数字图像处理课设报告

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1、-1-第一章 引言随 着 数 字 水 印 技 术 的 发 展 ， 数 字 水 印 的 应 用 领 域 也 得 到 了 扩 展 ， 数 字 水 印 的 基 本 应用 领 域 是 版 权 保 护 、 隐 藏 标 识 、 认 证 和 安 全 不 可 见 通 信 。 当 数 字 水 印 应 用 于 版 权 保 护 时 ， 潜 在 的 应 用 市 场 在 于 电 子 商 务 、 在 线 或 离 线 地 分发 多 媒 体 内 容 以 及 大 规 模 的 广 播 服 务 。 数 字 水 印 用 于 隐 藏 标 识 时 ， 可 在 医 学 、 制 图 、 数字 成 像 、 数 字 图 像 监 控 、 多 媒

2、体 索 引 和 基 于 内 容 的 检 索 等 领 域 得 到 应 用 。 数 字 水 印 的 认证 方 面 主 要 ID 卡 、 信 用 卡 、 ATM 卡 等 上 面 数 字 水 印 的 安 全 不 可 见 通 信 将 在 国 防 和 情 报部 门 得 到 广 泛 的 应 用 。随着信息时代的到来，特别是 Internet 的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得

3、越来越不安全。另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字式多媒体信息（图象、文本、音频、视频）的存储、复制与传播变得非常方便。人们不但可以通过互联网络和 CD-ROM 方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数据完全相同的复制品。但是由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严

4、重的社会问题。传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，一旦被解密，则信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。这样，数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。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。-2-第二章 数字水印技术的基本原理数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体

5、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。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的

6、，此时，隐藏数据量的要求居于次要地位。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。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，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。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、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥、私有密钥)体系来加强，在水印

7、的嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。通用的水印的嵌入和提取方法如图 1，图 2 所示。图 1 通用数字水印嵌入方法图 2 通用数字水印提取方法频域法加入数字水印的原理是首先将原始信号（语音一维信号、图像二维信号）变换到频域，常用的变换一般有 DWT、DCT、DFT、WP 和分形。然后，对加入了水印信息的信号进行频域反变换（IDWT、IDCT、DFT、WP） ，得到含有水印信息的信号。频域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束，如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水

8、印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。-3-第三章 数字水印技术的常用算法3.1 算法介绍3.1.1 算法分类数字水印算法一般可分为两种空域法和频域法，频域法有以下优点：1）嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性；2）视觉系统（HVS）的某些特性（如频率的掩蔽特性）可以更方便地结合到水印编码过程中；3）频域法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域（compressed domain）内的水印编码。所以我们也以频域法为主介绍 MATLAB 在数字水印技术中的使用。3.1.2 DCT 法（Discreste Cosine Tra

9、nsformation）对原始信号做 DCT 的算法：Cox 和 Piva 等人提出的 DCT 技术的经典之作。Cox 利用随机数发生器产生标准正态序列作为水印信息对图像进行整体 DCT 变换后，选取除去 DC 系数之外部分较低频率系数叠加水印信息;Piva 则修改整幅图像的中频部分。对原始信号分块后，再作 DCT 的算法：Hsu 和 Wu 把图像进行 8*8 分块，将一个二进制序列作为水印放入 DCT 的中频区；有些学者则计算整个图像的 DCT，把一个实数序列嵌入 DCT的中频系数上。选择中频区的好处是一方面尽量减少嵌入信息对图像主观视觉的影响；同时，尽量避免有损压缩对水印信息可能带来的损失

10、。还有一种 DCT 方法就是把水印信息嵌入到高频系数上，但是采用这种方法，抗压缩性非常差。DFT 法(Discrete Fourier Transformation)Swanson 等利用时域小波变换和频率掩蔽特性结合，实现多分辨率视频水印；Kundur 和Hatzinakos 把水印植入灰度图像的小波变换域。3.1.3 其他方法其它变换域还有 Fourier-mellin 域 、Fourier 变换域、分形或 WP（Wavelet Package）等。以上的变换域算法计算量都非常大，编程实现这些变换和逆变换也需要好好下一番功夫，由此造成研究人员把大量的时间和精力浪费在与水印算法研究无关的问题

11、上。32 数字水印的设计要考虑到的问题：在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏数据量的要求居于次要地位。 3.21 不可见性对于以模拟方式存储和分发的信息

12、（如电视节目） ，或是以物理形式存储的信息（如报刊、杂志） ，用可见的标志就足以表明其所有权。但在数字方式下，标志信息极易被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型和几何特性，利用用户提供的密钥将水印隐藏到一系列随机产生的位置中，使人无法察觉。图 3 左侧为原始图像，右侧为加了水印后的图像。-4-图 33.22 鲁棒性。水印必须对一般的信号处理操作（如滤波、平滑、增强、有失真压缩等） 、删除攻击、迷惑攻击等具有鲁棒性。除非对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。3.2.3 水印容量。嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或是购

13、买者的序列号。这样在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于标示违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。数字水印在多媒体信息安全中的另一个重要应用就是内容的真实性鉴定（即认证） 。当多媒体内容发生改变时，具有较强的敏感性的易损水印（Fragile watermarking）会随之发生一定程度的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。-5-第四章 可实现数字水印技术的高效实用工具Matlab4.1Matlab 简介MATLAB 是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实

14、时控制等功能。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多.开放性使 MATLAB 广受欢迎.除内部函数外,所有 MATLAB 主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. 综上所述，Matlab 语言的特点有： 1编程效率高 2用户使用方便 3扩充能力强4高效方便的矩阵和数组运算 5方便的绘图功能 4.2 用 Matlab 研究数字水印的优点1MATLAB 集成了 DCT、DWT 等函数有丰富的小波函数和处理函数，

15、这不仅方便了研究人员，而且使源程序简洁明了、易实现。2.强大的数学运算功能。能够方便、高效地实现音频、视频中的大量矩阵运算。3.提供了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱。用来编制跨数字图像处理技术、数字信号处理等多学科的数字水印技术是非常好的选择。4.MATLAB 与目前最强大的编程工具Visual C+具有良好的接口。5.图像处理工具箱4.3 图像和图像数据缺省情况下，MATLAB 将图像中的数据存储为双精度类型(double)，64 位浮点数，所需存储量很大；MATLAB 还支持另一种类型无符号整型(uint8)，即图像矩阵中每个数据占用1 个字节。在使用 MATLAB 工

16、具箱时，一定要注意函数所要求的参数类型。另外，uint8 与double 两种类型数据的值域不同，编程需注意值域转换。4.4 图像处理工具箱所支持的图像类型4.4.1 真彩色图像R、G、B 三个分量表示一个像素的颜色。如果要读取图像中(100,50)处的像素值，可查看三元数据(100,50,1:3)。真彩色图像可用双精度存储，亮度值范围是0,1；比较符合习惯的存储方法是用无符号整型存储，亮度值范围0,255。4.4.2 索引色图像包含两个结构，一个是调色板，另一个是图像数据矩阵。调色板是一个有 3 列和若干行的色彩映象矩阵，矩阵每行代表一种颜色，3 列分别代表红、绿、蓝色强度的双精度数。注意：MATLAB 中调色板色彩强度0,1，0 代表最暗，1 代表最亮。缺省情况下，调用上述函数灰产生一个 643 的调色板，用户也可指定调色板大小索引色图像数据也有 double 和 uint8 两种类型。当图像数据为 double 类型时，值 1 代表调色板中的第 1 行，值 2 代表第 2 行