公路卡口监控系统中的图像防伪设计

山东建筑大学课 程 设 计 说 明 书题 目： 公路卡口监控系统中的图像防伪设计课 程： 数字图像处理课程设计院 （部）： 信息与电气工程学院专 业： 电子信息工程班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 山东建筑大学课程设计I目 录摘 要II1 设计目的和要求12 设计原理 22.1 数字水印概念 22.1.1 数字水印分类22.2.2 数字水印特点22.2 数字水印基本模型32.3 DCT 变换公式33 设计内容53.1 载体图像和水印的选取53.2 离散余弦变换的水印嵌入53.3 离散余弦变换的水印提取93.4 数字水印的抗攻击实验113.4.1 噪声攻击113.4.2 剪切攻击 133.4.3 滤波攻击 164 结论与致谢19参考文献20山东建筑大学课程设计II摘 要随着科技的发展公路卡口监控系统已经成为近些年来研究的热点，该系统不但可以掌握各出入口的车辆流量及状态，还能对违章车辆进行准确的记录等等。在各类刑事犯罪当中和机动车辆有关的案件为数不少，如交通肇事 逃逸、盗抢机动车辆等等，在进出市区的重要道路及高速公路的重点路段设立公路卡口监控系统将来往车辆的情况进行 24 小时不间断、无遗漏的记录下来并存入计算机，将为各地公安及交警部门破案提供重要线索。但是，在卡口监控系统中拍摄的交通肇事图片，可能会被别有用心的人进行替换或篡改而不留下任何痕迹，从而使图片不能用作证据。因此，图像防伪是一个迫切需要解决的问题，其中数字水印技术的发展为图像防伪做出了巨大贡献。数字水印技术近年来得到了较大的发展，基于变换域的水印技术是目前研究的热点。数字水印是利用数字作品中普遍存在的冗余数据和随机性，把标识版权的水印信息嵌入到数字作品中，从而可以起到保护数字作品的版权或其完整性的一种技术。关键词：卡口监控 图像防伪 数字水印 真伪鉴别山东建筑大学课程设计11 设计目的和要求随着经济的发展,人民生活水平的提高,汽车保有量大幅增加,怎样安全高效地对交通进行管理,就显得非常重要。视频监控系统可以帮助交警部门动态监控以及准确记录道路车辆及人员信息，提高道路安全管理水平，提升打击违法犯罪的战斗力，并为快速侦破案件提供科学、有效的依据。视频图像不仅是最直观的交通信息，同时也是信息量最大的交通信息源，“一幅图像胜过千言万语”。做为交通管理及执法部门所关心的交通信息，无一不是围绕着道路上的车辆和行人的信息。前不久，香港多位司机在深圳沿江高速驾驶豪车飙车，被深圳警方集体查扣的消息引发关注，在这类案件中，公路卡口监控系统起到了举足轻重的作用。但是，在卡口监控系统中拍摄的交通肇事图片，可能会被别有用心的人进行替换或篡改而不留下任何痕迹，从而使图片不能用作证据。本次设计就围绕着监控系统中的图像防伪技术展开。当下，数字水印技术发展迅猛，在公路卡口监控系统的图像防伪方面发挥着重要作用。本文就讨论监控视频中涉及到的水印生成，水印信息的嵌入与提取，图像真伪鉴别技术，并阐明其原理。此次课程设计借助计算机，运用 Matlab，Visio 等软件根据设计要求，设计系统流程图，编写程序，并完成最终调试。山东建筑大学课程设计22 设计原理2.1 数字水印概念数字水印（Digital Watermarking）技术是将一些标识信息 (即水印)直接嵌入数字载体当中( 包括多媒体、文档、软件等)或是间接表示(修改特定区域的结构)，且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改，但可以被生产方识别和辨认。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是实现版权保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。2.1.1 数字水印分类(1) 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和易损数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入标示信息。在发生版权纠纷时，标示信息用于保护数据的版权所有者。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性。易损水印，与鲁棒水印的要求相反，易损数字水印主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。易损水印必须对信号的改动很敏感，人们根据易损水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。(2) 按水印所附载的媒体划分可分为图像水印、文本水印、音频水印、视频水印及软件水印等。图像水印将水印信息嵌入到图像中，发生所有权争议时，通过提取、检测嵌入信息来证实所有权。图像水印利用人类视觉系统的特点，应用最为广泛。根据水印嵌入方式不同，图像水印算法主要分为时(空)域方法和变换域方法两类。2.1.2 数字水印特点数字水印技术基本上具有下面几个特点：安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，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有很强的抵抗性。隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用。鲁棒性：指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完山东建筑大学课程设计3整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移及有损压缩编码等。水印容量：是指载体在不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或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样便于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。2.2 数字水印基本模型数字水印的嵌入过程一般模型如图2-1-1所示：水印信息原始图像水印的嵌入 含有水印信息的图像图2-1-1 数字水印嵌入一般模型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。数字水印的提取过程一般模型如图2-1-2所示：原始信号待检信号抽检过程 提取水印 可读水印不可读水印原始水印相关性判断图2-1-2 数字水印提取一般模型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果。2.3 DCT 变换公式因为DCT 变换公式是这一算法的核心，有必要先了解一下DCT 正反变换公式。山东建筑大学课程设计4DCT 正反变换公式的核心是余弦变换，计算速度比较快，因图像处理所用的是二维变换，这里只给出二维的DCT 正反变换公式，二维DCT 正变换公式为：NyMxyxfvcuFNyMx 2)1(cos2)1(cos),()(),(10 ; ,. ,.其中：)(ucM211,0uNvc)(,v二维 DCT 反变换公式为： NvyMuxvuFcyxfMuv 2)1(cos2)1(os),()(),(10 ,;, N其中x，y 为空间采样值，u，v 为频域采样值。因为数字图像多用像素方阵来标识，即M=N，此时，二维DCT 正反变换可以简化为：NyxyxfvcuFNyx 2)1(cos2)1(cs),()(),(10 ,;1,0 vyuxvuFcyxfNuv 2)1(cos2)1(os),()(),(01 ,;, 山东建筑大学课程设计53 设计内容3.1 载体图像和水印的选取卡口监控系统中，通常对抓拍得到的数字信息以图像的形式存储起来，以便日后的调查取证，为此载体图像可选择抓拍到的图像，通常在图像中会包含具体的违章信息。水印的选择主要考虑两个方面：（1）用于图像的真实性鉴别，通常考虑嵌入抓拍机构的特有信息，比如印章图像，以便于图像在传输中遭受到某种篡改后，还能通过提取的水印来验证图像来源的真实性。（2）用于防止图像篡改，抓拍的图像在传输过程中可能会受到恶意篡改，例如更改违章车辆的车牌号码等信息，此时可以考虑把抓拍图像中的具体违章信息作为水印。3.2 离散余弦变换的水印嵌入选择水印算法时，一般要满足：安全性、隐蔽性和鲁棒性,由于抓拍图片均为彩色图像，而对彩色图像进行处理较为复杂，建议首先对图片进行灰度化处理。数字图像水印算法选择二值化灰度图像作为水印信息，根据水印图像的二值性选择不同的嵌入系数，并将载体图像进行 88 的分块，将数字水印的灰度值直接植入到载体灰度图像的 DCT 变换域中，实现水印的嵌入。具体方法如下：设 I 是 MN 大小的原始图像，J 是水印图像大小为 PQ，M 和 N 分别是 P 和 Q的偶数倍，把水印 J 加载到图像 I 中，算法分以下几步进行：(1) 将 I 分解为(M/8)(N/8)个 88 大小的方块 B；同时，J 也分解为 (M/8)(N/8)个(8P/M)(8Q/N)大小的方块 V； (2) 对每一个 B 进行 DFT 变换：DB=DFT(B)；(3) 加载水印对每一个 DB 和 V，s(i)为从 DB 的中频选出的加载的位置 ， 1i (8P/M)(8Q/N)， t(i)为水印 V 的位置坐标 ， 1i(8P/M)(8Q/N)，DB(s)=AV，其中 A 是加权系数 ,用 DB(s)来代替 DB，得到加载水印后的图像 DBC；4. 对以上得到的每一个 DBC 进行逆 DCT 变换：IDBC=IDCT(DBC) 并将各方块IDBC 合并为一个整图 I，即加载了水印的新图像。山东建筑大学课程设计6原始图像 I 水印图像J88 分块处理88 分块处理含水印的图像IDCT 变换水印的嵌入改变水印的嵌入深度选择加载位置改变水印信息形式DCT 变换图 2-4-1 DCT 变换的水印嵌入流程图3.2.1 程序与调试clear all; clc;start_time=cputime;% 读取水印图像 %I=imread(mark.jpg);%I=rgb2gray(I);I=double(I)/255; I=round(I);%显示水印图像%figure(1);imshow(I),title(水印图像)dimI=size(I);rm=dimI(1);cm=dimI(2);% 以下生成水印信息 %mark=I;alpha=20,k1=randn(1,8);k2=randn(1,8);山东建筑大学课程设计7a0=imread(xie.jpg);psnr_cover=double(a0);figure(2);imshow(a0,),title(原始图像);a0=rgb2gray(a0);r,c=size(a0);figure(3);imshow(a0,),title(灰度图像);cda0=blkproc(a0,8,8,dct2); %分块处理图片% 嵌入 %cda1=cda0; % cda1 = 256_256for i=1:dimI(1) % i=1:32for j=1:dimI(2) % j=1:32x=(i-1)*8;y=(j-1)*8;if mark(i,j)=1k=k1;elsek=k2; endcda1(x+1,y+8)=cda0(x+1,y+8)+alpha*k(1);cda1(x+2,y+7)=cda0(x+2,y+7)+alpha*k(2);cda1(x+3,y+6)=cda0(x+3,y+6)+alpha*k(3);cda1(x+4,y+5)=cda0(x+4,y+5)+alpha*k(4);cda1(x+5,y+4)=cda0(x+5,y+4)+alpha*k(5);cda1(x+6,y