基于小波变换的数字水印技术

届别2011届学号200714110332毕业设计（论文）基于小波变换的数字水印技术的研究姓名刘敏系别、专业物电系电子信息科学与技术导师姓名、职称戴勤讲师完成时间2011年04月2目录摘要.................................................IABSTRACT.................................................II1绪论...................................................11.1本文研究的目的和意义...................................11.2字水印技术的应用.......................................11.3国内外研究现状分析.....................................11.4本文的主要研究内容.....................................22数字水印的理论模型及分类.............................32.1数字水印的理论模型.....................................32.2数字水印的特点.........................................42.3数字水印的分类.........................................43图像的小波变换和置乱算法.............................53.1图像的小波变换算法.....................................53.2图像置乱算法..........................................134基于小波域的数字水印算法............................144.1基于Arnold变换的小波域数字水印算法...................154.2基于奇异值分解的小波域灰度数字水印算法................18结论.................................................21参考文献.................................................23致谢.................................................24I摘要通过对数字水印算法的研究和讨论，实现了基于小波变换的数字水印算法，并对相应的鲁棒性进行了测试。本文先介绍了数字水印的基本特征、原理以及国内外的研究现状等基本问题,给出了数字水印的基本模型，并根据水印的的不同特性进行了分类，为水印算法的提出，实现及测试提供了理论基础。作为实现数字水印算法理论的基础部分，本文介绍了小波变换的发展历程，小波和小波理论的基础定义。重点介绍了二维离散小波的分解和重构算法及其对静止图像的分解和重构的实现。另外还介绍了基于Arnold变换的置乱算法并进行了实现。针对小波域算法,论文结合图像置乱算法和奇异值分解算法，提出了小波域低、中频域的水印嵌入及提取算法，并进行了一系列鲁棒性测试。实验结果表明，所提出的算法中水印具有良好的不可见性，并能抵抗有损压缩、滤波及噪音等常见的图像处理，具有良好的鲁棒性。关键词：数字水印；图像处理；小波变换IIABSTRACTOnthebaseofresearchanddiscussionofdigitalwatermarkingalgorithms,thethesisdesignsandrealizesthestillimagedigitalwatermarkingalgorithminfrequencydomain,andtherobustnessisalsotested.Thefundamentals,suchasbasicfeatures,principles,classificationandthecurrentdevelopmentstatusofdigitalwatermarkingarcanalyzed,andthegeneralframeofdigitalwatermarkingisgiven,whichprovidetheoreticalbasisforthedigitalwatermarkingalgorithm’sproposal,realizationandtesting.Asthebaseofalgorithmictheoremofdigitalwatermarkingalgorithms,theprocessofdevelopment,basicdefinition,what’smore,two-dimensionwaveletdecompositionandreconstructionalgorithmsforthestillimagearegiven.ItalsodescribestheArnoldtransformationareintroducedandsimulated.Forpresentpopularwaveletdomainalgorithms,thewatermarkingandembeddingalgorithmsinlowandmiddledomains,associatedwithimagescramblingandsingularvaluedecompositionalgorithms,areproposedandtested.Theresultsofcomputersimulationshowthattheproposedwatermarkingalgorithmssatisfytherequirementsofrobustnessandtransparency.Bothofschemescanresistthecommonimageprocessingoperations,suchaslostcompression,filteringandnoise.Keywords:digitalwatermarking;imageprocessing;wavelettransform11绪论1.1本文研究的目的和意义随着信息技术和计算机网络通讯技术的发展，越来越多的信息通过网络进行传输，数字信息的技术变得越来越简单，这一方面促进了社会的发展，另一方面带来了新的问题。例如版权问题、票据防伪问题、声像信息篡改问题等式现在急需解决的问题。因此，如何能够继续应用internet的便利又能有效防止上叙问题的发生，以受到人们的高度重视。为了解决上叙问题，各国政府和信息产业部门都非常重视网络信息安全技术的研究和应用。随着计算机应用技术的不断提高，原来通过不断增加密匙的长度来提高系统密级的方法越来越不安全。特别是针对图像、视频和音频等多媒体信息的加密，传统的方法已经越远越力不从心。所以科学工作者提出了数字水印技术。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字的多媒体数据中嵌入隐藏标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的浏览器或者阅读器才能提取。数字水印技术的研究是基于计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信号处理等领域的发展。无论国内还是国外，数字水印技术的研究还很不成熟，很多问题有待解决。数字水印技术是目前国际学术界研究的一个前沿方向，一个非常有生命力的研究课题。1.2数字水印技术的应用水印技术的应用极为广泛，主要有以下7种应用领域：广播监控、所有者识别、所有权验证、交易跟踪、内容真伪鉴别、拷贝控制以及设备控制。1.3国内外研究现状分析1.3.1发展状况从公开发表的文献看，国际上在数字水印方面的研究刚开始不久，但由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，该技术研究的发展速度非常快。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。1998年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的AD报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、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、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工2学院、西班牙Vigo大学、IBM公司Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、CA公司、Sony公司、NEC研究所以及荷兰菲利浦公司等。1996年5月30日～6月1日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会。SPIE和IEEE的一些重要国际会议也开辟了相关的专题。我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1999年12月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。2000年1月，由国家“863”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。1.3.2算法状况自1986年以来，小波分析的理论、方法与应用的研究一直方兴未艾。作为一种数学工具，小波变换是对人们熟知的傅立叶变换和窗口傅立叶变换的一个重大突破，为信号分析、图像处理及其它非线性科学研究领域带来了革命性的影响。人类视觉系统（HVS）的文理特性和照亮掩蔽特性表明，纹理越复杂，背景的亮度越亮，人类视觉对其轻微变化就越不敏感。大量的研究表明，人眼在处理图像信号时，将图像滤波成若干的子带信号，他们占据不同的频率范围，即图像在HVS中被认为是由不同频率范围的信息组成。其特征为：人眼对反映局部结构的边缘和轮廓不敏感；对低频信号，表现出较高的灵敏度。HVS在同一品大范围对不同方向纹理细节信号等表现出不同的灵敏度，这一特点与小波变换的多分辨率分析具有一定的相似性。小波变换是傅立叶变换的发展，是空间和频率的局部变换，它在频域和时域同时具有良好的局部化特征。小波变换在图像处理中的基本思想是把图像进行多分辨率分解成不同的空间和独立的频率带的子图像，然后对子图像的系数进行处理。1.4本文的主要研究内容首先本论文针对数字书印技术的发展及其现状进行了讨论，然后引入小波变3幻的基本理论及图像置乱算法，作为实现数字水印算法的理论基础，接着分别基于空间域、变换域，设计并实现了图像数字水印算法研究。具体地，本文完成的工作主要包括以下几个方面：针对空域数字水印，给出了基于融合的数字水印算法及其实现了基于不重要平面替换的数字水印算法并进行了相应的水印鲁棒性测试。结合图像置乱及奇异值分解算法针对灰度数字图像分别提出了Aronld变换的小波域数字水印算法，基于小波域奇异值分解的数字水印算法以及基于离散小波变换的非盲水印算法，并对嵌入水印进行测试2数字水印的理论模型及分类2.1数字水印的理论模型现在学术界对数字水印算法的理解都是将一些不易察觉的具有随机特性的数据嵌入到图像频域或空域的系数上。从信号处理的角度看，嵌入水印可以看成是在强背景下迭加一个弱信号，由于人类视觉系统的分辨率受到一定的限制，只要迭加的信号幅度不超过HVS的对比门限，人眼就无法感觉到信号的存在，所以可以通过对原始图像进行一定调整，在不影响视觉效果的情况下嵌入一些水印信息。数字水印系统的一般模型如图1所示：