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1、“数字图像处理”课程设计基于DWT的图像压缩及数字水印系统设计班级：13电信A1组长：高利组员：余世芝、石燕、张冰 王娜娜、蒋锐2016年1月4摘 要随着网络带宽、计算能力、图像压缩技术和存储设备的快速发展，人们对图像压缩技术及数字图像水印技术提出了更高的要求，良好的图像压缩技术不仅能实现高压缩率和高保真度，还能满足图像存储及图像数据传输的现实要求。数字化图像数据的使用与传播的普及，为数字图像在版权保护、认证、防拷贝、防篡改、保障数据安全等方面提供了有效的技术手段。采用密码学的加密与解密技术虽然能够保护数字产品的安全传输，但不能保证数字产品解密后的盗版问题。为解决这一问题，在原图像中加入不可见
2、的信息来标注版权是近年来图像技术研究领域的一个热点。目前提出的数字水印的嵌入方法大致可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类。 从总体性能来看，变换域的方法比空间域的方法有更多的优越性。基于变换域的数字水印技术又分为 DET（离散傅氏变 换）、DCT（离散余弦变换）、DWT（离散小波变换）等。由于小波变换具有很好的时域频域特性，作为一种多分辨率的分析方法，小波变换成为新一代静止图像压缩标准JPEG-2000和运动图像压缩标准MPEG-4 中的一种关键的技术，所以基于小波变换的数字水印研究是非常必要。MATLAB作为一款高性能的数值计算和可视化软件，为图像压缩及数字水印的嵌入与提取提供了方便
3、。关键词：图像压缩，数字水印，MATLAB，小波变换，嵌入与提取目录1 引言42 基于DWT的图像压缩和数字水印方法42.1 基于DWT的图像压缩42.1.1图像压缩编码的目的与可能性42.2 数字水印方法52.2.1数字水印系统的组成52.2.2基于DCT领域的鲁棒水印的实现72.2.3基于空域的脆弱水印实现82.2.4水印的提取及篡改检测93 基于DWT的图像压缩和数字水印的Matlab实现93.1基于DWT的图像压缩的Matlab实现93.1.1基于DWT的图像压缩的设计与实现93.2数字水印的Matlab实现143.2.1数字水印的嵌入与提取143.2.2基于空域的脆弱水印实现153.
4、2.3水印的提取及篡改检测163.2.4数字水印嵌入与提取的比较与分析184 结束语19参考文献20附录：程序源代码211 引言今天，计算机及网络的告诉发展为数字作品的传播提供了便利的途径。但人们在享受计算机技术带来便捷的同时又遇到了空前未有的作品传输速率与保护的难题。人们既希望自己的作品能迅速传播和被他人便捷使用，又希望享有自己作品的版权，使自己的作品得到法律保护，防止非法复制和拷贝。显然，传播和保护是一对矛盾，是当今网络世界中出现的，又必须解决的新问题。图像压缩主要研究数据的表示、传输、变换和编码方法，目的是减少存储数据所需的空间和传输所用的时间。利用图像数据固有的冗余性和相关性，对图像数
5、据按照一定的规则进行的将一个大的数据文件转换成较小的同性质的文件的变换和组合，从而达到在一定时间内传输更多的信息的目的。数字图像未经压缩时，其数据量很大，既浪费空间，也不适于传输。这对计算机的存储以及网络传输都造成了极大的负担。可见，没有图像编码与压缩技术的发展，大容量的图像信息的存储于传输是难以实现的。数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容中，但不影响内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统察觉到或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取的一种技术，嵌入的水印因袭隐藏于宿主文件中，不影响原始文件的可观性和完整性。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的
6、。因此数字水印被视做抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。2 基于DWT的图像压缩和数字水印方法2.1 基于DWT的图像压缩2.1.1图像压缩编码的目的与可能性信息是现代社会的主要特征，而人们传递信息的重要媒介是图像，数据量大是数字图像的一个显著特点，一幅具有中等分辨率（640*480）的彩色（24bit/像素）数字图像的数据量约7.37Mbit,这给数字图像的存储与传输带来极大的困难。因此，图像压缩就显得至关重要。它既是当代信息高速公路，HDTV，可视电话，图文传真等技术的关键，又在航空遥感，资源探测及生物医学工程等领域起着非常重要的
7、作用。图像数据压缩是指在满足一定图像的条件下，用尽可能少的数据量来表示图像，即如何最大限度地压缩图像数据，而又能保证利用这些数据所重建的图像是用户能接受的。组成图像的各像素之间，无论是在图像的行方向还是在列方向，都存在一定的相关性这样的相关性带来图像信息的冗余。常见的静态图像数据冗余包裹：空间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉冗余，图像区域的相同性冗余，纹理的统计冗余。图像的各种冗余为图像压缩编码提供了可能。 而利用DWT变换进行压缩，它的小波变换的结果是将图像的二级小波分解示意图见图一，小波分解的结果是将图像分解成了子图像的集合，在第一级小波分解时，原始图像被分解成了一个低频子图像LL1（对应原
8、图像在低分辨率上的一个近似）和三个高频子图像HL1,LH1和HH1（分别对应水平方向，垂直方向和对角线方向的细节）的集合，在第二集小波分解时，低频子图像LL1被继续分解为更低分辨率的一个低频子图像LL2和三个 高频子图像HL2,LH2,HH2的集合，而原来的第一级分解得到的三个高频子图像不变。 综上述分解过程中可以一直继续下去，这样就得到越来越多的低尺度子图像，图像的小波重构正好相反，即用低尺度的子图像，逐级通过小波逆变换重构出一幅高尺度的图像，直至得到与原图像大小相同的重构图像 图2.1 图像小波分解示意图2.2 数字水印方法 数字水印的基本原理是往图像、声音、视频信号等多媒体数据中添加某些
9、数字信息（水印）而不影响原始数据的视听效果，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。数字水印具有安全性、鲁棒性、透明性及保真性等特点。 通俗的说，数字水印（Digital Watermarking）指把一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中或是间接表示，且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改。数字水印可以被生产方识别和辨认，通过隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是保护信息安全、实现防伪溯源、版权保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支和研究方向。2.2.1数字水印系
10、统的组成 在介绍数字水印系统设计之前，首先了解一下数字水印系统的组成。一个数字水印系统一般包括3个基本方面:水印的生成，水印的嵌入和水印的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分密钥,则是每个设计方案的一个重要特色所在n。往往可以在信息预处理、嵌人点的选择和调制控制等不同环节入手完成密钥的嵌人。图2.2 数字水印嵌入过程基本框架示意图 图2.3 水印检测的一般过程基本框图图2.2.
11、展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息W、原始载体数据I和一个可选的失钥/公钥K。其中原始载体数据I代表要保护的多媒体产品，如图像、文档、音频、视频等；水印信息W可以是任何形式的数据，如字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像；3D图像等等。水印生成算法G应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。秘钥K可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用一个秘钥，有的甚至使用几个秘钥的组合。水印的嵌入算法很多，下式给出了定义水印嵌入过程的通用公式： （2-1）式中，表示嵌入水印后的数据（即水印载体数据）；表示原始载体数据；W表示水印集合；K表示秘钥集合。这里密钥K是可
12、选项，一般用于水印信号的再生。图二是水印的检测过程。由图2.3可以定义水印的检测过程的通用公式如下。需要原始载体数据进行检测： （2-2）需要原始数据W进行检测： （2-3）无需原始数据信息即可进行检测： （2-4）式中， 表示是估计水印；D为水印检测算法； 表示在传输过程中受到攻击后的水印载体数据。检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下，可以做嵌入信号的提取或相关性验证；二是在没有原始信息的情况下，必须对嵌入信息做全搜索或分布假设检验等。如果信号为随机信号或伪随机信号，证明检测信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验。水印相似度检验的通用公式为： 或 （2-5）式中， 表示估计
13、水印；W表示原始水印；Sim表示不同信号的相似度。2.2.2基于DCT领域的鲁棒水印的实现 水印的嵌入，基于DCT的鲁棒水印嵌入流程图所示图2.4 基于DCT的鲁棒水印嵌入流程原始图像按8*8分块，首先计算所有子快的方差值，并选择方差最大的前n块的Xn，然后依据系统密匙K在其DCT中嵌入随机序列pn_sequence_zero，最后通过子模块的DCT逆变换生成含水印的图像具体步骤如下：（1）原始图像的分块DCT分块DCT变换为了与国际压缩标准兼容，以便算法可以在压缩中实现，将原始图像分割为互不重叠的8*8子块，再对每个子块进行DCT变换。（2）基于纹理掩蔽特性的块分类，根据人类视觉系统的照明掩
14、蔽特性和纹理掩蔽性可知：背景的亮度越高，纹理越复杂，人类视觉系统对其轻微的变换就越不敏感，因此，为了实现原始图像和嵌入式水印后图像之间的感知相似性，应该将水印信号尽可能地嵌入到图像中纹理教复杂的子块，此处将子块的方差作为衡量子块纹理的复杂程度。计算子块的平均灰度m和方差，公式为 （2-6） （2-7）方差的大小反应了块的平滑程度，当2较小时，块比较均匀，反之，则块包括着较复杂的纹理子块，当将过多的信息嵌入到图像的平滑区域，容易引起块效应现象，导致品质的下降，根据对人眼视觉模型的分析，将水印图像嵌入到纹理复杂区域符合水印算法的要求，具体可使用MATLAB的SORT函数对方差值进行从小到大排序，以便将水印嵌入到纹理复杂的子块中。（3）水印的产生和嵌入，将二值水印图像组成一维矢量，作为水印信息。在水印的嵌入过程中，采用的是一种基于DCT中频的数字水印技术。通过对人类视觉系统的研究，发现人眼对于低频部分的噪声相对敏感，为了使水印
