在于简单易行,但主要缺点是对许多类型的图像质量计算结果与主观度量不符。2) 峰值信噪比2,5(PSNR)(Peak Signal to Noise Ratio): 峰值信噪比反映的是整个图像

18、的失真程度,一般情况下,峰值信噪比愈大的图像其质量愈高。 上述诸方法虽然看起来简单直观,数学表达式严格,但是其表示往往和人们的主观感受效果不一致。其中均方误差法和峰值信噪比法都是一种统计误差,是从总体上反映原始图像和失真图像差别的6。（二). 主观评价方法图像的主观评价是以人作为图像的最终视觉接收者,通过观察者对图像质量优劣和可判程度作出主观的判定。一般分为绝对评价和相对评价。绝对评价是指在无标准的参考图像情况下,由观察者根据一些事先规定的评价尺度或自己的经验,对被评价图像提出质量判断。一般情况下,可以提供一组标准图像作参考,帮助观察者对图像质量做出合适的评价。绝对评价常用的评价尺度称为“全优

19、度尺度”,即由观察者对图像质量的优劣用数字打分,如非常好的图像打10分或9分,非常差的图像打1分或0分。 相对评价是由观察者将一批图像由好到坏进行分类,也就是对图像进行相互比较得出质量好坏并给出分数。相对评价常用的尺度称为“群优度尺度”。四 、实验结果分析评定专家们对关于图像质量评定方法做了实验，实验采用 实验室提供的原始图像数据库和 图像数据库 ，包括 张原始图像、张由原始图像在不同压缩率下用 编码的失真图像及其对应的实验过程中发现，对处于同层的小波系数块进行水印嵌入的情况相似，因此在第k（k ，）个小波系数块内不进行水印嵌入在第k（k ，）个小波系数块内进行水印嵌入，获得的水印复原率较真实

20、地反映图像的主观质量；而在第k（k ，）个小波系数块内进行水印嵌入，获得的水印复原率不能反映图像的主观质量，且可见块数多，人眼容易察觉水印图像与原始图像的差别在第 和第 个小波系数块进行水印嵌入，用不同压缩率（）对水印图像进行 编码，量化参数k （l）与水印复原率Ck （l）的关系见第7页图从图（）中可以看出，在第 个小波系数块，量化参数k （l） 时进行水印嵌入，获得的水印复原率仍无法明显图区别图像质量等级，结合图 可知，此时的可见块数大于，影响图像质量因此，在水印嵌入和提取时，选择k ， 这 个小波系数块。利用量化系数调节系统，分别确定 张原始图像的量化参数，获得的水印图像与原始图像的比较

21、如第8页图 所示从图（）中可以看出，人眼注意区域的平均峰值信噪比-比全图平均峰值信噪比 平均高畅 ，且- 均高于畅图（）和图（） 分别是（在图（）中图像序号为）的原始图像和水印图像，两者的 和- 分别为畅 和畅，在人眼注意区域的平均 接近畅，因此人眼主观不易察觉水印图像和原始图像的差别由于 实验室提供的 对应于由原始图像在不同压缩率下用 编码的失真图像，原则上不能作为由水印图像产生的失真图像的主观评价，但是本研究利用量化参数调节系统选择合适的量化系数，可满足水印的隐藏性要求，保证人眼主观上不易察觉水印图像和原始图像的差别，因此由水印图像经过不同压缩率获得的 失真图像与图像数据库中由原始图像获得

22、的 失真图像差别不易被人眼主观察觉，可以将 实验室提供的用于失真图像客观质量与主观质量的拟合过程 (a)k=2 五、数字水印的研究现状和发展方向（一）.研究现状数字水印是当前数字信号处理、图像处理、密码学应用、通信理论、算法设计等学科的交叉领域,是目前国际学术界的研究热点之一。这里,我们给出M1Kutter 所整理的一些国际上从事数字水印方面研究的研究小组的情况,见表1上表中的内容栏中各字母的含义如下:T:有关水印信息的指南; L :链接到数字水印主页; P :有文章可下载; S:有软件可下载; I :图像数字水印; V:视频数字水印; A:音频数字水印。上述研究小组及公司许多都有有关数字水印

23、及信息隐藏方面的商业软件,也有一些软件和源代码可免费获得。目前,从我们了解的情况和国内有关数字水印方面的文献来看,国内似乎尚无数字水印或信息隐藏的商业软件,可能的情况是有一些单位有实验软件或演示软件。从理论和实际成果两方面来看,国内在数字水印方面的研究工作还处于刚起步阶段。（二）.发展方向由于数字水印技术是近几年来国际学术界才兴起的一个前沿研究领域,处于迅速发展过程中,因此,掌握其发展方向对于指导数字水印的研究有着重要意义。我们认为今后的数字水印技术的研究将侧重于完善数字水印理论,提高数字水印算法的稳健性、安全性,研究其实际网络中应用和建立相关标准等方向。许多应用对数字水印的稳健性要求很高,这

24、需要有稳健性更好的数字水印算法,因此,研究稳健性更好的数字水印算法仍是数字水印的重点发展方向,但应当注意到在提高算法稳健性的同时应当结合HVS 或HAS 的特点,以保持较好的不可见性及有较大的信息容量,另外,应注意自适应思想以及一些新的信号处理算法在数字水印算法中的应用,如分形编码、小波分析、混沌编码等在水印算法中也应有应用的场合。数字水印应用中安全性自然是很重要的要求,但数字水印算法的安全性是不能靠保密算法得到的,这正如密码算法必须公开,必须经过公开的研究和攻击其安全性才能得到认可,数字水印算法也一样。因此数字水印算法必须能抵抗各种攻击,许多数字水印算法在这方面仍需改进提高,研制更安全的数字

25、水印算法仍是水印研究的重点之一。对于实际网络环境下的数字水印应用,应重点研究数字水印的网络快速自动验证技术,这需要结合计算机网络技术和认证技术。应该注意到,数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系列的标准或协议,如加载或插入数字水印的标准、提取或检测数字水印的标准、数字水印认证的标准等等都是急需的,因为不同的数字水印算法如果不具备兼容性,显然是不利于推广数字水印的应用的。在网络的信息技术迅速发展的今天,数字水印技术的研究更具有明显的意义。数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到重要作用,但必须认识到数字水印技术并非是万能的,必须配合密码学技术及认证技术、数字签名或者数字信封等技术一起使用。一个

26、实用的数字水印方案必须有这些技术的配合才能抵抗各种攻击,构成完整的数字产品版权保护解决方案。六结束语 数字水印技术是一门学科交叉的新兴的应用技术。它与信息安全、信息隐藏和数据加密等均有密切的关系，来自通信、模式识别和信息安全等领域的研究人员各自从不同的研究角度进行了很多探索。浙江大学数字技术及仪器研究提出了一种基于小波域数字水印的部分参考型图像质量评价方法该方法结合人类视觉系统的特性，在图像纹理丰富区域进行数字水印嵌入，并运用量化参数初始值正向调节系统和量化参数动态反向调节系统确定合适的量化参数，从而保证嵌入水印的隐藏性同时该方法选择在小波域嵌入水印，很好地控制了水印的脆弱性，使失真图像的水印

27、复原率能反映图像质量的损失。国外已有一些著名的大学和研究机构，如美国的MIT 大学、Pardue 大学、IBM 研究所， 英国的剑桥大学， 德国的Erlangen Nuremberg 大学等都已开展了该项技术的研究，并取得了一定的成果。相信随着研究的深入，数字水印技术会逐渐走向成熟，在信息安全领域必将会有更加广阔的发展前景。 参考文献 1 Winkler S, Mohandas P. The evolution of video qualitymeasurement from PSNR to hybrid metrics J . IEEETransactions on Broadcasting

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