DCT域图像数字水印算法的分析和实现.docx
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DCT域图像数字水印算法的分析和实现
DCT域图像数字水印算法的分析和实现
摘要：
随着计算机通信技术和互联网的迅速发展，数字多媒体的传播业越来越方便快捷。
但是数字形式的多媒体产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散发，大范围的授权拷贝行为受到了音像、出版、影视和软件等行业的高度关注。
为了防止这种情况的发生，人们提出了数字水印的概念。
数字水印是目前学术界研究的一个前沿热门方向，可为版权保护等问题提供一个潜在的有效地解决方案。
在本论文中，首先介绍了信息隐藏技术、数字水印技术，并着重介绍了数字水印技术的基本原理、特征、典型算法、评测方法等数字水印技术。
然后设计了一种基于DCT的图像数字水印新算法，该算法根据二值水印图像像点取值情况,相应地改变中频段两个位置处DCT系数的大小关系，从而实现水印信息的嵌入。
最后在MATLAB中通过编程进行实验仿真，并对其进行性能测试，实现了数字水印的嵌入、提取实验并用攻击实验证明该算法具有较好的不可见性和较好的鲁棒性。
关键词：
数字水印；离散余弦变换（DCT）；鲁棒性
DesignandImplementofDigitalImageWatermarkBasedonDCT
Abstract：
WiththerapiddevelopmentofcomputercommunicationtechnologyandtheInternet,digitalmultimediabroadcastingindustryismoreandmoreconvenient.However,becausethedigitalformsofmultimediaproductscanbeeasilycopiedcompletelyandbedisseminatedwidelyinanetworkedenvironment,theseactsisconcernedwidelybyauthorizedaudioandvideo,publishing,filmandsoftwareindustries.Inordertopreventthisfromhappening,theconceptofdigitalwatermarkingwasputforward.Digitalwatermarkingistheacademicstudyofpopularandthecutting-edged,andalsoprovidingapotentiallyeffectivesolutionforcopyrightprotectionandotherissues.Inthispaper,firstlyintroducedthedigitalwatermarkingtechniqueforinformationhiding,digitalwatermarkingtechnology,andhighlightedthebasicprinciplesofdigitalwatermarkingtechnology,thecharacteristicsoftypicalalgorithms,andtheevaluationmethods.AndthenimprovedaDCT-baseddigitalimagewatermarkingalgorithm,thealgorithmbasedonthebinarywatermarkimagepixelvaluecorrespondingchangeinthebandtwolocationsatthesizeoftherelationshipoftheDCTcoefficientsinordertoachievethewatermarkinformation’sembed.ThroughexperimentalsimulationbyprogramminginMATLAB,andperformancetesting,thedigitalwatermarkembeddingandextractionexperimentsandattackexperimentsprovethatthealgorithmhasgoodvisibilityandgoodrobustness.
Keywords:
Digitalwatermarking，discretecosinetransform（DCT），Robustness
目录
摘要Ⅰ
Abstract：
Ⅱ
第1章绪论1
1.1信息隐藏技术1
1.2数字水印的研究背景2
1.3数字水印的发展前景3
第2章数字水印基本原理及技术4
2.1数字图像水印的基本原理4
2.2数字水印的特点6
2.3数字水印的分类7
2.4数字图像水印的典型算法8
2.4.1时空域水印算法8
2.4.2变换域水印算法8
2.5数字图像水印的典型攻击9
2.6数字水印系统的性能评价10
第3章离散余弦变换及DCT域图像水印算法12
3.1离散余弦变换12
3.1.1离散余弦变换的原理12
3.1.2离散余弦变换的定义13
3.2基于DCT域的图像水印算法14
3.2.1DCT域图像水印算法的背景14
3.2.2DCT域图像水印算法的特点14
3.2.3DCT域图像水印算法的发展16
第4章基于DCT域图像数字水印算法设计17
4.1水印与载体图像的选取17
4.2水印的生成与嵌入18
4.2.1水印的生成18
4.2.2水印的嵌入位置选取18
4.3水印的检测与提取20
第5章算法实现和实验结果分析22
5.1算法的实现22
5.1.1水印的嵌入22
5.1.2水印的提取23
5.2攻击实验25
5.2.1高斯噪声攻击25
5.2.2JPEG压缩攻击27
5.2.3旋转攻击29
总结32
致谢34
参考文献35
附录137
第1章绪论
1.1信息隐藏技术
在研究数字图像水印技术之前，需要先了解什么是信息隐藏技术。
所谓信息隐藏是指在一些载体信息中将需要保密传递的信息隐藏进去，而载体本身并没有多大变化，不会引起怀疑，这样就达到了信息隐藏的目的。
在许多应用领域中，人们常常希望将秘密信息隐藏在某些对象中，或者防止别人通过这种方式秘密传递信息。
其中比较有代表性的例子有：
军队和情报部门需要隐蔽的信息、保护作者合法权益的版权标记、以及出于某种利益的隐蔽通信等。
对于数字水印、计算机系统中隐通道、密码协议中域下通道以及低截获概率通信等技术手段的研究能够在一定程度上从理论和工程上满足人们的需求，这些都是信息隐藏所研究的内容。
今天，随着多媒体技术的快速发展与广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了崭新的领域。
国际上的第一届信息隐藏学术会议于1996年在剑桥大学举行，这次会议推动了信息隐藏的理论与技术的研究，标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏学的正式诞生。
中国从1999年开始，每年召开一次全国信息隐藏学术研讨会。
信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。
信息隐藏学是一门新兴的交叉学科，在计算机、通信、保密等领域有着广阔的应用背景。
数字水印技术，作为数字媒体版权保护的有效手段，也作为信息隐藏学的一个重要分支，已得到广泛的研究和一定的应用。
一个信息隐藏系统的一般化模型可以用下图1-1来表示。
该系统主要包括一个嵌入过程和一个提取过程，其中嵌入过程是指信息隐藏者利用嵌入密钥，将嵌入对象添加到掩体对象中，从而生成隐藏对象的过程。
提取过程是指利用提取密钥从接受到的、可能经过修改的隐藏对象中恢复嵌入对象，在提取过程中可能需要掩体对象，也可能不需要。
图1-1是信息隐藏的一般模型。
图1-1信息隐藏的一般模型
1.2数字水印的研究背景
随着计算机通信技术和互联网的迅速发展，数字多媒体的传播也越来越方便快捷。
互联网中以电子印刷出版、电子广告、数字图书馆、网络视频和音频、电子商务等新的服务和运营方式为商业、科研、娱乐等带来了巨大的机会。
但是另一方面也使得盗版者能以非常低廉的成本复制及传播XX的数字产品内容获得名利等。
出于对数字产品的版权所有者的利益考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权保护的问题。
然而通过密码学技术对数字产品进行加密后，在所加密的数字内容解密之后，没有有效的手段来保证其不被非法拷贝、再次传播和盗用。
此外，数字形式的多媒体产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散发，大范围的侵权拷贝行为受到了音像、出版、影视和软件等行业的高度关注。
为了防止这种情况发生，人们提出了数字水印的概念。
1996年5月，在英国剑桥召开了第一届国际信息隐藏学术会议（IHW），会议的一个主要议题就是数字水印技术。
此后各种重要的学术会议及学术期刊上不断出现关于数字水印研究的文章，数字水印开始成为国际学术界和企业界的一个热门研究领域和发展方向，逐步得到人们的广泛关注、高度重视和发展。
数字水印在我国也受到了相当的重视，学术界对于数字水印技术的研究很多，已经有一批具有相当实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。
自1999年12月召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会后，各种相关的学术会议不断举办，国家“863"计划、“973”计划、国家自然科学基金等都对数字水印的研究提供了项目资助。
目前我国在数字水印领域的学术研究水平与世界水平相差不远，但要投入实际应用还有待时间。
总的说来，由于数字水印的研究要以计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信号处理等领域的思想和概念为基础，一个数字水印方案一般总是综合利用这些领域的最新进展，但也无法避免这些领域固有的一些缺点。
目前尽管人们都在努力发展和完善数字水印技术，但从水印研究的状况而言，数字水印技术仍然没有完全成熟，还只是一门新兴的学科，总体上还处在一个技术评估的阶段。
在这个阶段，数字水印技术还没有被人们广泛理解，而且还有很多问题没有得到解决。
1.3数字水印的发展前景
数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们发现他还具有更多更广的应用，有许多是当初没有预料到的。
目前，数字水印技术的应用大体上分为版权保护、数字指纹、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护、安全不可见通信等几个方面。
尽管在水印的发展过程中出现了很多的研究结果，但数字水印技术仍然是一个不成熟的研究领域，还有许多有意义的工作需要完成。
其理论基础依然非常薄弱，大部分的数字水印算法还只是经验性的。
根据数字水印研究现状分，以下几个方面将是今后关于数字水印研究得关注的几个方向：
（1）视频水印的研究：
现在对于数字水印技术的研究主要集中在静态图像方面。
至于音频方面，人们已能建立很好的语言模型，因此相应的水印技术也相对成熟一些。
而在视频方面，虽然目前已有基于动画的水印，但远不如在静态图像中所达到的效果要好。
因此关于视频资源的保护方面是未来数字水印技术的重要应用方向。
（2）数字水印模型的深入研究：
对现有的数字水印模型的深入研究，就是要继续研究不同学科理论在数字水印技术中的应用，建立完善的数字水印技术的理论体系，包括建立更好的模型，对模型在各种媒体资源中隐藏水印信息的容量的分析，对算法抗攻击和鲁棒性等性能的分析，以及对数字水印相关的攻击方式的分析研究方法等。
（3）数字水印的标准化应用研究：
数字水印要得到更广泛的应用才能更进一步推动数字水印技术研发的良性发展。
例如数字水印应用于数字内容交易场所，完成数字内容的版税征收等。
数字水印技术是一个新兴的研究领域，如今还有许多未触及的研究课题，其应用领域也在不断扩大，现有技术也需要改进、完善和提高。
数字水印作为数字资源的重要的防伪技术，具有很高的技术含量和很强的生命力，同时也孕育着巨大的商机。
随着研究的不断深入，相信数字水印技术必将有广阔的应用前景。
第2章数字水印基本原理及技术
2.1数字图像水印的基本原理
数字水印的基本原理是将某些标识数据作为水印信息嵌入到载体数据中，并且保证水印信息在载体数据中的不可感知和足够安全。
一方面，从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强信号下迭加一个弱信号，由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制，只要迭加信号的幅度低于对比度门限，就无法感觉到信号的存在。
因此，通过对原始图像作一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。
即数字水印技术是将特定的信息嵌入到被保护的信息中，以及从被保护的信息中提取或检测出特定信息的过程。
所以，所有数字水印系统都包括两个基本模块，即水印嵌入系统和水印恢复系统。
嵌入阶段的设计主要解决两个问题：
一是数字水印的生成，可以视为随机数序列，也可以是文本、图片等数据；二是嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印能够很好的保护数字产品。
下图2-1是一个水印嵌入一般模型，其中设水印信息为W、载体数据为I、私钥（公钥）为K、输出是加入水印后的数据J。
图2-1水印嵌入的一般过程
另一方面，从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道上用扩频通信技术传输一个窄带信号。
尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。
水印的译码则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。
设载体图像为I，水印信号为W，密钥为K，则水印嵌入公式描述为：
（2-1）
式中E表示水印嵌入算法。
在这里接收两种基本的嵌入方法，它们都是在图像的DCT域的中频系数中隐藏信息。
第一种为在中频系数中，以一定的方式挑选一些隐藏位置，在这些选定的中频系数中叠加秘密信息，方法如下
加法准则：
（2-2）
其中，
为所选择的载体图像的DCT域系数，
为第i个秘密消息比特，
为含有水印信息的载体图像的DCT域系数，
为可调参数，它可控制隐藏信息的强度。
在提取秘密信息时，需要原始图像，与伪装图像一起，同时做DCT变换，然后相应DCT系数相减，除以
值即可以得到隐藏信息。
这里
参数控制了隐藏信息的强度，
越大，隐藏信息的能量越大，抵抗攻击能力越强，但是对这载体图像的影响也越明显。
因此，控制选择合适的
值，使得隐藏信息在鲁棒性与可觉察性之间得到一个平衡。
除了以上的嵌入算法外，另一种就是乘法准则，其实它是加法算法的一种改进。
方法如下：
乘法准则：
（2-3）
为了保证在不可见性的前提下，尽可能提高嵌入水印强度，
的选择必须考虑图像的性质和人类视觉系统的特性（HVS）。
加法准则不适合于变化范围很大的情形，而乘法准则对变化具有较强的适应性，因此更为合理，如图2-2为含水印信息的嵌入。
图2-2含水印信息的嵌入
在水印的提取与检测过程中，其与水印的嵌入过程相反，主要就是在含有水印信息的载体中，根据水印的提取算法提取出水印信息，其一般模型如图2-3与图2-4，其模型如下：
图2-3水印提取过程
图2-4水印检测过程
从以上讨论可以看出，水印提取的过程是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而水印检测的过程是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。
另外，水印的检测结果可以通过一个阈值来判断，当相关性检测结果超过这个阈值时，则判断被检测载体中含有水印。
2.2数字水印的特点
数字水印不仅要实现有效的版权保护，而且加入水印后的图像必须与原始图像具有相同的应用价值，也就是说数字产品不会因为加入了水印而变得不可用。
不同的应用对数字水印的要求是不尽相同的，一般认为数字水印应该具有如下特点：
（1）安全性：
安全性是指所采用的水印嵌入算法是依赖于水印嵌入时所采用的密钥，而不是依赖于所采用的算法的保密。
（2）可证明性：
数字水印应能为宿主数据产品的归属问题提供完全和可靠的证据。
数字水印可以是已经注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等，它们被嵌入到宿主数据中，需要时可以将其提取出来，判断数据是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。
一个好的水印算法应该能够提供没有争议的版权证明。
（3）不可感知性：
在宿主数据中隐藏的数字水印应该是不能够被感知的。
不可感知包含两方面的意思，一个是指视觉上的不可感知性，一个是指统计上的不可感知。
感官上的不可感知就是通过人的视觉、听觉无法察觉出宿主数据中因嵌入数字水印而引起的变化，也就是从人类的感官的角度看，嵌入水印的数据与原始数据之间是完全一样，没有区别的。
统计上的不可感知性是指，对大量的用同样的方法经水印处理过的数据产品，即使采用统计方法也无法确定水印是否存在。
即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。
（4）鲁棒性：
数字水印应该难以被擦出。
在不能得到水印的全部信息（如水印数据、嵌入位置、嵌入算法、嵌入密钥等）的情况下，当只知道其中的部分信息的时候，应该无法完全的擦出水印，任何试图完全破坏行为将对载体的质量产生严重的破坏，使得载体无法使用。
2.3数字水印的分类
（1）按外观上的划分：
水印从外观上可分为两大类：
可见水印和不可见水印。
通常，他们采用上述的提法来概括所有的水印。
可见数字水印最常见的例子是有线电视频道上所特有的半透明标识，其主要目的在于明确标识版权，防止非法使用，虽然降低了资料的商业价值，却无损于所有者的使用。
不可见数字水印是将数字水印隐藏，视觉上不可见，目的是为了将来起诉非法使用者，作为起诉的证据，以增加起诉非法使用者的成功率保护原创造者和所有者的版权。
（2）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。
有意义水印是指水印本身也是某种数字产品，如商标图像、数字视频或音频片段等。
无意义水印则只对应于一串随机的序列号。
有意义水印的优势在于，如果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定信号中是否含有水印。
（3）按附载的类型划分：
根据载体类型的不同，可以将水印划分为静止图像水印、音频水印、视频水印、文档水印以软件水印等。
随着水印技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。
（4）按水印检测器的类型划分：
按水印的检测器类型划分或者按照水印的检测过程划分，可以将数字水印划分为非盲水印和半盲水印和盲水印。
非盲水印在检测过程中需要原始载体和原始水印的信息；半盲水印的检测过程则不需要原始的载体信息，但是需要利用原始水印信息进行检测；盲水印检测时只需要密钥，不需要原始载体信息，也不需要原始水印信息。
（5）按数字水印的嵌入域划分：
按数字水印的嵌入位置，我们可以将其划分为时空域数字水印、变换域数字水印。
根据变换域的不同我们可以进一步将其划分为离散余弦变换域水印、离散傅里叶变换域水印和离散小波变换域水印等。
2.4数字图像水印的典型算法
当今的数字水印的算法有许多，但大概可以把它们划分为以下两种类型：
时空域数字水印算法和变换域数字水印算法。
2.4.1时空域水印算法
时空域水印算法指的是实现水印嵌入和提取的过程全部在时空域完成，不需要转换到变换域。
其主要有拼凑法、选择图像的视觉不敏感区域法、以及基于LSB的水印嵌入方法等。
但作为数字水印算法，尽管其有较大的信息嵌入量，因其基本原理限制，所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，无法经受一些有损的信号处理（如滤波、图像量化、几何变形等）。
早期的数字水印算法从本质上来说都属于此类，具有算法简单、速度快，容易实现的优点。
但鲁棒性不高，且能够嵌入的水印信息量不多，现在这类算法已多用于脆弱水印技术。
2.4.2变换域水印算法
变换域算法是在对原始载体图像进行各种变换后的基础上嵌入水印信息，相较于空间域水印算法，变换域算法中水印信号能量可分布到所有像素上，可以嵌入大量比特的数据而不会被肉眼所察觉，有利于保证水印的不可见性。
可以较方便地结合人类视觉系统（HVS），有利于提高鲁棒性。
因此，变换域数字水印算法是当今水印技术研究的主流。
常用的变换域主要包括离散余弦变换（DCT），离散傅立叶变换（DFT）和离散小波变换（DWT）等。
（1）DFT域的算法
DFT法是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。
其它变换域还有Fourier-mellin域、Fourier变换域、分形或WP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上。
（2）DCT域水印算法
基于DCT的水印算法的最大优点就是其与国际压缩标准（JPEG）兼容，水印的嵌入和检测都能够在数据的压缩域中直接进行。
但在压缩域中直接进行水印嵌入和检测所带来的问题是，在量化后的DCT系数上添加的水印可能在解压缩的过程中被放大，从而引起水印和图像的失真。
（3）DWT域水印算法
自从小波技术成为MPEG-4及JPEG-2000压缩标准的核心技术以来，基于小波域的水印算法越来越多。
在小波域嵌入水印的原因是：
可以防止由于JPEG-2000有损压缩而造成的水印消除，可以利用信源编码领域对图像失真的可见性研究成果来控制水印的嵌入位置和强度，可以实现在压缩域直接嵌入水印。
此外，利用小波多分辨率分析可以更好地控制水印在宿主图像中的分布，更好地解决鲁棒性和可见性之间的矛盾。
2.5数字图像水印的典型攻击
随着数字水印技术的出现，对数字水印的攻击也就同时出现。
水印的目的是为了保护多媒体产品不被盗用、篡改、仿冒等。
对水印的攻击，就是试图通过各种方法，使得水印无效。
比如抹去多媒体数字产品中的水印；或者水印尽管存在，但是使得水印的提取算法失效；或者在作品中在家人一个或多个水印，使得对水印的解释发生歧义，导致水印失效。
因此，对水印的攻击有各种各样的方法，但其最终目的总是使得水印无法对多媒体产品的保护做用实现。
现今水印有各种各样的攻击方法，对水印的攻击可以将其主要分为以下四类：
（1）去除攻击：
这是最常用的攻击方法。
他主要攻击健壮性的数字水印。
他目的是削弱载体中的水印强度，或者破坏载体中的水印。
（2）表达攻击：
目的是是水印检测失效。
它并没有把载体中的水印去除，而是让水印变形，使其被破坏，导致最终检测器不能检测出载体中的水印信息。
直接通过水印嵌入密钥来找到水印嵌入位置，并将其去除。
嵌入算法的不足通常有水印嵌入位置的局限性、密钥空间的有限性等，如常见的共谋攻击。
（3）解释攻击：
它是通常通过伪造水印信息来达到目的。
比如使载体中同时可以提取出多个水印信息，无法判断哪个水印信息是真，哪个是假，从而导致水印信息失去意义。
（4）法律攻击：
它主要是利用现阶段的法律漏洞来达到对水印的攻击目的。
2.6数字水印系统的性能评价
在前面我们已经提到的数字水印的三大特点为不可见性、鲁棒性和安全性，对实现的水印系统也着重从以上三个方面进行测试。
其中，不可见性主要是通过肉眼条件下对比原始图像和嵌入了水印后的图像之间来辨别嵌入的水印是否能够被察觉到；安全性方面在实验中主要是体现在对水印信息图像进行的嵌入位置选择的操作上；鲁棒性方面主要是对嵌入水印信息后的图像使用相关攻击函数，从提取水印的效果上来讨论的。
因此
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