基于Matlab的数字图像水印技术

基于Matlab 的数字图像水印技术

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摘要：数字水印技术涉及到许多图像处理算法以及数学计算工具等，如果用普通编程工具实现上述算法，需要要花费大量的时间，MathWorks公司推出的一种简单、高效、功能极强的高级语言——MATLAB语言，它具有高性能数值计算能力，可视化计算环境。只需短短的几行代码就可在MATLAB中解决许多复杂的计算问题。

关键字：图像处理，数字水印， MATLAB

0 引言

随着Internet的普及，信息的安全保护问题越来越备受关注。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，成为急需解决的问题。Caronni在1993年提出了数字水印，并将其应用于数字图像，后来，将数字水印的概念扩展到电视图像等领域，数字水印技术是一种版权保护的重要手段，得到了广泛的研究和应用。本文简要介绍一下基于Matlab的数字图像水印技术。介绍数字水印的原理以及使用方法，探索了基于离散余弦变换(DCT)的数字图像水印算法，并借助MATLAB，实现数字水印的嵌入、提取以及攻击测试。

1 数字水印技术

1.1 数字水印

数字水印（Digital Watermarking）技术是将一些标识信息(即数字水印)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，也不容易被人的知觉系统，如视觉或听觉系统觉察到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等。数字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，在载体图像中嵌入数字水印，可以视为在强背景(即原始公开图像)下叠加一个视觉上看不到的弱信号(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低于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。

1.2 数字水印技术的特点

数字水印技术大概具有以下几个方面的特点：

1.2.1 安全性

数字水印的信息应是安全的，很难篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，如果原内容发生变化，数字水印也发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加也有很强的抵抗性。

1.2.2 隐蔽性

数字水印应是不容易被察觉的，而且是不影响被保护数据的正常使用的，也不会降质的。

1.2.3 鲁棒性

是指在经历各种有意或无意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性，并且能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、A/D与D/A转换、重采样、剪切、位移、尺度变化和有损压缩编码等。主要被用于版权保护的数字水印易损水印（Fragile Watermarking），用于完整性保护，这种水印也是在内容数据中嵌入不可见的信息。如果内容发生改变时，这些水印信息也会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。1.2.4 水印容量

是指载体在没发生形变的前提下可嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷和保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求极大。

1.3 数字水印的应用领域

伴随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了相应扩展，数字水印的基本应用领域是版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信等。当数字水印应用于版权保护时，潜在的应用市场在包括电子商务、在线或离线地分发多媒体内容以及大规模的广播服务。数字水印用于隐藏标识时，可以在医学、制图、数字成像、数字图像监控、多媒体索引以及基于内容的检索等领域得到应用。数字水印的认证方面主要用于ID卡、信用卡、ATM卡等上面数字水印的安全不可见通信，将在国防和情报部门得到广泛的应用。多媒体技术的飞速发展和Internet的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化方面的问题，产生了许多新的研究热点，以下几个倍受关注的问题构成了数字水印的研究背景。

1.3.1 数字作品的知识产权保护

数字作品，如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画等的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，并且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法，给作品加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。“数字水印”利用数据隐藏原理，使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又能够达到版权保护的目的。目前，版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就使用了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中，集成了Digimarc公司的数字水印插件。实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，非常容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。

1.3.2 商务交易中的票据防伪

随着高质量图像的输入输出设备的发展，尤其是精度超过 1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。另一方面，在从传统商务向电子商务转变的过程中，会产生大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。尽管在网络安全技术成熟以后，各种电子票据还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而很大程度增加了伪造的难度。

1.3.3 证件真伪鉴别

信息隐藏技术可以在很大范围内应用，作为证件来说，每个人需要不只一个证件，证明个人身份的包括：身份证、护照、驾驶证、出入证等；证明某种能力的包括：各种学历证书、资格证书等。国内目前在证件防伪领域面临巨大的商机，因为缺少有效的措施，使得“造假”、“买假”、“用假”泛滥，已经严重地干扰了正常的经济秩序，对国家的形像也造成了不良影响。通过水印技术可以确认该证件的真伪，使得该证件无法仿造假。

2 高效并实用的工具——MATLAB

Matlab是当前在国内外十分流行的工程设计和系统仿真软件包。它是MathWorks公司在1982年推出的一套高性能的数值计算以及可视化的软件，它把数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示集于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。