062 VC与Matlab图像编程样本
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论文大概：
 

 

 

 

1 图像空域易损水印研究及其实现
   
摘要：随着信息产业的飞速发展。多媒体、计算机网络、个人移动通信等技术带领人们进入了数字化,网络化的时代。但另一方面,由于数字产品的特殊性质,侵权、盗版和非法使用变得非常容易,且成本低廉。这样严重地侵犯了版权所有者的合法利益。如何用法律手段维护所有者的权益,成了人们关注的一个重要问题。数字水印技术就是在这种背景下应运而生的。
本文首先介绍数字水印基本概念、基本原理、通用框架、特性、分类、数字水印典型算法、水印攻击方法及其应用、水印系统性能评估与测试,并对前人工作进行分类、综合。然后提出一种空域自适应图像认证易损水印技术,算法先将原宿主图像转换为一维Hilbert序列,然后利用混沌序列在原图像Hilbert序列中伪随机选取一块,通过不同强度地调整块中选定的水印嵌入位置象素与其所在块均值之间的大小关系,以嵌入水印信号。而且在充分考虑数字图像的空间局部相关性与人类视觉系统（HVS）屏蔽特性的基础上,给出一种定量的可感知噪声阈值JND计算方法,从而印自适应嵌入,进一步增强了水印失真标示能力。
最后对本文提出算法进行水印透明性与失真标能能力实验,并给出实验结果与将来工作展望。

关键词：信息安全,数字图象加密,信息隐藏  易损水印,公钥系统   多媒体认证 

 

 

 

 

 
2 Rearsh and implement on Fragle watermarking Based on Spatial Domain
 ABSTRACT ： With the rapidly development of information industry. multimedia、Internet、individual move communication etc have leaded us to the network age. But on the other hand,owing to the special character of digital production,invade right, pirating and irregularity using become very easy,even cost low. This will badly encroach legality advantage of the owner. How to use law means maintenance the right of owner become an important issue that we take attention at. Watermark then come into being at such background.
This paper introduces digital watermark basic conception at first, basic principle, in common use frame, characteristic, classification, digital watermark typical algorithm, watermark attacks the method and uses, watermark systematic function is assessed and test, and classify, synthesize forefathers' work. Propose one airspace adaptive authentication easy to decrease watermark technology picture, algorithm change one-dimensional Hilbert array into host image first, utilize Chaos array false to choose one block at random as Hilbert array in art of work, Adjust through different intensity piece selected watermark imbed position alike and plain instead of all kinds of relation between a mean value, in order to imbed the watermark signal. And in consider digital space some dependence and human vision system (HVS) of picture at the shielding foundation of characteristic fully, provide a kind of quantitative intangible noise threshold value JND computing technology, thus print the self-adaptation to imbed , strengthen watermark distorted to label ability further.
Propose to this text algorithm carry on watermark transparency with distorted to can marks the ability experiment finally, and provide experimental result and job prospect in the future.
Keywords:  Digital Image Information Security, Digital Image Encryption
Digital Image Information Hiding, Digital Watermarking,
Public Key Data Encryption, Multimedia Authentication

 

 

目     录
论文摘要 1
ABSTRACT 2
1数字水印技术概况 5
1.1  背景 5
1.2  数字水印发展历史 5
1.3  数字水印原理及其通用模型 6
1.4  数字水印特点及分类 8
1.5  数字水印的主要应用领域 10
1.6  典型数字水印算法 12
1.7  数字水印算法设计中需要考虑的因素 15
1.8  数字水印攻击分析 15
1.9  数字水印系统性能评估与基准测试 16
1.9.1  影响性能的因素 17
1.9.2  视觉质量的定量描述 17
1.9.2.1  基于象素的度量方法 17
1.9.2.2  可见性质量度量 18
1.9.2.3  主观性质量度量方法 19
1.9.3  性能评估中所使用的攻击方法 19
1.9.4  性能评估与描述 19
1.9.5  基准测试图库和基准测试软件 20
1.9.6  性能评价和基准测试的一般步骤 20
2 易损水印 21
1.1  易损数字水印算法的特点 21
1.2易损水印与鲁棒水印的差别 22
3图像空域易损认证水印技术 23
3.1  前人工作 23
3.2混沌序列生成 25
3.3  Hilbert扫描 26
3.4  空域易损认证水印算法 27
3.4.1  易损水印嵌入 27
3.4.2水印信号提取 28
3.4.3 水印图象恢复 28
3.5  恢复水印质量评价准则 29
3.6  实验结果与篡改分析 29
3.6.1 水印抗攻击性实验 30
3.6.2 失真标示能力检测 32
4 本 文 总 结 1
致   谢 2
参 考 文 献 3
附录 4

 
3 1  数字水印技术概况
3.1 1.1  背景
当前,计算机和互联网的飞速发展在许多方面改变了人们的生活。人们的很多生产的成果都以数字的形式存储和传输。基于计算机和网络的多媒体数字作品的使用、传播提供了极为便利的途径,多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度,其发布形式愈加丰富了。人们可以通过Internet网发布自己的作品,传递重要信息,进行网络贸易等。但是与此同时其暴露出的安全问题也越来越严重：数字作品极易被非法拷贝和复制,使得很多版权所有者不愿意轻易公开其作品,这在相当程度上阻碍了其自身发展。目前,盗版已成为数字化产业最大的威胁。数字产品的版权保护问题迫在眉睫,如何既充分利用Internet网的便利,又能有效地保护知识产权,已受到人们的高度重视。
仅靠密码学已不能很好地解决这一问题。因为虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据,但是经加密后的数据变得“杂乱无章”,这样就无法向别人展示自己的作品,同时也容易引起攻击者的怀疑；而且数据一旦被解开,就完全置于解密人的控制之下,原创作者或版权所有者没办法追踪复制或二次传播。在这种情况下,数字水印技术作为一种解决数字产品版权问题的有效手段得到了广泛关注,引起众多不同背景的研究人员的兴趣,并逐渐成为了当今国际IT学术界的一个研究热点。
3.2 1.2  数字水印发展历史
大约700年前,在手工造纸技术中出现了纸张上的水印,直到现在,仍有许多国家（包括我国）仍然发行带有水印的纸币来防止伪造。图1.1中的字母组合图TGE  RG是在剑桥地区发现的最早的水印之一（公元1550）,印自[11]。那时的水印主要用于识别生产纸张的工厂,作为保证纸张质量的一种手段。
纸张上的水印与数字水印之间的相似性是很明显的；在银行票据或邮票上的纸上水印,激发了“水印”这一术语在数字产品环境中的首次使用。最早关注数字图像水印的文献是Tanaka等人于1990年发表的一篇名为“Embedding Secret Information into a Dithered Multilevel Image”的文章[13]。但自从1993年Tirkel发表的一篇“Electronic Watermark”[14]和随后发表的一篇“A Digital Watermark”[15]之后,人们才真正意识到数字水印技术的重要性。到1995年后数字水印技术开始得到了广大研究人员的极大关注,并从此开创了数字水印技术研究的热潮,这一点可从表1.1中看出[15]。
表1.1  过去几年有关数字水印出版物的数量
年份 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 
文献数量 2 2 4 13 29 64 103 
3.3 1.3  数字水印原理及其通用模型
我们可以把数字水印理解成一种电子水印,有些类似于有线电视节目中表明节目来源的徽标。其实节目徽标就是一种数字水印,属于可见数字水印的范畴。但通常不可见数字水印技术具有更大的商业价值,是学术界和工业界研究的热点。本文在没有特殊声明的情况下,数字水印均指不可见数字水印。
数字水印（Digital Watermarking）是实现版权保护的有效办法,已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点,也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。它通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印（Watermark）来证实该数据的所有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见或不可察觉,它与原始数据（如图象、音频、视频数据）紧密结合并隐藏其中,成为源数据不可分离的一部分,并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。整个水印系统的设计包括水印的生成、嵌入、水印检测或提取三个部分,水印嵌入示意图如图1.2所示。

                         
原宿主图像                                      含水印图像
  水印
图1.2  水印嵌入示意图
    
从图象处理的角度看,嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号,只要迭加的水印信号强度低于HVS的对比度门限,HVS就无法感到信号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此,通过对原始图象作一定的调整,有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。从数字通信的角度看,水印嵌入可理解为在一个宽带信道（载体图象）上用扩频通信技术传输一个窄带信号（水印信号）。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（检测）则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。
设载体图象为 ,水印信号为 ,密钥为 ,则水印嵌入可用公式(1-1)描述,
                                   (1-1)
式中 表示水印嵌入策略（算法）。水印的嵌入过程如图1.3所示。

 

 

有两种常用的水印嵌入公式：
                       (1-2)
其中, 分别表示原载体图像象素和嵌入水印后图像象素； 为水印信号分量, ； 为强度因子。为了保证在不可见的前提下,尽可能提高嵌入水印的强度,  的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。早期许多水印嵌入算法都采用空域方法和加法规则,近年来,变换域水印嵌入算法得到更多的研究。
图1.4, 图1.5是水印水印提取与检测流程图。图1.4、图1.5中的虚框部分表示在提取或判断水印信号时原始数据不是必要的。

   

 

 

 

 

在某些水印系统中,水印可以被精确地抽取出来,这一过程被称做水印提取,见图1.4。比如在完整性确认应用中,必须能够精确地提取出插入的水印,并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化,最好还能够通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。
对于强壮水印,通常不可能精确地提取出插入的原始水印,因为一个应用如果需要强壮水印,说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击,水印数据历经这些操作后,提取出的水印通常已经面目全非。这时我们需要一个水印检测过程,见图1.5。通常水印检测的第一步是水印提取,然后是水印判决。水印判决的通行做法是相关性检测。选择一个相关性判决标准,计算提取出的水印与指定的水印的相关值,如果相关值足够高,则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。从以上论述可以看出,水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号,而水印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。另外,水印检测的结果依赖于一个阈值,当相关性检测的结果超过这个阈值时,给出含有指定水印的结论。这实际上是一个概率论中的假设检验问题。当提高相关性检测的阈值时,虚检概率降低,漏检概率升高；当降低相关性检测的阈值时,虚检概率升高,漏检概率降低。所谓虚检(False Positive),就是将没有水印信号的数据误认为含有水印信号。所谓漏检(False Negative),就是未能从含有水印信号的数据中检测到水印信号。在实际的水印应用中,更注重对虚检概率的控制。
3.4 1.4  数字水印特点及分类
数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外,还有着其固有的特点和研究方法。例如,从信息安全的保密角度而言,隐藏的信息如果被破坏掉,系统可以视为安全的,因为秘密信息并未泄露；但是,在数字水印系统中,隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失,从而失去了版权保护的功能,这一系统就是失败的。数字水印应具有的特征随具体应用要求的不同而不同,但以下几个特征是通常的数字水印应具备的基本特征。
（1） 透明性（隐藏性）：经过一系列隐藏处理,不会导致目标数据可感知的降质现象,而隐藏的数据又无法人为地看见或听见。
（2） 鲁棒性（免疫性）：指阻抗各种信号处理操作和恶意攻击而不导致水印信息丢失的能力。所谓的信号处理操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、模糊、信号增强、有损压缩、几何变换、D/A或A/D转换等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。数字水印技术起源于信息隐藏技术,这一点可从它的隐藏性要求得到证实。
（3） 无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权,不会发生多重所有权的纠纷。
（4） 隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中,而非文件头等处,防止因格式变换而遭到破坏。
（5） 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。
（6） 计算效率：最后水印算法的效率也是应考虑的因素之一,水印算法应能用硬件或软件有效地实现。特别是水印算法的速度对分布式网络上的多媒体数据监视来说应足够快。
但数字水印技术并不等同于信息隐藏技术,两者的区别在于对强壮性的要求不同。信息隐藏一般依赖于一个假设：秘密通信在可以信任的双方之间发生,第三方并不知道存在这样的秘密信道。所以,信息隐藏的强壮性要求可以相对降低,也就是说,在数据经过改动之后,允许隐藏信息的丢失。而这个假设无法在数字水印应用中成立。恶意的攻击人不仅知道一个多媒体数据中含有水印,而且还想方设法地破坏它。而水印必须能够在一定限度内承受这种攻击而存留下来,这样才能实现有意义的版权保护。
数字水印的分类方法有很多种,分类的出发点不同导致了分类的不同,它们之间是既有联系又有区别的。最常见的分类方法包括以下几类：
（1） 可视水印与不可视水印：从外观上可将数字水印分为可视水印和不可视水印两类。如果嵌入的水印强度足够大,能够用肉眼直接观察到,则称之为可视水印。相较于不可视水印,可视水印[7,8]同样具有极大研究价值,它应满足如下一些原则：（A）水印自适应地保持半透明,不可对原图像造成太大的视觉影响；（B）水印必须是不可或极难擦除的。再者,对于可视水印来说,不存在水印的提取问题,因为水印是浮现在原始图像上的,起的是一种直观的版权信息告示,但同时又不能影响对原始图像作品的欣赏。所以可视水印鲁棒性分析主要集中如何抵抗盗版者试图去掉水印而又不损害原图像方面。可视水印的例子如图1.6所示。而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结合在一起,难以用肉眼观察到。由于多数数字水印的应用都具有隐形性的要求,因此对于不可视水印的研究相对多些,本文着重论述不可视水印。

（2） 易损水印和鲁棒水印：根据数字水印的鲁棒性特征将其分为易损水印和鲁棒水印。易损水印很容易被破坏,主要应用于完整性验证等应用之中,它随着对象的修改而破坏,哪怕细小的修改也会影响数字水印的提取和检测。鲁棒水印则应该经得起一般处理操作而存留下来,应用范围更加广泛,主要应用于版权保护中,是水印研究的重点。
（3） 空域水印和频域水印：直接在空域中对采样点的幅度值作出改变,嵌入水印信息的称为空域水印；对变换域中的系数进行改变（傅里叶系数、DCT系数、小波系数等）以嵌入水印信息的称为频域水印。一般来说频域算法可嵌入水印数据量大,透明性好,安全性高,但算法复杂度也高。现在水印算法大多集中在变换域部分。
（4） 非盲水印和盲水印：亦称为私有水印和公开水印。在提取或检测水印的过程中,如果需要原始数据来提取水印信号,称为非盲水印算法；如果不需要原始数据参与,可直接根据水印数据来提取出水印信号,称为盲水印算法。一般来说,非盲水印比盲水印具有更好的鲁棒性,但盲水印更符合所有权验证的需要,实用性更强,是水印算法发展的方向。
（5） 私钥水印和公钥水印：私钥水印只能被持有特定密钥持的人读取或检测,水印插入与水印提取或检测过程所使用的密钥相同；而公钥水印[6-8]允许公众利用公钥提取或检测水印以验证所有者,创作者或版权所有者利用一个私钥嵌入水印,但是利用公钥来推导私钥和利用公钥来去除水印这两个过程都非常困难。通常来说,公钥水印的安全性和强壮性比不上私钥水印,但公钥水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势,是水印发展的方向。公钥水印系统的突破必将极大地推进数字水印的实用化进程。
（6） 按照水印嵌入的载体不同,可将数字水印分为静态图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等。
3.4.1 
3.4.2 
3.4.3 
3.4.4 
3.4.5 
3.4.6 
3.4.7 
3.4.8 3.6.1  水印抗攻击性实验
  这些测试包括通用信号处理操作,如噪声叠加（随机噪声,高斯噪声等）,线性和非线性滤波包括中值滤波(radius = 1)、马赛克变换(2×2)、运动模糊(2×2),、高斯模糊、锐化、边缘增强,有损压缩等。我们地系统均能定位篡改地区域,其结果如图3.7所示。
    从实验结果可以看出,这些篡改的区域呈均匀分布或随机分布。我们将篡改区域, ,进行中值滤波(2×2) ,记为, ,这些区域大部分都将被删除。
因此,我们可以根据篡改矩阵中值的大小而确定水印图象是否遭受攻击。如果 中没有篡改区域,即 中－1的个数为0,我们说水印图象未遭受任何攻击,包括有损JPEG压缩；如果 中篡改区域的个数小于阈值 ,即 中－1的个数小于 ,我们可以确定水印图象遭受了一般的信号处理操作。
实验中,我们采用512×512的256级“lena”灰度图为原始图像,以一幅64×64的二值图像为水印,算法在matlab6.1上实现,攻击实验在Paintshop pro7上完成。每次在图像Hilbert序列中伪随机选取一1×8块进行水印嵌入与抽取,恢复水印与原嵌入水印之间的相似性采用公式(3-5)度量。公式(3-4)中β、I1、I2分别取值20%,80,180；公式（3-5）中a、b分别取值2、10；水印嵌入版本数num=8。下面是实验结果及其抗攻击性能分析。

       
(a)原始图像                             (b)含水印图像
                
(c)嵌入水印前后两图像差                   (d)水印图像