数字图像水印技术研究设计说明

1、题 目 数字图像水印技术研究 学生 许唤弟 学号 1113024015 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程1101班 指导教师 莉 _ 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2015 年 月 日34 / 41毕业论文设计任务书院(系) 物电学院 专业班级 通信1101 学生 许唤弟 一、毕业论文设计题目 数 字 图 像 水 印 技 术 研 究 二、毕业论文设计工作自 2015年 3月 5日 起至 2015 年 6 月 10 日止 三、毕业论文设计进行地点: 物电学院实验室 四、毕业论文设计的容要求：1、数字水印是实现保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。随着数字水印技术

2、的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，数字水印的基本应用领域是保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信，典型的水印算法是空域算法，这类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。这次毕业设计的任务是实现空域水印嵌入。 2、要求以论文形式提交设计成果，应掌握撰写毕业论文的方法， 应突出“目标，原理，方法，结论”的要素，对所

3、研究容作出详细有条理的阐述。 进度安排： 1-3周：查找资料，文献。 4-7周：研究现有空域水印算法原理，整理算法实现思路。 8-11周：根据算法在MATLAB下仿真实现对图像的水印嵌入和提取。 12-14周：分析试验结果，对比各种算法的优点和缺点，尝试改进算法。 15-17周：撰写毕业论文，完成毕业答辩。 指导教师 莉 系(教研室)系(教研室)主任签名批准日期接受论文 (设计)任务开始执行日期学生签名数字图像水印技术研究许唤弟（理工学院物理与电信工程学院通信1101班， 723000）指导教师：莉摘 要数字水印是近年来出现的数字产品的保护技术。可以标识著作者、所有者、使用者等，并携带有保护信

4、息和认证信息，目的是鉴别出非法复制和盗用的数字产品，保护数字产品的合法拷贝和传输。随着网络信息化进程的加速，对数字产品保护技术的要求日益迫切。因此，数字水印一经提出就成为热点问题，出现了许多数字水印方案，也有许多公司已推出了数字水印的产品。 本文介绍了数字水印技术的相关概念研究背景和近些年的研究动态，描述了数字水印的特征分类以与其应用。在介绍信息隐藏、数字水印的相关概念、特点基础上系统的论述了图像水印算法的通用模型。进而基于典型的空域数字水印算法过程，详细介绍用MATLAB实现数字水印的嵌入、提取和攻击测试的方法。数字水印的研究是从空间域开始的,LSB算法是空域算法中最具有代表性的。这种水印算

5、法的最大优点是信息嵌入和提取算法简单，执行速度快，缺点是鲁棒性差，我们还可以利用这种水印算法的脆弱性来进行文件的完整性检查。 最后，给出了未来可能的研究方向的一些建议。 关 键 词 保护 数字水印 空域 LSB算法 脆弱性Research of Digital image watermarking technologyXuHuandi( Grade2011,Class1101, Communication and Telecommunication Engineering Physics，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaa

6、nxi）Tutor: Chen LiAbstract: Digital watermark is a copyright protection technology of the digital products occurring in recent years, which can be identified by the author, owners, users, etc., It carries information of copyright protection and authentication , the purpose is to identify illegal cop

7、ying and piracy of digital products, to protect the legal copy and transportation of digital product. With the acceleration of network information process, the requirements of digital product copyright protection technology is becoming more and more urgent. Therefore, digital watermarking become a h

8、ot topic when it is proposed, many digital watermarking schemes occur . Many companies have introduced the digital watermark products.This paper introduces the concepts about the digital watermarking and the development of digital watermarking technologies,describes the basic characteristic,classifi

9、cation and application fields of digital watermarking. It then formulates the generic model of digital watermarking algorithm based on images and typical process of airspace digital watermarking algorithm. This paper introduces MATLAB digital watermark embedding and extraction and attack test method

10、.The digital watermarking algorithm based on LSB is introduced as a delegate of the digital watermarking algorithms based on special-domain.One of the advantages of this algorithm is that the information embedding and extraction method is simple,and its speed is fast , the defect is poor robustness.

11、 We can use its frangibility to detect the integrity of the original data.Finally, some suggests are given out on the possible research directions in the future.Keyword:copyright protection digital watermarking airspace algorithm based on LSB frangibility目录1绪论11.1课题研究的背景与意义11.2国外研究状况11.3目前研究存在的问题31.

12、4研究的若干关键方向31.4.1 理论研究31.4.2 应用研究42数字水印技术概述42.1数字水印的基本特征42.2数字水印的应用领域52.3 数字水印的分类52.4 数字水印技术原理和基本模型62.5典型数字水印算法分析82.5.1 空间域算法82.5.2 变换域算法92.5.3 两种不同域算法比较92.6数字水印面临的攻击103 LSB算法理论研究103.1 LSB算法介绍103.2 LSB算法原理与基本步骤113.3 LSB算法的实现113.3.1 嵌入算法的主要思路123.3.2 提取算法的主要思路124 在MATLAB下的仿真结果与分析124.1 嵌入水印后的运行结果124.2 提

13、取水印后的运行结果134.3 JPG格式图片的水印嵌入与提取144.4 LSB算法的再次验证154.5鲁棒性验证实验17结束语19致19参考文献21附录A: 外文文献原文22附录B: 外文文献翻译27附录C: 程序321绪论1.1课题研究的背景与意义伴随着高科技电子信息产业的飞速发展，到来了一个全新的数字化产品信息时代。网络和计算机的快速发展在很多方面改变了大家的生活。通信技术、多媒体、网络计算机技术发展技术的普与和运用，让人们对信息的需求从以前的单一文本数据逐渐扩伸到数字化文本、图像、音频、视频信号集成的多媒体信息。数字化的多媒体信息拥有的优点是质量高、易于存储、加工和复制等。多媒体信息存储

14、和传送技术的进步，使存储和传送数字化信息非常便捷，网络计算机技术在给人们应用这些资源带来方便的同时，在网络信息安全方面也提出了新的问题。因此引发的盗用问题和保护问题已成为越来越严重的社会问题。进而数字产品产权保护等方面问题就亟待解决。由此，数字水印技术也就产生了，并且在数字产品的产权保护方面起到了越来越重要的作用。 数字水印技术的最根本思想就是在原来的媒体数据中，比如说音频、视频、图像等，隐藏具有特定意义的附加信息作为标识，这些信息和原来的数据紧密结合，并和它一起被传送。在接收那一端，通过计算机水印信号就被提取出来而达到各种目的。由于它在知识保护、真伪辨别、秘密通信等领域有着广泛的应用前景，所

15、以数字水印技术已经成为一个非常重要的技术。数字水印被认为是抵抗多媒体盗用的“最后一道防线”。因此从数字水印技术本身来说，它具有非常广泛的应用前景和庞大的经济价值。数字产品的知识保护是数字水印发展最重要的动力，但是伴随着数字水印技术的快速发展，其应用的前景也是越来越广。总而言之，数字水印有下面这些主要的应用领域： （1） 知识保护：保护是最初提出数字水印技术的目的。数字作品拥有者用密钥产生一个水印，并将它嵌入到原来的数字作品中，这样可以保护其知识产权。如果该数字作品被盗版时，所有者可以通过数字水印的提取来保护自己的利益。数字水印技术的这种应用必须有较好的鲁棒性、安全性和不可见性。（2） 拷贝控制

16、：拷贝控制是一种防止数字产品被非法拷贝的保护机制，它不会允许没有授权的媒体拷贝。比如说在DVD播放系统中，就可以在原始视频信号中加入拷贝控制信息，从而达到控制使用的目的。（3） 认证：如果数字产品被应用于法庭、医学、新闻和商业等其他领域时，就需要判断它们的容是否被修改或者特殊处理过。其中易损水印的鲁捧性较低，所以在数字水印的运用中，可以用它来检验数字产品容是否具有完整性。（4） 指纹应用：为了防止没有授权的拷贝的非法销售，数字产品的所有者可以把不同的用户识别码作为像指纹一样的信息，加入到合法的产品中，当非法拷贝一旦被发现，就可以通过提取水印提取来确定它的根源。（5） 隐秘通信与其对抗：信息战的

17、重要组成部分是网络情报战，其最核心的容就是利用公用网络对数据进行传输。这个领域采用的传统方法加密方案，但是加密后的文件往往很混乱，很容易被攻击者注意。因此数字水印技术可以利用数字化信号对人的知觉冗余，进行各种信号隐藏，从而实现隐秘通信。在现实中，数字水印技术的这些应用为它的发展提供了动力，当然对于不同的应用，数字水印的特性也有不同的要求。1.2国外研究状况最早的数字水印算法是基于空域的算法，空间域方法指的是用各种方法直接对图像的像素值进行修改，把数字水印直接嵌入在原始数据上。第一个算法是由R Gvan Schgndel等人提出来的，这是一种比较典型的空域信息隐藏算法。比如后面的Patchwor

18、k算法是由麻省理工学院媒体实验室Walter Banderf等人提出来的。基于空域的数字水印算法能嵌入比较大的信息量，但是它的抗攻击能力不太好，所以最后慢慢被变换域算法所替代。变换域算法就是在把水印嵌入原始载体的显著区域。这块区域的隐蔽效果比较好，比空域算法能更好地抵抗攻击，并且保持了对人类知觉系统的不可察觉性，但变换域有较小的水印嵌入量。当今使用的主要变换域算法有：离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)、离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)。Deepa Kunclur和Dimitrios Hatzinakos对矩阵作

19、小波变换，然后水印信叠加到原始图像的小波变换系数上。由Ahmed等人发现的离散余弦交换广泛应用于变换图像编码，实际上，DCT是静止图像编码标准(Joint Photographic Experts Group,JPEG)和运动图像编码标准(Moving Pictures Experts Group，MPEG)的基础。还有Cox等人提出了基于图像全局变换的算法，主要贡献是他们明确提出只有加载在图像视觉敏感部分的数字水印才能有比较好的鲁棒性。其中基于分块的离散余弦变换是最常用的变换算法之一，最原始的基于分块的离散余弦变换数字水印是在原始数据上隐藏了一些二进制的信息。C.S.Hsu等人提出了一种基于

20、分块的离散余弦变换的数字水印算法，他们所选的水印是可识别的图像，而不会是一个个随机数。进行检验时，通过衡量提取出来的水印和原水印之间的相似度来判断是否加入了水印。伴随着快速发展的数字水印技术，许多研究所或者大学也逐渐从技术跟踪转为深入研究。其中具有代表性的有哈工大、大学、北邮等，都是国投入水印技术研究比较早，并且取得了比较的好成绩。图像水印技术的历史阶段大概可以分为两个：第一阶段是使用无意义水印，例如伪随机序列作为水印嵌入到原载体图像中，假如提取出来的水印序列有许多错误，那么只能通过统计决策来确定载体中是不是加有水印；第二阶段是使用有含义的图像水印，如果采用有含义的图像作为水印来嵌入，那么在检

21、测水印的过程中，假若其它原因致使提取的水印损坏，大家仍可通过知觉确认到底是不是含有水印。梅蕤蕤等提出的是彩色图像自适应的数字水印算法、江滨等提出的是基于彩色分量DCT域的数字图像水印算法。以上都采用的是有含义的图像作为水印信息嵌入到载体图像当中，并且原始载体使用了彩色的图像，这样使水印技术更加具有适用性。我国在1999年12月11日，第一届信息隐藏学术研讨会由电子技术应用研究所组织召开，迄今为止已经成功举办了六届，这在很大程度上促进了国水印技术的深入研究与快速发展。与此同时，国家也非常重视信息安全产业的健康发展，在2003年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于数字产品

22、产权保护(基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术)和个性化产品(证件)的防伪)等多项防盗版和防伪技术给以重点支持。为了推进我国在这一国际前沿领域发展水印技术，促进我国的研究人员在此领域的紧密合作与交流，在2005年10月12日至14日，第十二届全国图象图形学学术会议由中国图象图形学学会主办，中科院自动化所协办，在西郊宾馆召开，此次会议上再次强调了数字水印技术的重要性，尤其是在数字产品保护方面。1.3目前研究存在的问题作为国际学术界新兴的研究领域，数字水印在近十几年中己经得到了迅速发展，但发展仍然不成熟，尚有许多问题有待解决，理论基础依旧薄弱，大多数还是经验性的水印算法。认清当前数字水印

23、研究出现的问题对于指正水印算法的快速发展有着非常重要的意义1。部分学者对于水印系统的性能评价已经做了一些最初步的研究，但是当前仍然缺少评估水印系统性能合理性的通用标准，其中包含怎样客观地评价各种水印算法的性能，怎样通过可靠的标准来选择合适的水印方案，怎样对数字水印进行标准化的攻击测试，以与怎样进行标准化地分析测试的数据结果等。大部分水印算法根据经验值对整个图像均用一样强度水印嵌入，因此图像的所有部分所嵌入的水印能量都是一样的。但是由于没有充分考虑图像本来的局部特性和人的视觉特征，很容易造成某些分块引起了较大的失真是因为嵌入的水印能量过于大，而有些分块因为嵌入的水印能量太小而远远没有达到最小的图

24、像失真度。水印的两个非常重要特性是鲁棒性和不能感知性，自从数字水印技术提出以来，水印技术研究的其中一个主题就是对这两个特性的研究。当要设计一个比较完整的水印系统时，水印的鲁棒性、嵌入的可能水印能量以与水印不能感知性，它们之间必须达到平衡。这就成为一个比较难的课题，因为牵扯到设计鲁棒性的水印算法、构造水印和估计水印能量等。目前，大部分水印算法利用的是经验值，并没有从理论上解决此问题。1.4研究的若干关键方向1.4.1 理论研究对于理论研究，对于下面这些很有价值的问题，值得去深入的研究：(1) 选择宿主信号和嵌入位置。能不能从理论上去指导选择宿主信号，在理论指导下能不能找出水印信号嵌入的最佳的位置

25、等。(2) 水印嵌入的最大强度。期望嵌入水印的强度能尽可能的大是因为要提高水印抗攻击的能力。但假如嵌入水印的强度过于大，人们就能感觉出来，因此就破坏了原载体数据的质量。所以，能不能从理论上算出原来载体可以嵌入的最大的水印强度，并且在感官上能够不容易被察觉，以与对嵌入了水印以后的原载体质量的降低程度评估，这些问题的研究仍然很有意义。(3) 水印的安全性。目前数字水印的算法有许多，但是没有统一的准则能够找到哪些水印嵌入算法是安全的，哪些是很不安全的，或者哪些是相对比较安全的。对于这方面的研究也非常有意义。1.4.2 应用研究数字水印技术有着非常宽广的应用，当今比较活跃的研究系统有：图书馆电子资料水

26、印保护、票据水印防伪、数字产品电子交易、防伪水印等。伴随电子商务政务的逐渐展开，怎样综合运用数字水印技术和密码技术解决电子商务政务中的信息安全问题亟待解决2。对于水印系统的实际应用非常必要的是根据不同的应用制定其相应的水印标准。数字水印要得到更广泛的应用，那必须建立一系列的标准，比如水印的认证标准、嵌入水印的标准等，每种水印算法的评价都应该是建立在一定的标准之上。科学的测评体系是标准化工作的基础，假若没有一个公认的、符合需求的评价标准，技术方案之间就没有办法去比较优劣性，更谈不上去形成一个统一的技术准则。在数字水印技术的研究中，迄今为止都没有一个统一的被大家所接受的评价体系。要建立一个比较科学

27、的测评体系，就必须要有一个兼容各种信息隐藏与攻击算法的统一的理论框架，并且在这个框架的基础上构建测评的理论基础，确定测评的指标与它的理论值。水印的应用研究还包括对水印协议的研究。水印生成协议、水印嵌入协议都属于水印协议。一些具体应用系统的协议已经在研究中，但是水印协议的标准化还没有进行。2数字水印技术概述2.1数字水印的基本特征对于不同的用途，数字水印的要求各不一样3。常常我们要求数字水印应具有如下基本特征：（1）鲁棒性（Robustness）：字面意思为“强健性、坚固性、强壮性”。数字水印具备这些的特性时我们称它具有鲁棒性：当被保护的信息经过如传输、过滤操作、编码、放大、加入噪声等操作的改动

28、后，嵌入的信息应保持它的完整性，一般不能去除，并以一定的正确概率被检测到。当有敌意的第三方想要通过某些处理来去除或修改被嵌入的信息时，保护信息就会发生明显改变，从而达到对信息的保护作用，并提醒合法的所有者或使用者对其进行保护。如果对鲁棒性的要求不同，水印应用也就会有所不同，正常都能够抵抗一般的图像处理。对水印要求最强的是保护的鲁棒性水印，能够抵抗恶意性攻击，但不同的是，对易损的水印和注释的水印不需要特别强调对一些恶意攻击的抵御能力。（2）不可感知性（Imperceptibility）：不可感知的字面意思为“很难觉察，感觉不到”，是指水印信息在嵌入后，被保护的信息不应该引起原始被保护信息质量的大

29、幅下降和视觉效果的显著变化。这对于鲁棒和易损的不可见水印来说是一个最基本的要求。这种技术在实际操作中实现起来是比较困难的，其实从信息处理的角度看，不可感知性和鲁棒性是一对互相矛盾的特性，如果过多的注重这一方面，就会削弱另一方面的性能。所以在这两者之间必须进行折中。虽然这种技术很困难，但是它并不是不可能，因为人类的知觉系统也并不是特别精确，不可感知并不是绝对感觉不到的。现在，如果需要兼顾这两方面，通常人们是在“相对”不能感知的前提下尽量的去提升水印的鲁棒性。（3）可检测性：作品的作者或公证机构来提取或者检测数字水印。当作品发生问题纠纷时就可以通过对作品当中存在的水印信息进行提取从而确认作品的归属

30、权。如果一个水印不能具备可以检测性，那么这个水印也就失去了它的意义。 （4）安全性：数字水印的信息应该保证安全性，很难改变或伪造，与此同时，还应当有低误检测率。如果原来的容发生变化，水印应当也发生改变，从而可以检验到原来数据的改变。（5）嵌入容量(embedding capacity)：是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的水印信息量。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量希求很大。2.2数字水印的应用领域研究数字水印技术是与数字媒体的保护是密切相关的，当今数字水印技术应用非常广泛，概括起来主要包括下面几个方面4：（1）跟踪非法传播这是使用用户的信息作为水印嵌入到产品中，嵌入的这些水印信息就像

31、人的指纹或DNA基因一样，可以精确地区别每一个不一样的个体，所以又叫“指纹”。拷贝未经授权时，就可按照此拷贝恢复出的信息来确定它的具体来源，就可以找出传播者。（2）标题与注释将媒体的相关注释或标题等信息利用水印技术加入其中，方便自己或他人用。例如，在照片中加入拍摄的时间、地点、作者等；在音乐中隐藏乐典的简介、作曲、访问等。这种注释不用增加额外的带宽，并且很不容易丢失，所以这是一种比较理想的标识方式。（3）容保护一些应用中，拥有数字产品容的人可能会希望要卖的多媒体容能任意地预览，为了多招来顾客，但是需要注意的是，要防止这些容不会被其它人用于其它目的。因此，预览的容就被自动加上水印。数字水印的技术

32、因为自身的优点很多，很多的应用领域都在关注，但是目前技术自身还不能完全满足安全性和可用性等要求。然而在现代密码学的研究和不断发展的基础上，数字水印技术的应用有了很好的依靠。现代密码学所提供的特性是、认证、不可抵赖和完整性，利用这个可以设计比较安全的数字水印以便服务不同的应用领域5。2.3 数字水印的分类对数字水印的分类有很多种，按照不同的角度可以按照下面进行分类：（1）按能见性划分按水印是否能见划分，数字水印被分为可见水印和不可见水印。当需要当场声明一个数字产品的归属，威慑和约束盗版者，对于数字的产品进行宣传是就采用可见水印。不可见水印虽然不能够阻挡数字产品非法的复制与盗用，但是可以用它来证明

33、所有权，还可以作为鉴别和起诉非法侵权行为的证据。（2）按水印是否具有鲁棒性划分如果按照水印的鲁棒性，数字水印将分为脆弱数字水印和鲁棒数字水印。对多媒体的各种变换或处理都非常敏感的是脆弱水印；对各种处理操作和攻击均有较强的鲁棒性的叫做鲁棒水印，一个好的鲁棒水印算法甚至可以把水印从质量已被破坏的数字作品中提取出来；如果用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，就要在用鲁棒水印。如果是用于完整性认证和容保护就采用脆弱数字水印。按照脆弱水印的状态就可以判断数据是不是被改变，从而实现对多媒体的被破坏情况的定位或者跟踪。（3）按水印的容划分按容划分，数字水印分为有意义的水印和没有意义的水印。有意

34、义的水印指的是水印本身就是某个数字图像或着编码；没有意义的水印则只是对应一个序列号。对有意义的水印来说，优点在于，如果由于受到各种攻击或其它原因致使水印破损，人们仍可以通过知觉系统确认水印是否存在。但如果是无意义的水印，如果有错误，则只能通过统计决策来确定信息中水印还是否存在。（4）按水印要嵌入的空间划分按嵌入的空间来划分，数字水印被分为空域和频域水印。空间域水印的嵌入和提取，是通过修改图像的像素点强度或着图像的灰度值来实现，嵌入信息量大，但是很难抵抗常见图像处理的各种攻击与各种噪声干扰对它的影响，鲁棒性很差。频域的方法则是水印被添加到原始图像的某种变换系数中，可以与数据压缩标准，如JPEG等

35、兼容。所以，频域水印算法鲁棒性更强。（5）按用途划分不同的水印技术满足不同的应用需求。如果按水印的用途划分，我们将数字水印划分为、保护、票据防伪、篡改提示和隐藏标识水印。2.4 数字水印技术原理和基本模型所谓的数字水印，就是要嵌入在数字产品中的信号，可以是图像、符号、数字等一切可以作为标识的信息。它存在的原则是不破坏原数据的价值。数字水印指的是利用数字产品信息的冗余性，与多媒体容相关或不相关的一些标识信息被直接嵌入多媒体容中，并能够与时被检测或提取出来的技术。这种技术利用了人的知觉系统（HVS）的冗余特性6。如果是从图像处理的角度来看，嵌入水印信号的过程可以认为是在一个强背景（原始图像）下又叠

36、加一个弱信号（水印），前提是叠加的水印信号强度必须要低于HVS（Human Vision System）的对比度门限。因此，通过调整原始图像，就有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入信息。假设载体图像为，有待嵌入载体的水印信息为，实际上要嵌入的水印信号为,密钥为,水印的提取以与检测函数为,水印嵌入函数为F。这样的框架大致可以分为下面三步：步骤1：生成水印信号：按照不同的需求，有时候要对需要对水印信息进行预处理，最后水印信号形成。这样的过程可以表示为函数：(2-1)步骤2：嵌入水印信号：用一定的算法把水印信息加到图像的中，最终生成水印图像:(2-2)算法应该使得对原始图像做的改变最小，与此同时也要保

37、证鲁棒性很强。这一步是非常重要的。步骤3：水印的提取以与检测：从含水印图像中把水印完全恢复的过程叫做水印图像的提取；判断一个图像中特定的水印信号的存在性过程叫做水印的检测。水印的提取检测可表示为： (2-3）或者 (2-4)其中=0/1，0表示水印不存在，1表示存在。实际应用的水印技术整体设计方案可以用图2.1、图2.2来概括描述7。图2.1 水印的嵌入模型图2.2水印的提取模型图2.1为的嵌入水印信号模型8，水印信息是输入信号，原始信息，用来增强算法的安全性是密钥，实际应用的系统中至少使用一个密钥，但是有的甚至是用几个密钥结合来对水印信息加密或控制水印的嵌入位置。这样并不会影像水印的本来算法

38、。水印信息可以为任何形式的数据，原始信息可以为音频、图像或文本等，相应的水印信息经过嵌入算法的处理就被嵌入到原始信息当中去，最后就得到嵌入水印信息后的信息。图2.2为提取水印信息模型，等待检测的含水印的信息有可能受过攻击，在进行恢复水印信息时，可以按照所采用具体嵌入的方法不一样，选择应用和不应用原始信息和水印信息来恢复嵌入的水印信息。恢复的信号可与原始的水印信号进行相似度测量来判定水印信息是不是存在。2.5典型数字水印算法分析数字水印技术是一门相互交叉的学科，特点在于它横跨多科领域，以多科领域的思想、算法和概念为基础，是真正的一个快速发展的技术。研究者们研究数字水都是各用自学科的独特视角，从而

39、相继出现了各种各样的数字水印算法，数字水印系统的典型算法如下：2.5.1 空间域算法空间域算法是直接对图像的像素值进行修改，把水印直接加载在数据载体上。空间域算法嵌入的信息量比较大，最大缺点就在于鲁棒性比较差。(1) 最低有效位算法（Least Significant Bits,LSB）LSB算法是使用一定的密钥通过m序列发生器产生随机信号，接下来按照一定的规则排列成二维的水印信号，并且逐一在原始图像相应像素值的最低几位插入。但是因为水印信号隐藏在像素最不重要的最低位，这也就相当于是叠加了一个能量比较微弱的信号，正因为这样，视觉和听觉上也很难察觉。虽然LSB算法可以隐藏较大信息量，但因为用的是

40、图像不重要的像素位，它的鲁棒性很差，水印信息比较容易就被滤波、图像量化和几何变形等的操作破坏，无法满足对鲁棒性的要求，所以如今的数字水印技术中很少采用LSB算法。然而，因为它是一种较大数据量的信息隐藏的方法，LSB算法仍占据着很重要的地位9。(2) Patchwork算法基于统计理论的是Patchwork算法，具有特定统计特性的数字水印被嵌入到原始数据中。它的具体方法是图像随机选择N对像素点（ai,bj），然后每个ai 点的亮度值加l，bj 点的亮度值减l，保持整个图像的亮度保持不变。如果适当调整它的参数，就能有效地抵抗剪切、滤波和JPEG压缩等攻击，但对拷贝平均攻击抵抗力较弱，而且该方法嵌入

41、的信息量是有限的。(3) NEC算法这个算法是由NEC实验室的Cox等人提出来的，它的实现方法是，首先产生伪随机序列，该序列具是具有高斯N(0，1)分布的，其次对图像进行DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)DCT系数。算法的鲁棒性、安全性、透明性等都比较强。而且对该算法来说，水印信号应该嵌入到原始数据中人的感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N(0，1)的特征。空间域算法虽然有嵌入很大信息量的优点，但是因为它的鲁棒性比较差差，所以如今的数字水印系统已经很少使用它了。接下来所介绍的变换域的算法是目前所研究的热点算法。2.5.2 变换域

42、算法变换域（频域）方法是把图像用变换域来表示，它是采用利用特定的数学变换。如果利用变换域上来嵌入水印，信号能量就能扩散到空间域所有的像素上，这样可以保证水印的不能见性，而且抗攻击上网能力比较好。如今的算法研究多数是使用变换域的方法。(1)DCT变换数码率压缩需要常用的一个变换编码方法是离散余弦变换。DCT变换指的是是实数围，任何连续的实对称函数的傅立叶变换中只含有余弦项，所以要实现快速离散余弦变换可以用快速傅立叶变换算法。因为对于大多数图像，高频分量较小，加上人类知觉对高频成分失真不太敏感，因此可用更粗的量化。所以，传送变换系数的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。到达接收端以后要通过反

43、离散余弦变换再回到图像空间，虽然会有失真，但对于人类视觉来说还是可以接受的。(2)DWT变换由于MPEG-4与JPEG-2000缩标准的公布，出现越来越多的基于小波域的水印算法。一般是采用多级分解方法，把图像进行小波多级分解。图像经过一级小波分解后得到四个部分，左上为低频，右上为水平方向细节部分，左下为垂直方向细节部分，右下为对角线方向细节部分。由X.G.Xia等人提出来的塔式水印，对宿主图像作多层小波变换，并在每一层变换后在小波变换系数上加入水印10。对比于DCT，DWT具有以下优点：对一幅图像来说它具有多分辨率和分层次的特性，在解码过程中可以连续地从低分辨率过渡到高分辨率，而相比之下DCT

44、对一幅图像的分辨率只有一个，根据图像的区域不同频率来进行不同层次的分辨，这个不能做到；比较而言，DWT算法比DCT更接近人眼的视觉系统，所以在图像经过小波域编码的高比特率压缩后，比经过同样比特率的DCT要少很多扰动。2.5.3 两种不同域算法比较总的来说，变换域的方法具有以下优点：(1) 变换域中嵌入的所有水印信号能量是能够分布到空间域的所有像素上，这样才有利于保证水印的不能见性；(2) 在变换域，可以更便捷地结合人类视觉系统(HVS) 的某些特性（如频率掩蔽特性）到水印编码过程中，所以它的隐蔽性更好；(3) 变换域的方法可兼容国际数据压缩编码，从而易实现在压缩域(compressed dom

45、ain) 的水印算法，与此同时也能抵抗相应有损压缩。2.6数字水印面临的攻击与密码学类似，数字水印也是一个对抗性的研究领域。正因为有水印遭受攻击的存在，才有了水印算法研究的不断深入。除此之外，为了实现标准化的数字水印，必须安全测试各种水印算法。水印测试者不但要熟悉水印算法和水印攻击算法，而且还要学会从水印的算法理论入手定量分析水印的信息量和鲁棒性。水印的攻击可以分为主动和被动攻击。主动攻击目的是胡乱改变或着破坏水印，让合法用户也无法去读取水印信息，相比而言，被动的攻击则是试图去破解水印算法。我们常见的攻击方法有：（1）简单攻击：简单攻击就是指对图像进行各种各样的信号处理操作，试着去削弱甚至是删

46、除嵌入的水印信息，并不是去识别或着是分离水印。这样的操作有：图像压缩、图像剪裁、线性或着非线性滤波、叠加各类噪声与对图像的校正等。（2）迷惑攻击：迷惑攻击指的是试图去通过伪造原始图像和原始水印来迷惑归属，是针对可逆还有非盲水印而进行的一种攻击。防止这一攻击的最有效办法就是研究出不可逆水印嵌入算法。（3）抖动攻击：此方法是在信号加入抖动，如将图像分为多个部分，在每一部分随机复制或删除某些采样。此方法主要针对的是利用密钥定位水印嵌入位置的算法。（4）多文档攻击：此方法是利用的不同水印版本的原始载体数据，产生近似的图像数据（如平均法），以此来慢慢逼近进而恢复原始图像，与此同时，检测系统根本无法恢复出

47、水印信号。（5）协议攻击：这种攻击和上面的几种攻击手段不一样，它并不是针对具体的算法，不会破坏水印自身，而是根据不同的应用场合对数字水印的基本框架进行攻击。这种攻击手段虽然不破坏数字水印本身，但是却可以破坏水印与某些权利、义务之间的关系，所以它是一种针对应用协议的攻击。（6）跳跃攻击：跳跃攻击方要用于音频信号数字水印系统的攻击，其一般实现方法是在音频信号上加入、减去一个跳跃信号后，再将数据块按原来顺序重新组合起来。实验表明，在古典音乐信号中几乎感觉不到这种改变，但是却可以非常有效地阻止水印信号的检测定位，达到难以提取水印信号的目的。（7）马赛克攻击：由于通常的水印算法都要求原始图像的大小不小于

48、某个值，因此，攻击者将水印图像分割为若干很小的图像，再在浏览器中将这些子图像依次拼接起来，与含水印图像有一样的视觉效果。这里对数字水印面临的攻击进行了简单的介绍与分类。我们设计更加安全可靠的水印系统就要研究对数字水印系统的攻击11。3 LSB算法理论研究3.1 LSB算法介绍LSB（LeastSignificant Bits）算法：将秘密信息嵌入到载体图像像素值的最低有效位，也称最不显著位，改变这一位置对载体图像的品质影响最小。 LSB是一种比较典型的空域数据隐藏法，这个方法将特定的标识隐藏在数字音频和数字图像。拿图像数据来说，每一幅图像的每个像素都是以多比特的方式构成，尤其对于灰度图像，每个

49、像素通常是8位。然而在数字图像中，每个像素的各个位对图像的贡献不同。对于8位的灰度图像，每个像素的数字g可用公式表示为： (3-1)其中：i代表像素的第几位,bio，l。这样，就把整个图像分解为了8个位平面，LSB(最低有效位0)到MSB（最高有效位7）。从位平面的分布来看，随着位平面从低位到高位（即从位平面0到位平面7），图像的特征也渐渐变得复杂，细节也在不断的增加。到了低的位平面时，单纯从一幅位平面上已经不能看出图像的信息了。因为低位所代表的能量很少，改变低位对图像的质量没有太大的影响。LSB方是利用这一点在图像低位隐藏入水印信息。3.2 LSB算法原理与基本步骤LSB算法的基本原理：&#

50、160;替换空域的LSB，用来替换LSB的序列也就是需要加入的水印信息或者由水印信息生成的伪随机序列。因为水印信息嵌入的位置是LSB，为了满足不可见性，允许嵌入强度不可能太高的水印。然而LSB算法对一些操作非常敏感，因此LSB算法原来是用于脆弱性的水印的。 算法的基本步骤： 1.把得到的含有秘密信息的像素值十进制转换为相应的二进制数据；2.然后用二进制秘密信息中每一比特的信息替换与之相对应的原来载体数据的最低有效位；3.最后把得到的含秘密信息的二进制数据转换为十进制的像素值，这样就获得了含有秘密信息的图像。嵌入:选择一个载体元素的子集j1,j2,.jL(m),其中共有L(m)个元素，

51、用以信息隐藏信息的L(m)个Bit。然后在这个子集上执行替换操作，把最低比特用m替换。提取:找到嵌入信息的伪装元素的子集j1,j2,.jL(m),从这些伪装对象中抽取他们的最低比特位，排列组合后组成秘密信息。3.3 LSB算法的实现LSB算法的实现是比较简单的，首先，需要考虑嵌入的数据量，如果嵌入的是最低1位，那么可以嵌入的信息量是原始图像信息量的1/8,如果嵌入最低两位，则嵌入的信息量则是1/4。但是嵌入的信息量越大，对图像的视觉效果影像就会越大。在这里需要嵌入一个二值的图像。然后，适当的调整数字水印图像的大小和比特位数，以适应数据量的要求。最后，对原始图像中要使用的最低位置copy0，再将

52、数字水印数据嵌入到原始图像的最低位就可以了。下面通过MATLABR2009a 实现这一算法。这里选用一幅256灰度的图像，数字水印用“copyright”字样的二值图像。置0的方法是调用模2函数mod(a,2)，将得到的数值与原水印相减，从而得到最低位为0的图片。LSB 算法很简单，实现比较容易，同时还可以保证数字水印的不可见性，由于在最低位的每个像素值上都插入数字水印信息，所以有较大的信息嵌入量。LSB算法是一般嵌入到图像的最低一位着最低两位上，如果嵌入的位数太过多，就会轻易被人眼察觉。由于水印是位于图像不重要像素位上，因此鲁棒性较差。3.3.1 嵌入算法的主要思路图3.1 印的嵌入算法思路

53、图3.1是本次毕业设计采用的空域LSB算法水印嵌入的主要思路12。其中最重要的就是对水印图像的处理，因为在处理水印图像之前，读入的原始图像和水印图像都会确定它的尺寸，然后对水印图像进行处理，使之成为和原始图像尺寸一样的二值图像。在嵌入水印的时候，是嵌入到图像像素的8个位平面的最低有效位0。3.3.2 提取算法的主要思路图3.2 水印的提取算法思路 因为上面叙述的水印嵌入算法思路是把水印信息嵌入到图像像素值位平面的最低有效位，所以提取水印的时候应该也是在最低有效位上提取，将提取出来的水印序列转化为二维矩阵，形成提取出的水印图像，并且规定尺寸然后输出显示。4 在MATLAB下的仿真结果与分析4.1

54、 嵌入水印后的运行结果（1） 嵌入水印的时候，在这里选择的是384x384的bmp图片，名为“lena”,bmp是一种图像文件格式，与常见图像格式不同的是bmp属于典型的位图格式，因为此次图像水印嵌入是把水印嵌入到图像像素值的最低有效位，所以采用bmp格式的图片，根据水印嵌入算法与显示函数，得到原始图像和嵌入水印后的图像，如下图4.1和图4.2所示13。图4.1 原始图像图4.2 嵌入水印后的图像 结果如上图4.1和图4.2，图4.1表示的是原始图像，图4.2表示的是嵌入水印后的结果图像，通过图示显示，可知LSB算法的实现简单和保证水印的不可见性，通过肉眼是看不见两幅图的差异的，那么，怎样要验证水印信息是嵌入进去的，就要经过下文的提取进行验证。（2）将要嵌入到图像中的水印显示出来，此次设计采用的水印图片是267x107的带有“copyright”字样的灰度图片，如图4.3所示。图4.3 水印图像4.2 提取水印后的运行结果 通过提取水印的过程算法将水印从原始图像中提取出来，如图4.4。因为在嵌入水印的时候，其中对水印图像进行处理，使之成为和原始图像尺寸一样的二值图像1