第二讲(3)：数字水印技术-变换域算法

1、1 空间域水印：直接在载体数据上加载水印信息空间域水印：直接在载体数据上加载水印信息 LSB算法算法 拼凑算法拼凑算法 变换域水印：载体数据经过变换后添加水印信息变换域水印：载体数据经过变换后添加水印信息 NEC算法算法2 变换域算法：变换域算法： NEC算法算法 设计原理设计原理 算法描述算法描述 程序代码程序代码 性能分析性能分析 NEC算法（算法（ COX算法算法/ 基于扩频技术的算法基于扩频技术的算法） 在在DCT变换域嵌入水印变换域嵌入水印 考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？ I=imread(lena.bmp); J=dct2(I);2562

2、56* *256 256 灰度图像灰度图像lenalena DC系数系数 AC系数：低频系数、中频系数、高频系数系数：低频系数、中频系数、高频系数1 12 2256256: : :1 12 2256256 DC= DC(1+5%) DC= DC(1+25%) DC= DC(1+50%) ACL= ACL(1+5%) ACL= ACL(1+25%) ACL= ACL(1+50%) ACM= ACM(1+5%) ACM= ACM(1+25%) ACM= ACM(1+50%) ACH= ACH(1+5%) ACH= ACH(1+25%) ACH= ACH(1+50%) 考查考查DCT变换域中什么位置

3、适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？ 从水印不可见性考虑从水印不可见性考虑 将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的AC高频系数高频系数 从水印鲁棒性考虑从水印鲁棒性考虑 将水印嵌入什么位置？将水印嵌入什么位置？ 压缩的哪一步会造成图像数据的损失？压缩的哪一步会造成图像数据的损失？29221714241613141914121216111116C除以量化系数，取整除以量化系数，取整15000000000000000D56606159586059625759596157586059F含水印图像：含水印图像：DCTDCT变换变换1768. 08678. 02803. 07093. 071

4、25. 125. 24387. 025. 17803. 01713. 11768. 00592. 11056. 175. 15169. 425.236D 将水印嵌入将水印嵌入“经量化后被保存的经量化后被保存的DCT变换域系数变换域系数”可可以抵抗压缩攻击以抵抗压缩攻击 考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？ 从水印不可见性考虑从水印不可见性考虑 将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的AC高频系数高频系数 从水印鲁棒性考虑从水印鲁棒性考虑 将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的DC系数或系数或AC低频系数低频系数 为了解决水印不可见性和鲁棒性的矛盾，为

5、了解决水印不可见性和鲁棒性的矛盾，COX等人通等人通过类比通信中的过类比通信中的扩频技术扩频技术，将水印信息嵌入到图像的，将水印信息嵌入到图像的AC低频系数低频系数，产生了第一个基于扩频思想的数字水印，产生了第一个基于扩频思想的数字水印算法。算法。1768. 08678. 02803. 07093. 07125. 125. 24387. 025. 17803. 01713. 11768. 00592. 01056. 175. 15169. 525.236D55606159586059625759596157586060F56606159586059625759596157586059FDCTD

6、CT变换变换1768. 08678. 02803. 07093. 07125. 125. 24387. 025. 17803. 01713. 11768. 00592. 11056. 175. 15169. 425.236DIDCTIDCT变换变换IDCTIDCT变换变换DCTDCT变换变换1768. 01384. 12803. 09799. 04419. 125. 22146. 025. 17803. 08245. 11768. 04059. 03762. 175. 11702. 525.236D 扩展频谱通信（扩展频谱通信（spread spectrum communication） 起源

7、于通信系统，其理论基础来源于信息论和抗干起源于通信系统，其理论基础来源于信息论和抗干扰理论扰理论 是一种信息传输方式，其信号所占有的频带带宽远是一种信息传输方式，其信号所占有的频带带宽远大于信息必需的最小带宽，以此来改善通信质量，大于信息必需的最小带宽，以此来改善通信质量，保持可靠通信保持可靠通信 原始图像的原始图像的频域频域看作看作通信信道通信信道，水印水印看作通过信道看作通过信道传传输的信号输的信号，利用扩频通信原理，将，利用扩频通信原理，将1bit水印分布在图像水印分布在图像的多个感知重要频域系数（的多个感知重要频域系数（DCT变换域的变换域的AC低频系数）低频系数）中，加在每个频域系数

8、上的信号能量很小且不可随意中，加在每个频域系数上的信号能量很小且不可随意检测；水印检测时，需要知道水印的位置和内容，将检测；水印检测时，需要知道水印的位置和内容，将许多虚弱的信号集中起来得到水印。许多虚弱的信号集中起来得到水印。 水印的产生水印的产生 将将1bit水印扩展成能量小的水印序列水印扩展成能量小的水印序列 产生一个长度为产生一个长度为N的随机序列的随机序列W作为水印信息作为水印信息 水印的嵌入水印的嵌入 对图像数据进行二维对图像数据进行二维DCT变换变换 寻找最大的寻找最大的N个个DCT系数系数X用来携带水印信息用来携带水印信息 根据下式得到含水印的根据下式得到含水印的DCT系数系数

9、S Si=Xi (1+Wi)，其中，其中W是水印，是水印， 是尺度因子，用于控制是尺度因子，用于控制水印的嵌入强度水印的嵌入强度 嵌入强度越大，水印鲁棒性越强，但不可见性越差嵌入强度越大，水印鲁棒性越强，但不可见性越差 进行二维逆进行二维逆DCT变换，并将像素灰度值进行截断使变换，并将像素灰度值进行截断使其值位于其值位于0,255之间，从而得到含水印图像之间，从而得到含水印图像 NEC算法流程算法流程水印嵌入水印嵌入DCTDCT低频系低频系数数水印嵌入强度固定水印嵌入强度固定Si=Xi (1+Si=Xi (1+Wi)Wi) 水印的提取水印的提取 对接收到的可能含有水印的图像和原始图像做对接收到

10、的可能含有水印的图像和原始图像做DCT变换变换 找到可能含有水印信息的找到可能含有水印信息的N个个DCT系数，根据下式系数，根据下式提取水印信息提取水印信息W Wi =(Yi-Xi) /Xi，其中，其中Y是可能含有水印信息的是可能含有水印信息的n个个DCT系数系数 水印的检测水印的检测 通过下式计算原始水印通过下式计算原始水印W与提取水印与提取水印W之间的相似之间的相似程度程度sim(W,W) 然后将然后将sim(W,W)与预先设定的阈值进行比较，判断与预先设定的阈值进行比较，判断水印的存在与否。阈值可以通过实验的方法获得，水印的存在与否。阈值可以通过实验的方法获得，也可以通过一些统计和假设的

11、方法获得也可以通过一些统计和假设的方法获得WWWWWWsim) ,( %文件名文件名:COX_Embed.m %函数功能：将均匀分布的随机序列函数功能：将均匀分布的随机序列(水印信号水印信号)按照按照cox扩频方法嵌入到载体图像的扩频方法嵌入到载体图像的DCT系数中系数中 %格式格式:J = COX_Embed (I, W, alpha, N) %参数说明：参数说明： %I: 原始图像矩阵原始图像矩阵 %W:水印信息水印信息 %alpha: 水印强度水印强度 %N :嵌入水印长度嵌入水印长度 %J:嵌入水印图像矩阵嵌入水印图像矩阵index = FindNLargest (A, N);%ind

12、ex寻找到的寻找到的A中最大中最大N个值的坐标个值的坐标,index(1,:),行坐标行坐标;index(2,:),列坐标列坐标function J = Cox_Embed (I, W, alpha, N)m, n = size(I);If (m*n 0 1 0 0 - 1 0 0 1 - 1 1 0 1 - 1 0 1 0 - 1 1 1 0 - 0 0 1 1 - 0 1 1 1 - 0 假设开始只有一个细胞状态为1，下面给出这个串随时间的变化情况，这里“.”表示0。 细胞自动机有很多好的特性，包括自组织性、行为像人性等。 基于投票规则的细胞自动机: 状态状态: 0 或 1 邻居邻居: 中心的3*3 邻居 规则规则: 计数p表示中心的3*3 邻居中1 的个数（包括中心本身）, if P5, 中心设置为0, 否则设置为 1 种子：种子：3.4 自动产生的灰度图像自动产生的灰度图像 对初值敏感对初值敏感 具有不可逆性具有不可逆