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数字水印算法设计.doc
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武汉理工大学《信息处理课群综合训练与设计》课程设计
课程设计任务书
学生姓名: 专业班级:
指导教师: 工作单位: 信息工程学院
题 目: 数字水印算法设计
初始条件:
MATLAB软件平台、版权图像、水印图像
要求完成的主要任务:
1. 设计任务
学习掌握一种数字水印算法,选择两幅图像分别作为版权图像和水印图像,采
用水印嵌入算法成生含水印图像。采用水印提取算法,提取出嵌入水印。并对水印算
法的鲁棒性进行测试。
2. 设计要求
① 掌握一种数字水印的嵌入与提取算法原理。
② 编写出水印嵌入算法的matlab程序,并给出水印嵌入前后的版权图像,并对嵌
入效果进行分析说明。
③ 编写出水印提取算法matlab程序,并给出水印原图和提取出的水印图像,并对
水印的提取效果进行分析说明。
④ 进行水印的抗攻击实验,噪声攻击,剪切攻击,缩放攻击,压缩攻击等。测
定提取前后水印的峰值信噪比(PSNR)和相关性(NC)
时间安排:
第18-19周。
指导教师签名: 年 月 日
系主任签名: 年 月 日
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武汉理工大学《信息处理课群综合训练与设计》课程设计
目 录
摘 要..................................................................................................................................................................1
Abstract..............................................................................................................................................................1
1 数字水印概念................................................................................................................................................2
1.1 数字水印分类.....................................................................................................................................2
1.2 数字水印作用....................................................................................................................................3
1.3 数字水印研究现状及未来................................................................................................................4
2 数字水印算法................................................................................................................................................4
2.1 数字水印基本原理............................................................................................................................4
2.2 数字水印通用模型............................................................................................................................5
2.3 典型数字水印算法............................................................................................................................6
2.3.1 基于空域的数字水印算法.......................................................................................................6
2.3.2 基于频域的数字水印算法.......................................................................................................7
2.3.3 基于压缩域的数字水印算法...................................................................................................7
2.3.4 NEC算法..................................................................................................................................8
2.3.5 生理模型算法..........................................................................................................................8
2.4 离散余弦变换(DCT)算法............................................................................................................8
2.4.1 DCT变换公式..........................................................................................................................8
2.4.2 二维DCT的性质......................................................................................................................9
2.5 离散余弦变换的水印嵌入..............................................................................................................10
2.6 离散余弦变换的水印提取..............................................................................................................10
3 数字水印算法的MATLAB编程..................................................................................................................11
3.1 数字水印的嵌入..............................................................................................................................11
3.2 数字水印的提取..............................................................................................................................13
4 数字水印的抗攻击实验..............................................................................................................................14
4.1 噪声攻击..........................................................................................................................................15
4.2 滤波攻击..........................................................................................................................................16
4.3 压缩攻击..........................................................................................................................................17
4.4 剪切攻击..........................................................................................................................................17
4.5 旋转攻击..........................................................................................................................................18
4.6 探究嵌入因子对实验的影响..........................................................................................................19
5 小结与体会..................................................................................................................................................20
参考文献.........................................................................................................................................................21
附录.................................................................................................................................................................21
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武汉理工大学《信息处理课群综合训练与设计》课程设计
摘 要
现今数字时代的到来,多媒体数字世界丰富多彩,数字产品几乎影响到每一个人的日
常生活。所谓“数字水印”是往多媒体数据中添加的某些数字信息,比如将在数码相片中添
加摄制者的信息,在数字影碟中添加电影公司的信息等等。与普通水印的特性类似,数字
水印在多媒体数据中(如数码相片)也几乎是不可见的,也很难被破坏掉。因此数字水印
在今天的计算机和互联网时代大有可为。
数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点: 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;不会降质;鲁
棒性:是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、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印易损水印
(Fragile Watermarking),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。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,
这样有利于解决版权纠纷,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,对水印的容量需求很大。
关键词:数字水印、鲁棒性、MATLAB
Abstract
Digit a l wate rmark ( Digi tal Wa term ar ki ng ) te ch no logy i s t o so m e ide nt if yi ng i nf or ma ti on
( D i g i t a l W a t e r m a r k i n g ) i s d i r e c t l y e m b e d d e d i n t o t h e D i g i t a l c a r r i e r ( i n c l u d i n g m u l t i m e d i a ,
documentation, software, but does not affect the use value of the original carrier, also not easy to
s e n s o r y s y s t e m s ( s u c h a s v i s u a l o r a u d i t o r y s y s t e m ) p e r c e i v e o r n o t i c e . T h r o u g h t h e s e
i n f o r m a t i o n h i d d e n i n t h e c a r r i e r , c a n b e s e n t t o c o n f i r m c o n t e n t c r e a t o r s , b u y e r s , h i d d e n
i n f o r m a t i o n o r w h e t h e r t h e c a r r i e r h a v e b e e n t a m p e r e d w i t h . D i g i t a l W a t e r m a r k i n g i s a n
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武汉理工大学《信息处理课群综合训练与设计》课程设计
important research direction of information hiding technology.
A s d i g i t a l w a t e r m a r k i n g t e c h n i q u e b a s i c a l l y h a s t h e f o l l o w i n g s e v e r a l a s p e c t s : t h e
characteristics of security, digital watermarking information should be safe, difficult to tampering
or forgery, at the same time, should have a lower error detection rate, when the original content
changes, digital watermarking should be changed, which can detect the change in the original
data; Digital watermarking to repeating the same, of course, add strong resistance. Concealment:
di g i t a l w at e r m a rk i n g sh ou l d b e pe r c e pti o n , a nd s h o u l d n o t a ff ec t t h e n or m a l u s e o f pr o t e c t ed
data; Not lower quality; Robustness: refers to the experience of unintentional or intentional after
s i g n a l p r o c e s s i n g , d i g i t a l w a t e r m a r k i n g c a n r e m a i n p a r t o f t h e i n t e g r i t y a n d c a n b e c o r r e c t l y
identified. Most is mainly used for copyright protection of digital Watermarking, mainly used for
integrity protection, the same watermark is embedded in content data information is not visible.
W h e n t h e c o n t e n t c h a n g e s , t h e w a t e r m a r k i n f o r m a t i o n w i l l h a p p e n c o r r e s p o n d i n g c h a n g e , i n
order to identify whether the raw data has been tampered with. Watermark capacity: refers to the
c a r r i e r u n d e r t h e p r e m i s e o f n o t h a p p e n d e f o r m a t i o n c a n e m b e d w a t e r m a r k i n f o r m a t i o n .
Embedded watermark information must be adequately represent multimedia content creator or
the owner of the mark information, or the serial number of the buyer, this is beneficial to solve
t h e c o p y r i g h t d i s p u t e s , t o p r o t e c t t h e i n t e r e s t s o f d i g i t a l p r o p e r t y r i g h t s l e g a l o w n e r . T h e
p a r t i c u l a r i t y o f c o v e r t c o m m u n i c a t i o n f i e l d , i n p a r t i c u l a r , t h e w a t e r m a r k c a p a c i t y i s a b i g
demand.
Keywords: digital watermark, robustness, MATLAB
数字水印算法设计
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。
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。
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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文本水印、图像水印、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。
1.2 数字水印作用
最早提出数字水印的概念与方法是为了进行多媒体数据的版权保护。随着计算机和互
联网的发展,越来越多的艺术作品、发明或创意都开始以多媒体数据的形式表达,比如用
数码相机摄影,用数字影院看电影,用MP3播放器听音乐,用计算机画画等等。所有活动
所涉及的多媒体数据都蕴含了大量价值不菲的信息。与作者创作这些多媒体数据所花费的
艰辛相比,篡改、伪造、复制和非法发布原创作品在信息时代变成了一件轻而易举的事情
任何人都可以轻而易举地创建多媒体数据的拷贝,与原始数据比较,复制出的多媒体数据
不会有任何质量上的损失,即可以完整地“克隆”多媒体数据。因此如何保护这些数据上附
加的“知识产权”是一个亟待解决的问题。那么数字水印则正好是解决这类“版权问题”的有效
手段。比如以前的画家用印章或签名标识作品的作者,那么今天他可以通过数字水印将自
己的名字添加到作品中来完成著作权的标识。同样,音像公司也可以把公司的名字、标志
等信息添加到出版的磁带、CD碟片中。这样通过跟踪多媒体数据中的数字水印信息来保护
多媒体数据的版权。
除了在版权保护方面的应用,数字水印技术在文档(印刷品、电子文档等)的真伪认
证上面也有很大的用途,例如对政府部门签发的红头文件,文件认证的传统方法是鉴别文
件的纸张、印章或钢印是否符合规范和标准,缺点是无论纸张、印章或钢印都容易被伪造
特别是印章,虽然政府部门对印章的管理和制作有严格规定,但社会上还是有所谓“一个萝
卜刻一个章”的说法。这说明传统方法有着极不完善的地方。使用数字水印技术则可以有效
解决这个问题。以数字水印作为信息载体,将某些信息添加到红头文件中,使得文件不仅
有印章或钢印,而且有难以察觉的数字水印信息,从而大大增加了文件被伪造的难度。将
数字水印信息添加到文档中,也意味着某些信息可以在文档中被写入两次。例如护照持有
人的名字在护照中被明显印刷出来,也可以在头像中做为数字水印被隐藏起来,如果某人
想通过更换头像来伪造一份护照,那么通过扫描护照就有可能检测出隐藏在头像中的水印
信息与打印在护照上的姓名不符合,从而发现被伪造的护照。
此外数字水印还用来做多媒体数据的访问控制和复制控制。比如CD数据盘中秘密的数
字水印信息可以有条件的控制什么样的人可以访问该CD盘中的内容。目前DVD已经火爆
国内电子市场,有很多大公司开始研究如何应用数字水印系统改进DVD的访问与复制控制
比如希望消费者手中的DVD播放器允许无限制地复制家庭录像或过期的电视节目,家庭录
像中所添加的数字水印不含任何控制标识,电视节目里的数字水印标识为“复制一次”、“复
制多次”,而商业的视频节目则标识为“不允许复制”,相关的播放设备将对这些数字水印标
识进行判别并起相应作用。这样就既保证了消费者私下复制、交换节目的自由,又有效控
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