现代数字信号处理论文.docx
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现代数字信号处理论文
课程论文
现代数字信号处理
题目：
数字水印算法的简单实现
学院（系）：
信息工程学院
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
刘泉
2013年1月18日
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
2数字水印技术2
2.1数字水印技术简介及其分类2
2.2数字水印技术的原理2
2.3数字水印的主要特征3
3数字水印的算法及其MATLAB实现5
3.1数字水印的常见算法5
3.2数字水印算法的MATLAB实现6
3.2.1LSB算法6
3.2.2空域法算法7
4结论9
参考文献10
摘要
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越来越不安全。
数字水印技术是近些年提出的一种信息隐藏技术，该技术为多媒体信息的版权保护提供了一种新的方法。
本文首先介绍了数字水印技术的原理、特点及分类，然后比较详细论述了基于最低有效位的数字水印技术和空语法的实现过程。
通过实验给出了嵌入水印后的图像的效果，最后利用MATLAB7.0对这两种算法进行了仿真。
关键词：
数字水印，信息隐藏，MATLAB，信息安全
Abstract
Withtheadventoftheinformationage,especiallythepopularizationofInternet,theinformationsecurityprotectionhasbecomeanincreasinglyimportantissue.Thecurrentinformationsecuritytechnologybasicallytocryptographytheoryasthefoundation,whetherthetraditionalpublickeysystemorsystem,itsprotectionwayistocontrolaccesstothefile,thefileencryptionintocryptograph,makeillegaluserscan'tread.Butalongwiththecomputerprocessingcapacityincreasedrapidly,thisthroughtheincreasedkeylengthtoimprovesystemsecuritymethodbecomesmoreandmoreunsafe.
Digitalwatermarkingtechnologyisputforwardinrecentyearswhichisakindofinformationhidingtechnology,thistechnologyformultimediainformationcopyrightprotectionprovideswithanewmethod.Thispaperintroducesdigitalwatermarktechnologyprincipleforthefirsttime,characteristicsandclassification,thencomparedindetailbasedontheleastsignificantbitofthedigitalwatermarkingtechnologyandtherealizationprocessofemptygrammar.Throughtheexperimentaregivenafterthewatermarkimageeffect,finallyuseMATLAB7.0tothetwoalgorithmsimulation.
Keywords：
informationhiding，watermark，MATLAB，informationsecurity
1绪论
随着计算机的普及、网络技术的发展、媒体信息的数字化,音乐、图像、视频等多媒体信息的传播变得越来越方便,但同时也给版权侵犯行为带来了可乘之机。
诸如非法拷贝、传播、篡改等侵权行为变得越来越容易、快速和隐蔽,同时难以取证,这使得数字媒体的所有者和发行者蒙受了巨大的经济损失。
为有效保护知识产权,人们发明了一种将公司标识、特定数字等放入多媒体信息中的方法,以此来标识公司信息或者媒体所有权等信息,这一技术就是信息隐藏技术中的一个分支———数字水印技术。
现在的版权保护系统可以采用密码认证技术,但是传统的加密方式对多媒体信息的保护有一定的局限性,不能够完全保证信息的安全性。
一旦密码被破解,多媒体信息就可以被任意复制、篡改,并且在法庭上很难取证。
数字水印技术可以做为加密技术的补充,增强对多媒体信息的版权保护。
数字水印技术最早是在1994年的国际图像处理会议上由shcnydel等人提出的,这一技术在当时的学术界引起广泛的关注,并且迅速成为信息安全和图像处理领域的研究热点。
此后,很多高校、研究机构、企业和公司都展开了对数字水印技术的研究,并取得了一定的成果。
我国的数字水印技术研究也得到了国家相关部门的重视,并有一些研究成果逐步走向实用化。
目前流行的数字水印方法有空域数字水印、变换域数字水印和小波域数字水印.基于变换域的水印算法在抵抗图像压缩处理操作方面具有较强的鲁棒性，对一些恶意攻击处理，水印也有较好的恢复能力。
小波域数字水印是目前水印算法中的研究热点，随着人们对版权保护意识的提高，一些新的水印算法程序将会层出不穷，水印技术将会有更大的发展空间。
数字水印（DigitalWatermarking）作为信息隐藏的一个重要分支，可以有效地实现网络环境中数字产品的版权保护，它是解决这类问题的一种极具潜力的技术。
2数字水印技术
2.1数字水印技术简介及其分类
数字水印技术涉及到通信理论、编码理论、噪声理论、视听觉感知理论、扩频技术（SpreadSpectrum）、信号处理（SignalProcessing）技术、数字图像处理（DigitalImageProcessing）技术、多媒体（Multimedia）技术、模式识别（PatternReorganization）技术、算法设计（AlgorithmDesign）等理论,用到经典的DFT（DiscreteFourierTransform）离散傅立叶变换、DCT（DiscreteCosineTransform）离散余弦变换和近代最先进的数学工具-----小波（Wavelet）即DWT（DiscreteWaveletTransform）离散小波变换技术。
数字水印又是一个横跨计算机科学、生理学、密码学、数学、数字通信等多门学科，并与Internet的发展密切相关的交叉科学。
数字水印的多学科性导致数字水印技术研究的难度和复杂性，所以针对数字水印技术本身的跨学科特点，找出一种合适的编程工具，往往可以起到事半功倍的效果。
数字水印技术可以从不同的角度进行分类,因此有多种分类方法。
按数字水印的特性可分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。
鲁棒数字水印主要用于标识数字媒体信息的版权信息,它要求嵌入的水印能够抵抗对媒体的常规编辑和恶意攻击,在对媒体进行如:
裁剪、旋转、缩放、压缩的变换后水印信息不受到较大损害。
而脆弱水印相反,它对攻击敏感,可以根据脆弱水印的状态判断原始信息是否被修改过。
按数字水印所附载的媒体可分为图像水印、音频水印、视频水印和文本水印等。
每一种数字化的媒体都有相应的水印算法,这也造成了数字水印算法的复杂性。
按数字水印隐藏的位置划分可以分为空（时）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度数字水印。
原始信息通常在空域或者时域上表示,根据信号处理理论有多种变换将信号变化到另外的域上,每一种域上都可以嵌入数字水印,也就产生了相应的数字水印算法。
按数字水印的可见性可以分为可见数字水印和非可见数字水印。
可见数字水印通常是将公司表示叠加到原始图像上,算法比较简单,也有相应的应用软件,如UniDreamMarkingTechnologies公司的PhotoWatermark。
而不可见数字水印要求嵌入的水印是不能被人的视觉系统感知的,其算法相对复杂,目前还没有较成熟的应用软件。
2.2数字水印技术的原理
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，目前大多数字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，在水印的嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。
水印的嵌入和提取方法如图2.1，图2.2所示。
图2.1通用数字水印嵌入算法
图2.2通用数字水印提取算法
图2.1是数字水印的嵌入过程,通过密钥可以提高数字水印的隐蔽性、抗攻击性,并非必须的输入。
根据不同的用途,嵌入的水印有些是需要还原的,而有些则需要验证水印的存在性,前者需要数字水印的提取算法,而后者需要数字水印的检测算法,根据具体的水印算法,嵌入或提取的过程可能有所不同。
2.3数字水印的主要特征
数字水印主要有以下特征：
（1）可证明性
水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供安全和可靠的证据.水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）并能在需要的时候将其取出来。
（2）不可感知性
多媒体信息加入水印后并不改变其感知效果，水印在通常的感知条件下不被感觉，这是数字水印最基本的特点，即多媒体信息嵌入水印后，数字信息发生的变动和失真应低于可感知的门限.如图像加入水印后，人们感觉不到图像在视觉上有任何变化，即使通过自然光或其他外光源照射也察觉不出与原图像有何差异。
（3）鲁棒性
指多媒体中的水印信息能够抵抗应用过程中的各种破坏，如数字信号处理技术，包括噪声、滤波和有损压缩等。
（4）安全性
数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印.信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且XX者不能检测出水印。
（5）自相似性
数字水印在原图像经过较大的破坏后，仍能从原数据中恢复出隐藏的水印，而且在恢复过程中不需原图像，这需要水印算法本身具有自相似性.也可以认为是水印信息分布在载体数据的很多样本中，利用其中的小部分数据就可以恢复出水印。
3数字水印的算法及其MATLAB实现
3.1数字水印的常见算法
数字水印算法一般可分为空域法和变换域法.空域法就是在图像的空间域中嵌入水印的技术，最简单和有代表性的方案就是用水印的信息代替图像的最低有效位（LSB）或者多个位平面的所有比特的算法.变换域法主要有DFT（DiscreteFourierTransform）离散傅立叶变换、DCT（DiscreteCosineTransform）离散余弦变换和DWT（DiscreteWaveletTransform）离散小波变换技术。
一般来说变换域算法可嵌入的水印数据量大，不可感知性好，安全性高；从综合性能分析，变换域方法也更加优越一些，目前占据了主要地位，未来的趋势也以变换域方法为主流。
（1）离散余弦变换（DCT）算法
二维DCT变换定义为：
它的反变换为：
其中k=0,1,……,M-1;l=0,1,……,N-1;
（2）离散小波变换（DWT）算法
设x（t）是平方可积函数，即x（t）
是被称为基本小波或母小波的函数，我们定义W
为x（t）的小波变换，式中a>0是尺度因子
代表位移，
代表内积,它的定义为：
*表示共轭
（3）离散傅里叶变换（DFT）算法
二维离散函数的傅立叶变换公式为：
3.2数字水印算法的MATLAB实现
3.2.1LSB算法
LSB算法实现较为简单,首先,需要考虑嵌入的数字水印的数据量,如果嵌入最低的1位,则可以嵌入的信息量是原始图像信息量的1/8,如果适用最低两位则可以嵌入的信息量是1/4,以此类推。
适用的最低位越多,嵌入的数字水印的信息量越大,同时对图像的视觉效果影响也越大。
然后,适当调整数字水印图像的大小和比特位数,以适应数字水印图像数据量的要求。
最后,对原始图像中要使用的最低位置0,再将数字水印数据放入原始图像的最低位即可。
水印图像、原始图像、嵌入水印之后的图像如图5所示，下面通过MATLAB来实现这一算法。
水印图片嵌入水印前嵌入水印后
图3.1在最低位嵌入数字水印
由于是在最低位嵌入数字水印图像,因此左边嵌入前的图像和右边嵌入后的图像没有明显的差别,数字水印得到了很好的隐藏。
MATLAB程序如下（其中whut_2.bmp是二值数字水印图像文件,lena.bmp是原始图像文件,lsb_w.bmp是嵌入水印之后的图像文件）。
[C,map]=imread（‘lena.bmp’）;
[m,map1]=imread（‘whut_2.bmp’）;
Mc=size（C,1）;
Nc=size（C,2）;
Mm=size（m,1）;
Nm=size（m,2）;
w_i=C;
forii=1:
Mc
forjj=1:
Nc
w_i（ii,jj）=bitset（w_i（ii,jj）,1,m（ii,jj））;
end
end
imwrite（w_i,‘lsb_w.bmp’,‘bmp’）;
figure
（1）
imshow（w_i,[]）
title（‘嵌入水印后’）
figure
（2）
imshow（C,[]）
title（‘嵌入水印前’）
figure（3）
imshow（m,[]）
title（‘水印图片’）
3.2.2空域法算法
首先，提取前面由两幅文本图像组合成的一幅图像，通过函数txtxtract（）来实现，这时没有把两幅文本图像分离。
仅仅通过每一帧彩色图像的LSB是无法提取文本图像的，所以逻辑运算AND被采用，函数imhide（）的反运算被用来重建文本。
下一步就是使用函数imxtract（）对前面的结果进行分离。
R=txtxtract（temp（:
:
1））;%Recovertextimage1&2fromRframe
G=txtxtract（temp（:
:
2））;%Recovertextimage3&4fromGframe
B=txtxtract（temp（:
:
3））;%Recovertextimage5&6fromBframe
[tx1tx2]=imxtract（R）;%Collectpixelsfromalternatelocations
[tx3tx4]=imxtract（G）;%Collectpixelsfromalternatelocations
[tx5tx6]=imxtract（B）;%Collectpixelsfromalternatelocations
最后一步，边缘修整.前面得到的图像没有修整，所以最后使用函数fspecial（）中的Laplace滤波器对图像进行平滑处理。
PSF=fspecial（'laplacian'）;
figure（3）;
subplot（2,3,1）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx1,PSF）））;title（{'ExtractedText';'Page1'}）;
subplot（2,3,2）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx2,PSF）））;title（'Page2'）;
subplot（2,3,3）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx3,PSF）））;title（'Page3'）;
subplot（2,3,4）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx4,PSF）））;title（'Page4'）;
subplot（2,3,5）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx5,PSF）））;title（'Page5'）;
subplot（2,3,6）;imshow（medfilt2（edgetaper（tx6,PSF）））;title（'Page6'）;
图3.2提取后的水印图像
4结论
LSB算法简单,实现容易,同时可以保证数字水印的不可见性,由于可以在最低位的每个像素上都插入数字水印信息,因此有较大的信息嵌入量。
LSB算法一般嵌入图像的最低一位或者两位,如果嵌入的位数太多,则会被人眼察觉到。
从以上图中可以明显看出：
原图与嵌入水印信息后的图像在视觉效果上没有明显差别，用肉眼几乎分辨不出，而且还能从中提取出水印信息，可见，这种嵌入算法和提取算法可行，而且检测和抽取易于实现，从实验中还可以看出这种算法的抗攻击性——鲁棒性较好.数字水印技术是数据安全领域中的新生事物，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，我们有理由相信，有了一个高效实用的研究工具能起到事半功倍的效果，会有越来越多的有识之士投入到数字水印技术的研究和产业化进程中来。
参考文献
[1]姚天任，孙洪.现代数字信号处理.华中科技大学出版社，2005
[2]王颖，黄志蓓.数字水印[M].北京电子工业出版社，2003.
[3]王丙拐，陈琦，邓峰森.数字水印技术[M].西安：
西安电子科技大学出，2003.
[4]李丽，王振领.MATLAB工程计算及应用[M].北京：
人民邮电出版社，2003.
[5]郝文化.Matlab图形图像处理应用教程[M].北京：
中国水利水电出版,2004.
[6]爹长虹..Matlab图像处理与应用[M].北京：
国防工业出版社，2004.
[7]张静，张春田.用于图像认证的数字水印[J].中国图像图形学报，2003.
[8]黄继武.DCT或图像水印：
嵌入对策和算法[J].电子学报,2000,28（4）:
57-60.
[9]C.Walker.PersonalCommunication.MuzakCorporation,June2001.
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