(完整word版)数字图像水印matlab实现

论文独创性声明
本人所呈交的论文,是指导教师的指导下,独立进行研究和开发工作所取得的成果。

除文中已特别加以注明引用的内容外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并致谢。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担.
特此声明。

论文作者（签名)：
20 年月日
摘要
随着计算机网络的迅速发展,包括数字图像在内的数字媒体得到了广泛的应用,数字媒体的数据逐渐成为人们获取信息的重要来源，但随之而来出现了一系列如随意复制、编辑、非法传播数字图像的信息安全问题,数字媒体的版权保护问题变的日益突出,数字图像水印技术由此应用而生，已成为信息安全领域的一个研究热点.
本文比较系统地研究了数字水印技术在静止图像中的应用问题。

首先介绍了数字水印技术的发展背景，然后对数字水印的原理、特点、分类、典型算法、应用领域以及评价标准等等进行了简要的分析。

其次，本文主要是针对目前现有数字图像水印算法实现过程比较复杂，其中重点讨论关于DCT的数字图像水印技术的嵌入，提取和水印的攻击测试等.最后对数字图像水印的特征进行分析总结。

最终通过Matlab这一工具来实现其具体的过程.通过实验对比分析得到该种算法具有一定的可行性以及较好的鲁棒性。

关键词：数字图像水印，信息安全，DCT算法,Matlab.
Abstract
With the rapid development of computer network，digital media, including digital image has been widely used，digital media data gradually become an important source of obtaining information，but there's a series of such as free to copy, edit，illegal dissemination of digital image information security，copyright protection of digital media has become increasingly outstanding, digital image watermarking technology and the application, has become a research hotspot in the field of information security。

This paper systematically studies the problems of the application of digital watermarking in still images。

It first introduces the development background of digital watermarking，then the principle，characteristics，classification, application of digital watermarking field of typical algorithms, as well as the evaluation criteria and so on were analyzed briefly.Secondly, this paper is mainly aimed at the existing digital image watermarking algorithm is a complicated process, which focused on the digital image watermarking technology about DCT embedding, extraction, as well as the watermark attack test etc.。

Finally on the digital image watermarking characteristics were analyzed and summarized。

Finally through the tool of Matlab to realize the specific process。

Through comparative analysis of the experiment of the algorithm is feasible，and better robustness.
Key words: Digital image watermarking，Information security, DCT algorithm，Matlab.
目录
1 绪论 (1)
2 数字图像水印技术 (2)
2。

1数字图像水印技术的历史及国内外发展现状 (2)
2.2数字图像水印的分类和基本特征 (5)
2。

3数字图像水印的一般模型 (6)
2。

4数字图像水印的常见算法 (7)
2。

5数字图像水印技术的应用 (9)
3 MATLAB简介 (14)
3。

1MATLAB简介 (14)
3。

2MATLAB在数字图像水印中的应用 (14)
3。

2。

1数字图像水印技术 (14)
3.2。

2图像分析处理 (15)
3.3在数字图像水印实现中主要函数 (15)
3。

3。

1图像显示,读取和输出 (15)
3.3。

2变换频函数 (16)
3.3。

3攻击函数 (16)
3。

3。

4比较两图像相似度函数 (16)
4 数字图像水印攻击分析和评价标准 (18)
4.1影响性能的因素 (18)
4.2数字图像水印的常见攻击 (18)
5 数字图像水印的设计 (21)
5。

1离散余弦叶变换 (21)
5.2离散余弦变换水印嵌入算法及其框图 (23)
5。

3离散余弦变换水印提取算法及其框图 (25)
5.4水印的攻击测试程序与结果 (27)
5。

4。

1不同噪声攻击测试 (27)
5.4。

2JPEG压缩攻击测试 (30)
5.4.3高斯低通滤波攻击 (30)
5。

4.4其他攻击测试 (31)
5。

5实验结果分析 (32)
致谢 (38)
参考文献 (39)
附录 (40)
1 绪论
随着Internet的普及，信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性；数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到任何地方.在此情况下,这些数字形式的数据文件或作品使另有意图的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下复制和传播有版权的信息，例如,现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品,并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息,则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。

这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍,因此有关信息的安全保护问题也越来越备受我们的关注。

如何有效地防止数据的非法复制以及鉴别数字媒体的知识产权，成为亟待解决的问题。

Caronni在1993年提出了数字水印，并将其应用于数字图像。

数字水印技术提出虽然时间不长，但是由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展状况较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极参与或投资支持此方面的研究.后来将数字水印的概念扩展到电视图像等相关领域，数字水印技术因此成为一种版权保护的重要手段，得到了广泛的研究和应用[1].
数字图像水印技术是将一些标识信息(即数字图像水印）直接嵌入数字载体当中，例如包括多媒体、文档、软件等，但不影响原载体的使用价值以及外在的特性，也不容易被人的知觉系统，如视觉或者听觉系统觉察到.我们可以通过这些隐藏在载体中的信息，可以确认内容真正创建者、购买者、传送隐秘信息以及判断载体是否被篡改等相关问题。

数字图像水印是信息隐藏技术的重要研究方向之一。

从信号处理的角度看，既是在载体图像中嵌入数字水印，可以看着为在强背景（即原始公开图像）下叠加一个视觉上看不到的微弱信号(即水印图像)，由于人的视觉系统（Human Visual System,HVS）［1］分辨率受到一定的限制，只要保证叠加信号的幅度小于HVS的对比度门限，HVS就感觉不到信号的存在,因此，通过对载体对象作一定的调整变换，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一些信息。

本论文中首先介绍了有关数字图像水印的发展背景以及其应用,其次介绍了实现数字图像水印技术的工具Matlab，最后就是针对数字图像水印的设计,以及进行一定的对比分析。

在本设计中主要研究的是使用Matlab工具来实现数字图像水印的研究,主要包括数字图像水印的嵌入，提取，以及数字图像水印的攻击测试。

具体来说，就是在在原始图像上通过一定的处理，在其中加入一个视觉上看不到的图像水印来实现知识产权的保护以及确认信息的是否合法，对不合法攻击的防护能力等。

2 数字图像水印技术
2。

1 数字图像水印技术的历史及国内外发展现状
一般认为，数字水印起源于古老的水印技术.这里提到的“水印"技术是指传统水印，即印在传统载体上的水印，如纸币上的水印、邮票股票上的水印等，将它们对着光照我们可以看到其中隐藏的图像.这些传统的“水印"用来证明其内容的合法性。

大约700年前,纸水印便在意大利的Fabriano镇出现,这些纸水印是通过在纸模中加细线模板制造出来的。

纸在存在细线的区域会略微薄一些，这样也会更透明一些。

到了18世纪，在欧洲和美国制造的产品中，纸水印已经变
得相当的实用了。

水印被用作商标，记录纸张的生产日期,显示原始纸片的尺寸。

大约也是这个时期，水印开始用于钱和其它文件的防伪措施.纸水印的存在既不影响美感，也不影响纸张的使用。

中国是世界上最早发明造纸术的国家，也是最早使用纸币的国家。

宋真宗在位时（公元998－1021年），四川民间发明了“交子”。

交子正面都有票人的印记，有密码画押，票面金额在使用时填写,可以兑换，也可以流通。

可以说交子上的印文既包含水印技术也包含消隐技术。

数字水印技术自1993年被提出以来,由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究。

如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。

IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer电子公司和Sony公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。

国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议（例如IEEE，SPIE等）及一些国际权威学术期刊(例如Signal Processing等）相继出版了有关数字水印技术的专题。

1996年5月，国际第一届信息隐藏学术讨论会(International Information Hiding Workshop, IHW)在英国剑桥牛顿研究所召开,至今该研讨会已举办了五届。

在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。

1998年的国际图像处理大会（ICIP）上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论.由Martin Kutter创建的WatermarkingWorld已成为一个关于数字水印的著名网上论坛.
在20世纪90年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。

在图像水印方面,美国的Digimarc公司率先推出了第一个商用数字水印软件,而后又以插件形式将该软件集成到Adobe 公司的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中。

该公司还推出了媒体桥（Mediabridge）技术,利用这项技术用户只要将含有Digimarc水印信息的图片放在网络摄像机(web camera)前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。

AlpVision公司推出的LavelIt软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于Word文档、出版物,还是电子邮件或者网页，都
可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。

AlpVision的SafePaper是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。

SafePaper可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方、法律文书、契约等,还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名字、金额等，隐藏到数字水印中。

欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。

该开发计划名称为《TALISMAN(Tracing Authors Rights by Labeling Image Service and Monitoring Access Networks）》。

此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1995年9月开始进行，1998年8月结束,法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的11个通信与广播业者、研究单位和大学参加。

随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等,天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位.我国于1999年12月11日,由北京电子技术应用研究所组织,召开了第一届信息隐藏学术研讨会（CIHW)，至今已成功的举办了四届,很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。

同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视,在2003年的《科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》中，明确指出了对于“数字产品产权保护（基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术）”和“个性化产品（证件)的防伪(基于水印、编码、或挑战应答等技术)”等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。

现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2002年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司-—上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、PDF文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利.虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路,这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障
［2］.
2.2 数字图像水印的分类和基本特征
数字图像水印的分类从不同的角度上有着不同的划分.主要分为:
(1）从外观上分类，可分为可见水印和不可见水印。

可见水印是在载体可以看见的水印，与可视的纸张水印相似。

不可见水印是目前应用比较广泛的水印,它加在图像中，表面是很难察觉的,但当需要验证时，可以从中提取标记来证明所有者。

(2)按鲁棒性来分，可分为易脆水印和鲁棒水印。

所谓易脆水印即认证水印就是在保证数字媒体信息一定视、听觉质量的前提下，将与媒体内容相关或不相关的标志信息作为水印直接嵌入媒体内容中，当媒体内容需认证时,可将水印提出鉴定其是否真实完整。

鲁棒水印保证了当数字信息收到有意或者无意的处理或者攻击时,仍能够通过检测提取到确认版权的水印信息。

(3）按水印检测过程，可以分为盲水印、半盲水印和非盲水印。

非盲水印是在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与；半盲水印是不需要原始数据，但是需要原始水印进行检测：盲水印是不需要原始数掘与不要原始水印,只是需要密钥来检测.
一般认为数字图像水印应具有如下基本特征：
（1）不可见性。

透明性,是利用人类视觉和听觉的特性，即指因嵌入水印导致载体数据的变换对于观察者的视觉系统来讲是不可察觉的,最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。

经过隐藏处理，使带水印的作品与原先的作品在品质上没有明显的差异，不影响其欣赏性，也不影响其视觉效果。

（2）鲁棒性。

数字水印必须很难去掉,当然在理论上任何水印都可以去掉，只要对水印的嵌入过程有足够的了解,但是如果对水印的嵌入只是部分了解的话，任何破坏或消除水印的企图都应导致载体严重的降质而不可用.
（3）安全性。

数字水印应该能够抵抗各种蓄意的攻击，同时应很难被他人复制和伪造。

（4）有效性。

水印提取算法应高效,提取出的水印应能唯一标识版权所有者。

（5）抗窜改性。

与抗毁坏的鲁棒性不同，抗窜改性是指水印一旦嵌入到载体中，攻击者就很难改变或伪造。

鲁棒性要求高的应用,通常也需要很强的抗窜改性，在版权保护中，要达到
好的抗窜改性是比较困难的。

2.3 数字图像水印的一般模型
数字水印的一般模型如图2-1所示：
图2-1 数字水印嵌入过程
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。

图2—2 数字水印检测/抽取过程
如上图2—2所示，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.
2.4 数字图像水印的常见算法
近几年来数字水印技术研究取得了很大的进步，见诸于文献的水印算法很多，这里对一些典型的算法进行了分析.
（1）数字水印直接加载在原始数据上，还可以细分为如下几种方法:
最低有效位方法（LSB）
这是一种典型的空间域数据隐藏算法，L.F。

Tumer与R。

G。

VanSchyadel等先后利用此方法将特定的标记隐藏于数字音频和数字图像内。

该方法是利用原始数据的最低几位来隐藏信息(具体取多少位，以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则)。

LSB方法的优点是有较大的信息隐藏量，但采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，无法经受一些无损和有损的信息处理，而且如果确切地知道水印隐藏在几位LSB中,数字水印很容易被擦除或绕过［2］.
Patchwork方法及纹理块映射编码方法
这两种方法都是Bender等提出的。

Patchwork是一种基于统计的数字水印，其嵌入方法是任意选择N对图像点，在增加一点亮度的同时，降低另一点的亮度值。

该算法的隐藏性较好，并且对有损的JPEG和滤波!压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完全自动完成。

（2）变换域算法
基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。

这类技术一般基于常用的图像变换，基于局部或是全部的变换，这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT）、傅氏变换(FT或FFT）以及哈达马变换（Hadamardtransform）等等。

其中基于分块的DCT是最常用的变换之一，现在所采用的静止图像压缩标准JPEG也是基于分块DCT的.最早的基于分块DCT的一种数字水印技术方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块，在频域的中频上稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。

选择在中频分量编码是因为在高频编码易于被各种信号处理方法所破坏,而在低频编码
则由于人的视觉对低频分量很敏感，对低频分量的改变易于被察觉。

该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是稳健的。

另一种DCT数字水印算法是首先把图像分成8×8的不重叠像素块，在经过分块DCT变换后，即得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中.该算法是通过对选定的DCT系数进行微小变换以满足特定的关系，以此来表示一个比特的信息。

在水印信息提取时,则选取相同的DCT系数,并根据系数之间的关系抽取比特信息.除了上述有代表性的变换域算法外，还有一些变换域数字水印方法，它们当中有相当一部分都是上述算法的改进及发展,这其中有代表性的算法是I.Podichuk和ZengWenjun提出的算法。

他们的方法是基于静止图像的DCT变换或小波变换，研究视觉模型模块返回数字水印应加载在何处及每处可承受的JND （JustNoticeableDifference，恰好可察觉差别)的量值(加载数字水印的强度上限)，这种水印算法是自适应的［3]。

（3）压缩域算法
基于JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand）中有很大的实用价值。

相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。

下面介绍一种针对MPEG—2压缩视频数据流的数字水印方案。

虽然MPEG-2数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉,同时,在MPEG—2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。

对于输入的MPEG-2数据流而言,它可分为数据头信息、运动向量（用于运动补偿）和DCT编码信号块3部分,在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是,首先对DCT编码数据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化,以得到当前数据块的一个DCT系数;其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和Huffman编码,最后对新的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0进行比较，只在n1不大于n0的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字,这就保证了不增加视频数据流位率.该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号,而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来,为解决
此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形[4]。

(4）NEC算法
由NEC实验室的Cox等人提出其实现方法是首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N（0,1）分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做DCT 变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加）该图像除直流（DC）分量外的1000个最大的DCT 系数b5。

该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等.由于采用特殊的密钥因此可防止IBM 攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则即水印信号应该嵌入源数据中对入感觉最重要的部分:水印信号由独立同分布随机实数序列构成，该实数序列应该具有高斯分布N(O，1)分布的特征[5］。

2。

5 数字图像水印技术的应用
数字水印技术是刚刚兴起的一门数字信息安全的新技术，但是由于它具备的特殊优势和特性，自它被提出之后,就受到广大专家学者的认可,它的应用前景和应用领域非常巨大，总的来说,主要应用领域有：
（1)版权保护：目前版权保护可能是水印最主要的应用领域。

数字作品的所有者用密钥产生一个水印,并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。

当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依掘,从而保护所有者的权益.这要求水印必须具有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性［6］。

（2）票据防伪：随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现,使得纸币、支票以及其它票据的伪造变得更加容易。

目自订，美国、日本以及荷兰都在研究用于票据防伪的数字水印技术，其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，己经开始研究在彩色打印机和复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的水印，需要时可以实时地从扫捕票据中判断水印的有无，快速辨识伪。

另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像,网络安全技术成熟以后的各种电子票据等都需要进行非密码认证，数字水印技术可以为各种票据提供不可见的标志，从而大大增加了伪造的难度.。