基于MATLAB数字水印系统设计
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基于MATLAB数字水印系统设计
MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化 软件，其强大的图形功能以及丰富的图像 处理工具函数，使得MATLAB特别适合于图 像处理学习和应用。本章将结合数字水印 技术，重点介绍如何利用MATLAB实现图像 处理的基本功能。
基于MATLAB数字水印系统设计
1 2 3 4
• 数字水印技术大致可分为两类:如空间域方法和变 换域方法。空间域方法不复杂，不进行变换，,但 并不抗攻击。变换域水印技术比空间域方法是更 抗攻击。这是由于当图像逆小波变换,数字水印在 图像分布不规则,使得攻击者难以阅读或修改。在 变换域水印技术基于离散小波变换(DWT)数字水 印技术得到了越来越多的欢迎,因为DWT有多项 优于其他变换如渐进性和低码率传输、质量的可 伸缩性和感兴趣区域（ROI）编码的需求，在图 像压缩和数字水印的应用程序，可以被利用的更 高效和更通用的图像编码。基于离散小波变换 （DWT）更加满足于JPEG2000压缩标准的要求。
• 3)鲁棒性：鲁棒性是指在经历多种无意或有意的 信号处理过程后，数字水印仍能保持完整或仍能 被批准鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、 滤波处理、数模或模数转换、冲采样、剪切、位 移、尺度变化以及有损压缩编码等。 • 4)安全性：水印的安全性要求未授权者不能发现 数字产品中含有水印信息，或者算法安全性仅仅 依赖于密钥而不依赖于算法的保密性。 • 除以上基本特征外，在实际应用中，数字水印还 应该尽量满足以下要求： • 1)嵌入位置的安全性：指将水印信息嵌入于目标 数据中，而非文件头等处，防止由于格式的变化 而被破坏。
• message=imread('copyright.bmp');%读入图像 “copyright”，并转换成双精度数组 • message=imresize(message,[28,28]); • %message=rgb2gray(message); • imwrite(message,'copyright.bmp','bmp'); • figure,imshow(message); • message=double(message); • Mm=size(message,1); %计算图像的高度 • Nm=size(message,2); %计算图像的宽度 • n=Mm*Nm; • message=round(reshape(message,1,n)./256);%将 水印图像转变为1维行向量，message由0,1构成
2.1数字水印技术的特性
• 数字水印有很多特征，其中最主要的特征是可证 明性、保真度、安全性、鲁棒性及安全性，其主 要介绍如下： • 1)可证明性：水印应能为受到保护的信息产品的 版权归属提供完全可靠的证据。 • 2)保真度：即不可感知性是指视觉上或听觉上的 不可感知性，即是指因嵌入水印信息后导致载体 数据的变换而对于观察者的视觉或听觉系统来讲 应该是不可被察觉的。
• • • • • • • • • • •
fc_o=ones(1,c*d); for g=1:n for h=1:c*d if B(g)==fc(h) fc_o(h)=message(g); h=c*d; end end end message_vector=fc_o; watermarked_image=cover_object;
• for j=1:c • for i=1:d • pjhd(xx)=1/64*sum(sum(cover_object((1+(j1)*8:j*8),(1+(i-1)*8):i*8))); • fc(xx)=1/64*sum(sum((cover_object((1+(j1)*8:j*8),(1+(i-1)*8):i*8)-pjhd(xx)).^2)); • xx=xx+1; • end • end • A=sort(fc); %取出方差最大的前n块 • B=A((c*d-n+1):c*d); %将水印信息嵌入到方差 最大的前n块
• 2．按水印所附载的媒体划分 • 按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分 为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以 及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技 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。 • 3.按检测过程划分 • 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水 印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数 据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数 据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其 应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数 字水印大多数是盲水印。
• 时/空域水印是将水印信息直接叠加到载体信号的 时间域或者空间域之中；然而变换域水印是将水 印信息嵌入到变换域中，此时，水印提取也应该 在变换域进行。时（空）域水印算法在早期的研 究中使用的较多，一般实时性和复杂度等特点比 较好，但其鲁棒性比较差，主要用途是设计脆弱 水印与半脆弱水印；在变换域的水印算法具有良 好的鲁棒性较强和容量较大等特点，所以主要用 途是设计鲁棒水印，也可以与人类的知觉相互结 合从而使水印具有良好的保真度。
3、数字水印系统的组成
一个数字水印系统一般包括3个基本方面：水印的生 成、水印的嵌入和水印的提取或检测。数字水印 技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入 信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的 设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行 合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、 稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。而 作为水印信息的重要组成部分——密钥，则是每 个设计方案的一个重要特色所在。往往可以在信 息处理、嵌入点的选择和调制等不同环节入手完 成蜜月的嵌入。
• 印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水 印。票据防伪中的水印是相当特别的一种水印， 主要在票据的打印及在电子票据防伪中应用。一 般说，制造假币的人不能对票据中的图像修改的 过多，因此，尺度变换等操作是不在考虑范围内。 另外，票据的破损、图案模糊等地方也必须被考 虑，更要考虑快速检测的要求，在票据的防伪中 水印算法不可以过于复杂。版权标识中的水印是 当前数字水印研究中使用最多的一种。数字作品 既是一种商品也是知识产品，这种双重性即强调 水印隐蔽的特性又强调了水印的稳健的特性，然 而对数据容量的要求相对比较小。篡改提示水印 为脆弱水印的一类，其把保证宿主信号的完整性 及真实性为目的。隐蔽标识的水印主要是将被保
• 4．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 个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编 码；无意义水印则只对应于一个序列号。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。 • 5．按用途划分 • 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印 的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水
• rand('state',7); • pn_sequence_zero=round(rand(1,sum(sum(midba nd)))); %嵌入水印 • x=1;y=1; • for(kk=1:m) %分块DCT变换 • dct_block=dct2(cover_object(y:y+blocksize1,x:x+blocksize-1)); • II=1; • if(message_vector(kk)==0) • for ii=1:blocksize • for jj=1:blocksize • if(midband(jj,ii)==1)
• • • • • • • • • • •
程序代码如下： clear all; k=20; %设置水印强度 blocksize=8; %设置图像分块为8*8 midband=[ 0,0,0,1,1,1,1,0; 0,0,1,1,1,1,0,0; 0,1,1,1,1,0,0,0; 1,1,1,1,0,0,0,0; 1,1,1,0,0,0,0,0; 1,1,0,0,0,0,0,0; 1,0,0,0,0,0,0,0; 0,0,0,0,0,0,0,0 ];
• 密数据的标注进行隐藏，使保密数据不被非法使 用者使用。 • 6．按水印嵌入域划分 • 按水印的嵌入的位置，可以将其划分为时/空域水 印和变换域水印，其中根据变换域的不同，也分 为离散余弦变换（discrete cosine transform,DCT） 域水印、离散傅里叶变换（discrete Fourier transform,DFT）域水印和离散小波变换 （discrete wavelettransform,DWT）域水印，以 及哈德码变换域水印、Fresnel变换域水印、 Zernike变换域水印和奇异值分解（singular value decomposition,SVD）域水印等。
• 2)通用性：比较好水印算法大多都实用于多类媒 体格式与文件格式。通用性在特定程度上也代表 易用性。 • 3)计算效率高：在软件和硬件方面，水印算法也 应该能被有效的实现。需要特别注意的是，在分 布式网络上的多媒体数据监视方面，水印检测算 法的能够快速完成。
2.2数字水印技术的分类
• 数字水印的分类方法有很多种，不同的出发点导 致了不同的分类，他们之间既有联系又有区别， 本文主要介绍按水印的嵌入域划分。 • 1．按特性划分 • 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印 和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在 数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号 等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑 处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁 棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动 很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数 据是否被篡改过。
4、设计实现及测试
1基于DCT域的鲁棒水印 水印的嵌入 基于DCT的鲁棒水印嵌入流程图
• 具体步骤： • ① 原始图像的分块DCT变换 • 将原始图像分割为互不覆盖的8×8子块，再对每 个子 块进行DCT变换。 • பைடு நூலகம் 基于纹理掩蔽特性的块分类 • 将水印信号尽可能嵌入到图像中纹理较复杂的子 块。 • ③ 水印的产生和嵌入 • 将二值水印图像组成一维行向量，作为水印信息。 采 • 用折衷办法,将水印信息嵌入到宿主图像的中频部 分
• dct_block(jj,ii)=dct_block(jj,ii)+k*pn_sequence_ze ro(II); • II=II+1; • end • end • end • end • %分块DCT反变换 • watermarked_image(y:y+blocksize1,x:x+blocksize-1)=idct2(dct_block); • if(x+blocksize)>=Nc
• cover_object=imread('lena.bmp');%读入原始宿主 图像，并转换成双精度数组 • %cover_object=rgb2gray(cover_object); • figure,imshow(cover_object); • imwrite(cover_object,'lena.bmp','bmp'); • cover_object=double(cover_object); • Mc=size(cover_object,1); %计算原始宿主图像的 高度 • Nc=size(cover_object,2); %计算原始宿主图像的 宽度 • c=round(Mc/8);d=round(Nc/8);m=c*d; %计 算图像划分的图像块 • xx=1;
数字水印简介 数字水印技术的特征及分类 数字水印系统的组成部分 设计实现及测试
1 数字水印简介
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，并且不能被人的感知系统察觉或注意 到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取的一 种技术。其中的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信息，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、合法使用人等对数字产品的拥有权。
MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化 软件，其强大的图形功能以及丰富的图像 处理工具函数，使得MATLAB特别适合于图 像处理学习和应用。本章将结合数字水印 技术，重点介绍如何利用MATLAB实现图像 处理的基本功能。
基于MATLAB数字水印系统设计
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• 数字水印技术大致可分为两类:如空间域方法和变 换域方法。空间域方法不复杂，不进行变换，,但 并不抗攻击。变换域水印技术比空间域方法是更 抗攻击。这是由于当图像逆小波变换,数字水印在 图像分布不规则,使得攻击者难以阅读或修改。在 变换域水印技术基于离散小波变换(DWT)数字水 印技术得到了越来越多的欢迎,因为DWT有多项 优于其他变换如渐进性和低码率传输、质量的可 伸缩性和感兴趣区域（ROI）编码的需求，在图 像压缩和数字水印的应用程序，可以被利用的更 高效和更通用的图像编码。基于离散小波变换 （DWT）更加满足于JPEG2000压缩标准的要求。
• 3)鲁棒性：鲁棒性是指在经历多种无意或有意的 信号处理过程后，数字水印仍能保持完整或仍能 被批准鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、 滤波处理、数模或模数转换、冲采样、剪切、位 移、尺度变化以及有损压缩编码等。 • 4)安全性：水印的安全性要求未授权者不能发现 数字产品中含有水印信息，或者算法安全性仅仅 依赖于密钥而不依赖于算法的保密性。 • 除以上基本特征外，在实际应用中，数字水印还 应该尽量满足以下要求： • 1)嵌入位置的安全性：指将水印信息嵌入于目标 数据中，而非文件头等处，防止由于格式的变化 而被破坏。
• message=imread('copyright.bmp');%读入图像 “copyright”，并转换成双精度数组 • message=imresize(message,[28,28]); • %message=rgb2gray(message); • imwrite(message,'copyright.bmp','bmp'); • figure,imshow(message); • message=double(message); • Mm=size(message,1); %计算图像的高度 • Nm=size(message,2); %计算图像的宽度 • n=Mm*Nm; • message=round(reshape(message,1,n)./256);%将 水印图像转变为1维行向量，message由0,1构成
2.1数字水印技术的特性
• 数字水印有很多特征，其中最主要的特征是可证 明性、保真度、安全性、鲁棒性及安全性，其主 要介绍如下： • 1)可证明性：水印应能为受到保护的信息产品的 版权归属提供完全可靠的证据。 • 2)保真度：即不可感知性是指视觉上或听觉上的 不可感知性，即是指因嵌入水印信息后导致载体 数据的变换而对于观察者的视觉或听觉系统来讲 应该是不可被察觉的。
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fc_o=ones(1,c*d); for g=1:n for h=1:c*d if B(g)==fc(h) fc_o(h)=message(g); h=c*d; end end end message_vector=fc_o; watermarked_image=cover_object;
• for j=1:c • for i=1:d • pjhd(xx)=1/64*sum(sum(cover_object((1+(j1)*8:j*8),(1+(i-1)*8):i*8))); • fc(xx)=1/64*sum(sum((cover_object((1+(j1)*8:j*8),(1+(i-1)*8):i*8)-pjhd(xx)).^2)); • xx=xx+1; • end • end • A=sort(fc); %取出方差最大的前n块 • B=A((c*d-n+1):c*d); %将水印信息嵌入到方差 最大的前n块
• 2．按水印所附载的媒体划分 • 按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分 为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以 及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技 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。 • 3.按检测过程划分 • 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水 印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数 据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数 据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其 应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数 字水印大多数是盲水印。
• 时/空域水印是将水印信息直接叠加到载体信号的 时间域或者空间域之中；然而变换域水印是将水 印信息嵌入到变换域中，此时，水印提取也应该 在变换域进行。时（空）域水印算法在早期的研 究中使用的较多，一般实时性和复杂度等特点比 较好，但其鲁棒性比较差，主要用途是设计脆弱 水印与半脆弱水印；在变换域的水印算法具有良 好的鲁棒性较强和容量较大等特点，所以主要用 途是设计鲁棒水印，也可以与人类的知觉相互结 合从而使水印具有良好的保真度。
3、数字水印系统的组成
一个数字水印系统一般包括3个基本方面：水印的生 成、水印的嵌入和水印的提取或检测。数字水印 技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入 信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的 设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行 合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、 稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。而 作为水印信息的重要组成部分——密钥，则是每 个设计方案的一个重要特色所在。往往可以在信 息处理、嵌入点的选择和调制等不同环节入手完 成蜜月的嵌入。
• 印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水 印。票据防伪中的水印是相当特别的一种水印， 主要在票据的打印及在电子票据防伪中应用。一 般说，制造假币的人不能对票据中的图像修改的 过多，因此，尺度变换等操作是不在考虑范围内。 另外，票据的破损、图案模糊等地方也必须被考 虑，更要考虑快速检测的要求，在票据的防伪中 水印算法不可以过于复杂。版权标识中的水印是 当前数字水印研究中使用最多的一种。数字作品 既是一种商品也是知识产品，这种双重性即强调 水印隐蔽的特性又强调了水印的稳健的特性，然 而对数据容量的要求相对比较小。篡改提示水印 为脆弱水印的一类，其把保证宿主信号的完整性 及真实性为目的。隐蔽标识的水印主要是将被保
• 4．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 个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编 码；无意义水印则只对应于一个序列号。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。 • 5．按用途划分 • 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印 的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水
• rand('state',7); • pn_sequence_zero=round(rand(1,sum(sum(midba nd)))); %嵌入水印 • x=1;y=1; • for(kk=1:m) %分块DCT变换 • dct_block=dct2(cover_object(y:y+blocksize1,x:x+blocksize-1)); • II=1; • if(message_vector(kk)==0) • for ii=1:blocksize • for jj=1:blocksize • if(midband(jj,ii)==1)
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程序代码如下： clear all; k=20; %设置水印强度 blocksize=8; %设置图像分块为8*8 midband=[ 0,0,0,1,1,1,1,0; 0,0,1,1,1,1,0,0; 0,1,1,1,1,0,0,0; 1,1,1,1,0,0,0,0; 1,1,1,0,0,0,0,0; 1,1,0,0,0,0,0,0; 1,0,0,0,0,0,0,0; 0,0,0,0,0,0,0,0 ];
• 密数据的标注进行隐藏，使保密数据不被非法使 用者使用。 • 6．按水印嵌入域划分 • 按水印的嵌入的位置，可以将其划分为时/空域水 印和变换域水印，其中根据变换域的不同，也分 为离散余弦变换（discrete cosine transform,DCT） 域水印、离散傅里叶变换（discrete Fourier transform,DFT）域水印和离散小波变换 （discrete wavelettransform,DWT）域水印，以 及哈德码变换域水印、Fresnel变换域水印、 Zernike变换域水印和奇异值分解（singular value decomposition,SVD）域水印等。
• 2)通用性：比较好水印算法大多都实用于多类媒 体格式与文件格式。通用性在特定程度上也代表 易用性。 • 3)计算效率高：在软件和硬件方面，水印算法也 应该能被有效的实现。需要特别注意的是，在分 布式网络上的多媒体数据监视方面，水印检测算 法的能够快速完成。
2.2数字水印技术的分类
• 数字水印的分类方法有很多种，不同的出发点导 致了不同的分类，他们之间既有联系又有区别， 本文主要介绍按水印的嵌入域划分。 • 1．按特性划分 • 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印 和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在 数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号 等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑 处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁 棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动 很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数 据是否被篡改过。
4、设计实现及测试
1基于DCT域的鲁棒水印 水印的嵌入 基于DCT的鲁棒水印嵌入流程图
• 具体步骤： • ① 原始图像的分块DCT变换 • 将原始图像分割为互不覆盖的8×8子块，再对每 个子 块进行DCT变换。 • பைடு நூலகம் 基于纹理掩蔽特性的块分类 • 将水印信号尽可能嵌入到图像中纹理较复杂的子 块。 • ③ 水印的产生和嵌入 • 将二值水印图像组成一维行向量，作为水印信息。 采 • 用折衷办法,将水印信息嵌入到宿主图像的中频部 分
• dct_block(jj,ii)=dct_block(jj,ii)+k*pn_sequence_ze ro(II); • II=II+1; • end • end • end • end • %分块DCT反变换 • watermarked_image(y:y+blocksize1,x:x+blocksize-1)=idct2(dct_block); • if(x+blocksize)>=Nc
• cover_object=imread('lena.bmp');%读入原始宿主 图像，并转换成双精度数组 • %cover_object=rgb2gray(cover_object); • figure,imshow(cover_object); • imwrite(cover_object,'lena.bmp','bmp'); • cover_object=double(cover_object); • Mc=size(cover_object,1); %计算原始宿主图像的 高度 • Nc=size(cover_object,2); %计算原始宿主图像的 宽度 • c=round(Mc/8);d=round(Nc/8);m=c*d; %计 算图像划分的图像块 • xx=1;
数字水印简介 数字水印技术的特征及分类 数字水印系统的组成部分 设计实现及测试
1 数字水印简介
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，并且不能被人的感知系统察觉或注意 到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取的一 种技术。其中的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信息，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、合法使用人等对数字产品的拥有权。