第39卷第5期2011年10月
福州大学学报（自然科学版）
Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition）
Vol．39No．5
Oct．2011
DOI：CNKI：35－1117/N．20111014．0957．010文章编号：1000－2243（2011）05－0686－07
一种基于Bandelet变换的数字图像水印算法
朱秀阁1，牛宏娟2，李登峰2，3
（1．河南大学计算中心，河南开封475001；2．河南大学数学与信息科学学院，河南开封475001；
3．福州大学数学与计算机科学学院，福建福州350108）
摘要：提出一种基于第二代Bandelet变换的数字水印算法．该算法分别将原始图像和水印图像进行Bandelet变
换，通过先对原始图像的Bandelet系数做预处理，按照水印嵌入加法准则，将水印信息的Bandelet系数嵌入到
原始图像的重要系数上，达到对系数的改变以实现水印的嵌入．实验结果表明：该算法与基于小波变换的算法
相比，经剪切、中值滤波、加噪和JPEG压缩等攻击后仍具有良好的鲁棒性．
关键词：Bandelet变换；数字水印；图像；算法
中图分类号：TP98文献标识码：A
A digital image watermarking algorithm based on Bandelet transform
ZHU Xiu－ge1，NIU Hong－juan2，LI Deng－feng2，3
（1．Computer Center，Henan University，Kaifeng，Henan475001，China；
2．School of Mathematics and Information Sciences，Henan University，Kaifeng，Henan475001，China；
3．College of Mathematics and Computer Sciences，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350108，China）Abstract：A digital watermarking algorithm based on second generation Bandelet transform is presen-
ted．The method imposes Bandelet transform on original image and watermarking image．The embed-
ding of watermarking is realized by pre－processing Bandelet coefficients of original image and embed-
ding that of watermarking information on them via embedding addition rule．Experimental results show
that the algorithm is better than wavelet－based，which are reflected in resisting various attacks robust-
ly，for example，cutting，median filter，plus noise and JPEG compression．
Keywords：Bandelet transform；digital watermarking；image；algorithm
0引言
近年来，数字水印技术作为一种新颖而有效的数字产品版权保护和数据维护技术的研究发展很快．水印算法大致可以分为两类：空间域水印［1－2］和变换域水印．较早的数字水印算法基本上都是基于空间域，算法具有计算速度快，实时性强等特点，但其抵抗图像的几何变形、加噪和压缩的能力较差．目前研究的主流算法是基于变换域水印，主要有离散余弦变换域（DCT）［3－5］及离散小波变换域（DWT）［6－8］等．这些对图像压缩、常用的图像滤波及噪声均有一定的抵抗力．DCT变换是对图像做分块处理，虽然方便性增强，但在重构图像时，图像会产生方块效应．而小波变换因其基函数的构造中存在各向同性和方向性缺失等特点，不能有效表示高维函数的特征．
为解决高维函数的表示问题，一些学者提出新工具———多尺度几何分析．多尺度几何分析源于小波又高于小波，并且基函数具有各向异性和多方向性等良好性质，能不同程度地解决小波函数所存在的问题．Bandelet变换是基于图像边缘的多尺度几何分析工具之一，能自适应地跟踪图像的几何正则方向．它
收稿日期：2010－06－20
通讯作者：李登峰（1964－），教授，E－mail：dfli@henu．edu．cn
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61071189）
第5期朱秀阁，等：一种基于Bandelet 变换的数字图像水印算法在图像压缩、图像去噪等领域已经取得了很好的效果．本研究根据变换域水印算法的特性，从修改原始图像数据的角度出发，对图像进行Bandelet 变换，得到Bandelet 系数，通过将相应的水印信息嵌入到Bande-let 系数来修改原始数据，选择相应的Bandelet 系数进行相应的水印信息的嵌入，最后对嵌入信息后的系数进行Bandelet 逆变换，得到嵌入水印后的图像．实验证明，本算法具有良好的不可见性，并且在经历各种攻击之后，仍能取得很好的鲁棒性结果．
1Bandelet 变换基本原理
2000年，Pennec 和Mallat 提出了Bandelet 变换［9－10］．Bandelet 变换是一种基于边缘的图像表示方法，能自适应的跟踪图像的几何正则方向．Pennec 和Mallat 认为，在图像处理任务中，若是能预先知道图像的几何正则性，并充分予以利用，无疑会提高图像变换方法的逼近性能．第一代Bandelets 旨在借助弯曲算子把自然图像中各个方向的奇异性先扭转至水平方向，然后借助常用的二维标准可分离小波变换来最优的处理．所构造的Bandelet 基函数是由一个表示图像中灰度变化的几何流向量组构成，并且在几何流方向上可以拉伸．
鉴于第一代Bandelet 的复杂度，Peyer 和Mallat 在2005年提出了第二代Bandelet ［11］，有效地简化了第
一代的算法．第二代Bandelet 没有第一代中的重采样和弯曲操作，也不需要对水平或垂直区域做复杂的判断和标示．第二代Bandelet 的主要思想是：对图像的光滑区域，小波变换后的高频子带经量化后会产生大量的零系数，但对非光滑区域，小波变换的高频子带仍有大量的大幅值系数存在．对于几何正则图像，经小波变换后高频子带大幅值系数主要沿图像的几何流分布，这表明高频子带系数间仍存在较强的相关性．为了得到更多的零系数，Peyer 对各高频子带实施Bandelet 化．Bandelet 化是在二维小波变换的基础上，针对高频子带系数的一种可逆变换．先沿几何流对小波系数进行重采样，得到一维信号，再对一维信号做小波变换．那么二维小波变换系数经Bandelet 化之后，就称为Bandelet 系数．Bandelet 变换提供了一种自适应地跟踪图像几何正则方向的新的基于边缘的图像表示方法．
与经典的小波变换相比，第二代Bandelet 变换在图像压缩和去噪这些领域表现出一定的优势和潜力，而且在数字水印方面，第二代Bandelet 变换具有如下潜力：
1）二维小波的支撑区间表现为正方形，当尺度变细时，会导致边缘和边界部分产生明显的振铃效应；Bandelet 变换是一种自适应的跟踪图像边缘来表示图像数据的方法，其基函数的支撑区间表现为长条形，充分利用了函数的几何正则性，每一个剖分子块中的最优方向是通过目标函数最小化而获得的最接近真实几何方向的，因此几乎没有产生影响人眼视觉的块状人工效应，使水印这一技术在Bandelet 变换域上的应用具有更大的发展空间．
2）基于小波域的水印算法多是采取将水印信息的变换系数嵌入到原始图像的重要系数即低频小波系数上，忽视了高频上仍存在的大量重要系数，若低频信息被毁坏，其水印的可信检测性程度将下降；而第二代Bandelet 变换是在二维小波变换的基础上，去除高频子带之间的重要相关性，将水印信息的变换域系数均匀地散布嵌入到原始图像的变换域数据中去，不管经历过剪切还是压缩等攻击后，其相似性评价较之小波变换得到了一定的提高．
2
基于Bandelet 变换的水印嵌入及提取算法2．1水印嵌入及提取模型
图像水印系统的基本思想是在一幅宿主图像（即原始图像）中嵌入一个秘密信息（即水印），而且要保证水印是不可察觉而且安全的．
如图1所示，数字图像水印算法包括水印嵌入和水印检测两个过程．在水印嵌入端，将原始图像经过一定的调整后生成水印图像，然后已经嵌入的水印图像可以再通过各种媒介展示给潜在的顾客群，其中，图像可能遭遇各种攻击，包括无意攻击以及盗版者的恶意攻击，最后对于有版权争议的图像可以进行验证，以确定版权的归属（通常需要结合原始图像和水印信息）．
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卷
图1
数字水印系统算法流程图Fig．1Digital watermark system algorithm flow diagram
和空域水印嵌入方法不同的是，变换域的水印嵌入通常是通过修改频域系数实现的，通常采用加法准则的水印嵌入方法：
f '（m ，n ）=f （m ，n ）?［1+c ?w （x ，y ）］
其中：c 是水印强度，w （x ，y ）是水印信息，f '（m ，n ）是附加水印后的变换域系数．该公式利用了人眼视觉掩蔽特性，使水印嵌入强度与变换域系数的幅值成比例．
显然，与上式对应的水印提取公式为：
w'（x ，y ）=
f '（m ，n ）－f （m ，n ）c ?f （m ，n ）
2．2水印嵌入算法
水印整个嵌入过程描述如下：
1）取原始图像M ?M 和水印图像N ?N （M =N 2P ，P 为自然数）；
2）对水印图像进行Bandelet 变换，将得到的Bandelet 系数除以所有的系数均值；
3）对原始图像做Bandelet 变换，所有系数减去水印图像Bandelet 系数的均值；
4）对得到的系数进行排序，将相应的水印Bandelet 系数按照加法准则加在其中最大的系数上；
5）利用嵌入水印信息后的原始图像Bandelet 系数进行Bandelet 逆变换，得到嵌入水印信息后的图像．
2．3水印提取算法
水印的提取即将包含水印信息的公开图像中的水印信息从中分离出来．水印提取过程可以描述如下：1）对嵌入水印后的图像进行Bandelet 变换，得到相应的Bandelet 系数；
2）按照加法准则的逆运算以及原始图像做过预处理后的Bandelet 系数，提取出待检测是水印图像．
2．4评价标准
数字水印算法性能的好坏主要看其不可见性和鲁棒性的好坏．
1）对水印不可见性的首要条件评价是通过人的主观来判断，常用的检验方法是让一定数量的人来观看含水印图象，通过人的主观感受来评价算法．但主管判断往往会有误差，所以还可以采用对鲁棒性的客观检查即相似性定量评价．
2）对提取出的水印图像和原水印图像进行相似性定量评价是采用了归一化相关系数的方法，相似度定义为：
NC =
∑M x =1∑N y =1
w （x ，y ）w'（x ，y ）
∑M x =1∑N
y =1
w （x ，y ）w （x ，y ）
当提取出的水印w'（x ，y ）与原水印w （x ，y ）的相似程度大于0．7时，即检测到水印的存在．
3数值实验结果及讨论
实验采取512像素?512像素的标准测试图像Lena 原始图像，水印为64像素?64像素的二值图像．原始图像、水印图像以及未加任何处理的嵌入水印后的图像和取出的水印图像见下图2．
从图2可以看出，图像嵌入水印信息后，与原始图像比较起来，没有带来明显的失真，很难看出差
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第5期朱秀阁，等：一种基于Bandelet 变换的数字图像水印算法别．同时，从人的主观视觉来看，不可感知性也非常好．嵌入水印后的图像与原始图像峰值信噪比PSNR =40．3586dB．实验表明，嵌入水印后的图像未经任何图像处理时，能将水印无失真的提取出来，其相关系数NC 为
1．
图2
原始图像及其水印图像Fig．2Original image and watermark image
为验证本算法的鲁棒性，对嵌入水印的图像分别进行剪切、中值滤波、加噪、JPEG 压缩等常规数字水印攻击后，并与原水印图像进行比较．
3．1剪切分析
图像在传输过程中，很可能会丢失一些信息，测试在只保留一部分载体图像的情况下，是否可以检测
出水印的存在．对嵌入水印的图像进行1/16，
1/4，1/2的剪切，结果如图3．虽然图像变得不完整，但仍可以检测出水印．实验结果说明该算法的水印信息均匀的散布到原始图像中，具有很强的隐蔽性．
图3
经剪切处理的水印图像及其检测到的水印图像Fig．3Sheared watermark image and monitored watermark image
3．2中值滤波
中值滤波是一种非线性信号处理方法，它在一定的条件下可以克服线性滤波所带来的图像细节模糊，
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福州大学学报（自然科学版）第39卷可以实现图像的平滑，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效．图4给出了经中值滤波处理后的水印图像以及提取出来的水印．从抗滤波攻击的角度来看，表明该算法的鲁棒性很好．
3．3噪声分析
对水印图像加入噪声是对水印算法的一种常见的攻击．实验对水印图像进行高斯噪声的干扰，来检测水印的抗噪性能．现对水印图像加入密度为0．01的高斯噪声，提取的水印结果如图
5．
图4经中值滤波处理的水印图像及其检测到的水印图像
Fig．4Median filtering watermark image and
monitored watermark
image 图5经加噪处理的水印图像及其检测到的水印图像Fig．5
Watermark image of adding noise to image and monitored watermark image 从图5（a ）可以看出，加入了高斯噪声攻击后的待检测图像，其峰值信噪比已经降低，表明待检测的图像从人眼视觉上，就能感觉到明显的改变，其图像质量已经很差．但是，从图5（b ）显示出的检测到的水印图像可以被人眼所感知，并且仍然能提出到水印信息，其相关系数值NC 也都到了0．98左右，从而表明，该算法经历了噪声攻击后，在图像质量不好的情况下，仍可以检测到水印，说明该算法有很强的抗噪声攻击能力．
3．4JPEG 压缩分析
JPEG 压缩是广泛应用于图像压缩的方法，任何水印系统的图像必须能够经受得起某种程度的有损压缩，并且能够提取出受到压缩后的图像中的水印．图6给出在不同JPEG 压缩参数QF （压缩比越大，品质就越低；相反地，压缩比越小，品质就越好）下提取出的水印图像及与其原水印图像的归一化相似程度．
从图6可以看到，当QF =40%时，检测到的水印质量有了明显的退化，当时仍能清楚地看到水印信息－“MCK ”这三个字母．当QF =30%的恶劣情况时，亦可以检测到水印信息，其NC 也达到了0．7036．实验表明，该算法有较强的抗JPEG 压缩攻击的能力
．
图6
Bandelet 域水印算法在JPEG 压缩攻击下提取出的水印Fig．6Extracted watermark by watermarking algorithm on bandelet domain under JPEG compressed attack
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第5期朱秀阁，等：一种基于Bandelet 变换的数字图像水印算法
表1Bandelet 域水印算法在JPEG 压缩攻击下的PSNR 和NC 值
Tab．1Results of PSNR and NC for watermarking algorithm on Bandelet domain
under JPEG compressed attack 品质因子
90%80%70%60%50%40%30%PSNR
39．852138．268437．684336．856935．459134．956834．3518NC 0．96180．86250．83450．79480．76590．73120．7036表1给出了本算法在不同攻击后的实验结果．从结果上看，这种算法对JPEG 和Gaussian 噪声具有较好的鲁棒性．一方面，对原图像没有影响，另一方面，又可以有效的降低图像在噪音干扰、压缩、滤波等信号处理造成的信息丢失，具有一定的应用价值，但是算法有些复杂．
3．5
实验结果分析在Bandelet 变换的理论基础上，提出Bandelet 域内的图像数字水印算法．表3是和小波水印算法的比较．
表2两种水印算法抗攻击效果对比表
Tab．2Comparison of anti －attack effect by two watermark algorithms
算法剪切1/16
剪切1/2中值滤波噪声分析QF =0．9QF =0．5Bandelet 变换NC 值0．9758
0．81240．95130．98240．96180．7659小波变换NC 值
0．95840．80570．94350．96480．95430．746
8图7两种算法的JPEG 压缩效果图Fig．7JPEG compressed effects of two algorithms
图7清楚地显示出在不同的压缩品质因子下，
基于Bandelet 变换与基于小波变换的NC 值的变化．
在压缩品质因子为30%时，两者提取出的水印图像
毁坏程度都很严重；在压缩品质因子趋向于1时，
两者之间的差别越来越小，直至趋向于1；而在压缩
品质因子为75% 87%时，Bandelet 与小波拉开了
差距，这是因为Bandelet 变换本身能够最稀疏的表
示高维图像信号的特性，体现出Bandelet 变换本身
在压缩方面的优越性，这与Bandelet 变换本身能够
最稀疏的表示高维图像信号的多尺度几何特性是分
不开的．另外，从表2中还可以看出，在对添加水
印的图像信息做剪切、滤波、加噪及JPEG 压缩后，
基于Bandelet 变换较之小波变换的相似性评价都有
不同程度的提高．4结语
在小波变换的基础上，结合人类视觉系统提出一种基于Bandelet 域的数字水印算法．该算法不是将原始图像和水印图像的Bandelet 系数直接叠加，而是将原始图像的Bandelet 系数进行预处理后，再通过加法准则来实现水印的嵌入．实验结果表明，该算法对剪切、中值滤波、加噪和JPEG 压缩等常用的攻击方法具有较强的鲁棒性．Bandelet 变换是针对小波变换的不足而提出的一种新的图像分析方法，但这种水印方法也存在有不足之处，一方面是在提取水印的时候需要用到原始图像，因此今后应沿着零水印方向对水印算法进行改进．另一方面是该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但是它的抗攻击能力强，适用于数字作品版权保护的数字水印技术．
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福州大学学报（自然科学版）第39卷
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（责任编辑：沈芸檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨
）
《福州大学学报（自然科学版）》创刊50周年
《福州大学学报（自然科学版）》创刊于1961年11月，时任校领导张孤梅书记
亲自撰写了创刊词。创刊时的刊名为《福州大学学报》
。1961 1966年共不定期出版学报6期。1966 1977年停刊。1978年复刊，仍为不定期出版。1982年起为季
刊。1985年更名为《福州大学学报（自然科学版）》
。1993年起至今为双月刊。创刊50年来，学报已出刊183期，刊发各类型学术论文4861篇。目前，学报已
被国外5种文摘系统收录，分别是《化学文摘》
（美），《数学评论》（美），《文摘杂志》（俄），《数学文摘》（德），《剑桥科学文摘：材料信息》（美）。在国内，被《中文核心期
刊要目总览》收录，同时还被《中国科学引文数据库》
（CSCD ）、《中国科技论文与引文数据库》
（CSTPCD ）、《中国学术期刊综合评价数据库》、《中国学术期刊评价研究报告》
等多种权威评价系统和数据库系统评为核心期刊或作为核心期刊收录，并被多种与我校学科建设有关的文摘系统收录。
学报在各种评比中均获得好成绩，先后17次被评为全国高校优秀学报（或优秀
科技期刊）和福建省高校优秀学报。
（编辑部）·
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基于DCT的数字水印算法的研究Research of Digital Watermarking Algorithm Based on Discrete Cosine Transform
摘要 近年来，由于网络的迅猛发展，越来越多的多媒体信息已经走向数字化。人们可以从网上更加方便的取得各类信息，可以更加方便的对别人的作品进行篡改，复制等，由此带来的版权维护问题也日益严重。版权维护也越来越受到人们的关注了，数字水印技术是解决这类问题最有效的手段，所以数字水印技术现在已然成为了研究的热点。 本文是对基于DCT域数字水印算法的研究，简要介绍数字水印的发展，基本原理等，在MATLAB环境中完成两种基于DCT域数字水印算法的设计。第一种是基于DCT图像全局变换的数字水印算法，而第二种则可以认为是第一种算法的改进，是基于DCT域分块水印算法。然后对于水印系统的鲁棒性，进行一些攻击测试，有盐噪声攻击、高斯噪声攻击、旋转攻击、剪切攻击、JPEG有损压缩攻击等，对比分析哪种算法更好。虽然说该课题只不过是对现有的数字水印技术进行了一个比较简单的研究，但是让我们充分认识到了数字水印技术对我们日常生活的重要性。 关键词：数字水印DCT 攻击测试
Abstract In recent years,with the rapid development of the network,more and more multimedia information has been digitized.People can obtain various kinds of information from the Internet more convenient, the work of others will be altered and copied more convenient, copyright protection issues are also increasingly serious. People are more and more concerned about copyright protection, digital watermarking technology is the most effective means to solve these problems, so the digital watermarking technology has become a hot topic now. This article is to study based on DCT-domain digital watermarking algorithm, introduced the development of digital watermarking and the basic principles etc,completed two design schemes based on DCT-domain digital watermarking algorithm in MATLAB environment. The first one is based on digital image watermarking algorithm global transformation of DCT, while the second one can be considered to improve the first algorithm, which is based on DCT-domain block watermarking algorithm. Then for the robustness of the watermarking system, we performed some attack test, salt noise attack, Gaussian noise attack and spin attack, cropping attack, JPEG compression attack, in order to prove which is better. Although the subject is a relatively simple research for the existing digital watermarking technique , but it let us aware of the importance of digital watermarking technology in our daily life. Key words:Digital watermarking DCT Robustness Attack test
数字水印技术综述 （湖北武汉 430070） 摘要：介绍了数字水印技术的基本原理。并对其特点、分类、攻击技术及应用领域进行了阐述。同时对数字水印的各种算法进行了分类研究与深入分析。最后指出数字水印今后的研究方向。 关键词：数字水印；水印原理；水印算法；水印应用 Overview on Overview on Digital Watermarking Technology ( Wuhan, Hubei 430070, China) Abstract：The basic concepts of watermark techniques are first introduced，and then the characteristics、classification、attacking techniques and application and applications first expatiated．For further understanding．the watermark technique from the various aspects aye classified and some conventional watermark techniques and algorithms are analyzed in detail．Finally，research direction of digital watermark technology is pointed out． Key words：digital watermarking；watermarking principle；watermarking algorithms ；watermarking application； 0数字水印 随着Internet与数字媒体技术的飞速发展，信息安全问题日益突出，因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。 数字水印是通过一定的算法，在图像、视频、音频等多媒体数据中嵌入一个可以标示其知识产权的水印信息。水印信息可以是文字、商标、印章或序列号等可以识别作品的作者、来源、版本、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。水印信息通过特殊的方式，可以从宿主信号中提取出水印或是检测出它的存在性。水印不占用额外的带宽。是原始数据不可分离的一部分，并且它可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。 1数字水印的特征 一般认为数字水印应具有以下特征（1）鲁棒性水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持其完整性或仍能被准确鉴别的特性。（2）知觉透明性数字水印的嵌入不应引起数字作品的视/听觉质量下降，即不向原始载体数据中引入任何可知觉的附加数据。（3）内嵌信息量(水印的位率) 数字水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化的要求。（4）安全性水印嵌入过程(嵌入方法和水印结构)应该是秘密的嵌入的数字水印是统计上不可检测的，非授权用户无法检测和破坏水印。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该能一直保持存在，直到图像已严重失真而丧失使用价值。（5）实现复杂度低数字水印算法应该容易实现。在某些应用场合(如视频水印)，甚至要求水印算法的实现满足实时性要求。（6）可证明性数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。 2 数字水印的分类 2.1按照嵌入的位置 按照嵌入的位置可分为：(1)空域数字水印：空域数字水印的嵌入是通过直接修改图像的灰度值或是强度值来完成的。(2)变换域数字水印：变换域的数字水印是将图像进行某种变换，通过修改变换域系数来达到嵌入水印的目的。
M=256; %原图像长度 N=32; %水印图像长度 K=8; I=zeros(M,M); II=zeros(K,K); B=zeros(M,M); Idct=zeros(K,K); D=zeros(M,M); %读取原图像 I=imread('33.png'); subplot(2,2,1); %显示原图像 imshow(I); title('原图像'); %产生水印序列 randn('seed',10); mark=randn(1024,1); subplot(2,2,2); plot(mark); title('水印序列'); %嵌入水印 T=1; for m=1:N for n=1:N x=(m-1)*K+1; y=(n-1)*K+1; II=I(x:x+K-1,y:y+K-1);%将原图分成8*8的子块 Idct=dct2(II);%对子块进行DCT变换 if x==1&y==1 alfa=0.002; else alfa=0; end B=Idct*(1+alfa*mark(T));%嵌入水印 Bidct=idct2(B);%进行DCT反变换 I(x:x+K-1,y:y+K-1)=Bidct; T=T+1; end end subplot(2,2,3); imshow(I);%显示嵌入水印后的图像
title('tu');imwrite(I,'嵌入后的图像.bmp'); %进行相关性比较 figure; for i=1:50 if i==10; mark2=mark1'; else mark2=randn(1024,1); end %计算相关值 c=(mark2'*mark)/sqrt(mark2'*mark2); stem(i,c); hold on; end
一．数字水印 数字水印技术 数字水印技术(Digital Watermark):技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。目前主要有两类数字水印,一类是空间数字水印,另一类是频率数字水印。空间数字水印的典型代表是最低有效位(LSB)算法,其原理是通过修改表示数字图像的颜色或颜色分量的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素 来表达水印的信息,以达到嵌入水印的目的。频率数字水印的典型代表是扩展频谱算法,其原理是通过时频分析,根据扩展频谱特性,在数字图像的频 率域上选择那些对视觉最敏感的部分,使修改后的系数隐含数字水印的信息。 可视密码技术 二．可视密码技术:可视密码技术是Naor和Shamir于1994年首次提出 的,其主要特点是恢复秘密图像时不需要任何复杂的密码学计算,而是以人的视觉即可将秘密图像辨别出来。其做法是产生n张不具有任何意义的胶片,任取其中t张胶片叠合在一起即可还原出隐藏在其中的秘密信息。其后,人们又对该方案进行了改进和发展。主要的改进办法办法有：使产生的n张胶片都有一定的意义,这样做更具有迷惑性;改进了相关集合的造方法;将针对黑白图像的可视秘密共享扩展到基于灰度和彩色图像的可视秘密共享。 三． 数字水印（Digital Watermark或称Steganography）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 数字水印技术源于开放的网络环境下保护多媒体版权的新型技术，它可验证数字产品的
摘要 数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。随着数字水印技术的发展，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版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信。 当数字水印应用于版权保护时，潜在的应用市场在于电子商务、在线或离线地分发多媒体内容以及大规模的广播服务。数字水印用于隐藏标识时，可在医学、制图、数字成像、数字图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。数字水印的认证方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面数字水印的安全不可见通信将在国防和情报部门得到广泛的应用。 本文主要是根据所学的数字图象处理知识，在MATLAB环境下，通过系统编程的方式，建立并实现基于DCT域的数字水印加密系统。该系统主要包含数字水印的嵌入与提取，仿真结果表明，数字水印算法具有有效性、可靠性、抗攻击性、鲁棒性和不可见性，能够为数字媒体信息在防伪、防篡改、认证、保障数据安全和完整性等方面提供有效的技术保障。 关键词：数字水印；MATLAB；DCT
目录 1 课程设计目的 (1) 2 课程设计要求 (2) 3 数字水印技术基本原理 (3) 3.1 数字水印基本框架 (3) 3.2 算法分类 (3) 3.2.1 DCT法 (4) 3.2.2 其他方法 (4) 3.3 实际需要考虑的问题 (4) 3.3.1 不可见性 (4) 3.3.2 鲁棒性 (5) 3.3.3 水印容量 (5) 3.3.4 安全性 (5) 4 基于DCT变换仿真 (6) 4.1 算法原理 (6) 4.1.1 准备工作 (6) 4.1.2 选取8*8变换块 (7) 4.1.3 边界自适应 (7) 4.1.4 DCT变换与嵌入 (7) 4.1.5 恢复空域 (8) 4.2 嵌入算法扩展 (8) 4.2.1 RGB彩色图像三个矩阵的划分 (8) 4.2.2 八色彩色水印 (8) 4.3 水印的提取 (9) 4.4 仿真程序 (9) 5 结果分析 (14) 结束语 (16) 参考文献 (17)
数字水印技术：概念、应用及现状 一、引言 随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统秘密级别的方法变得越来越不安全。 另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。 二、认识数字水印 数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 数字水印技术的基本特性: 1. 鲁棒性(robustness)：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。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。 2.安全性(security):指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。 3.透明性(invisibility):利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。 ***典型的数字水印系统模型： 图 1为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中；图 2为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。
目录 摘要 (Ⅲ) Abstract (Ⅴ) 第1章绪论 (1) 1.1引言 (1) 1.2本文研究的目的及意义 (2) 1.3数字水印技术的国内外研究现状 (2) 第2章数字水印理论基础 (5) 2.1 数字水印的基本概念 (5) 2.2 数字水印的基本特征 (5) 2.3 数字水印的基本原理 (5) 2.4 数字水印的分类 (8) 2.5 数字水印典型算法（针对图像领域） (10) 2.6 数字水印的鲁棒性问题和攻击行为 (12) 2.7 数字水印应用领域 (13) 第3章小波分析理论基础 (17) 3.1小波分析的发展历程 (17) 3.2小波函数与小波变换 (18) 3.3离散小波变换 (20) 3.4 多分辨率分析 (22) 3.5实验环境：可实现数字水印技术的高效实用工具——Matlab (24) 第4章基于小波变换的数字水印算法 (25) 4.1算法描述 (25) 4.2实验结果及分析 (28) 4.3 本章小结 (36) 参考文献 (37) 致谢 (39) 附录 (41)
基于小波变换的数字水印算法研究 摘要 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一个在开放的网络环境下，保护版权和认证来源及完整性的新型技术。 本文针对基于小波变换的数字水印技术，提出了一种基于小波域的二值图像水印算法。该算法选择了检测结果直观、有特殊意义的二值图像作为原始水印，并在嵌入之前进行图像置乱预处理，以提高安全性和隐蔽性，兼顾了水印的不可见性和鲁棒性，利用多分辨率分析思想进行水印的嵌入与提取。通过大量的仿真实验，证明本文算法在保证水印不可见性的同时，对常见的图像处理如JPEG压缩、噪声、滤波、剪切等，均有较好的鲁棒性。 关键词：数字水印，小波变换，鲁棒性，不可见性，JPEG压缩
0105114数字水印和数字产品的版权保护. 孔祥维 (大连理工大学信息学院, 116023) 杨德礼胡祥培 (大连理工大学治理学院, 116023) 摘要全球迅猛进展的Internet网络给世界经济带来了新的商机，数字技术提供了与原作品同样精美的复制品，但同时使得数字媒体的版权爱护咨询题日益突出。本文介绍了最新的多媒体版权爱护技术－数字水印的概念，在阐述数字水印的分类和特性的基础上，提出了以数字水印为基础的数字作品版权爱护系统，并研究了数字水印系统的处理框架和数字水印算法。最后对数字水印技术进行了展望。 关键词数字水印数字产品爱护版权爱护系统 1 引言 随着多媒体技术和数字传输的迅猛进展，因特网和CD-ROM上的数字媒体应用正在呈爆炸式的增长。数字信号处理和网络传输技术能够对数字媒体（数字声音、文本、图像和视频）的原版进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布，造成数字媒体作品的原创者庞大的经济缺失，并对数字媒体的安全权限提出了挑战，促使数字媒体的知识产权爱护和信息安全咨询题日益突出，并已成为数字世界的一个专门重要和紧迫的议题。 目前的信息安全技术差不多上以密码学理论为基础的，采纳的传统方法是将文件加密成密文的密钥系统或公钥系统，提升加密、解密系统密级的方法是持续增加密钥的长度。据报道：56 bit长密钥的DES可在20多小时内攻破，因而这种方法在实际中变得越来越不安全[1]。另外这种将文件加密成密文的方法，在将密文解开后就失去了保密意义；加密的密文还容易引起许多好事者的爱好，触发他们主动破译的激情。数字签名技术是一种较新的技术。已用于检验短信息的正式可靠性，尽管数字签名的标准已
毕业设计文献综述 电子信息科学与技术 基于变换域的数字水印算法 摘要：数字水印提出的主要目的是为了对数字作品的版权保护。本文介绍了数字水印的背景以及阐述了数字水印技术的基本原理。数字水印主要分为空间域和频域两大类，这里主要分析了目前在频域中比较流行的水印算法。同时，对数字水印发展进行展望。 关键字：数字水印；版权保护；水印算法；频域； 1.背景 随着Internet的迅猛发展，通信技术和计算机网络的普遍运用，使人们可以通过互联网收发信息、上传数字图象、听音乐等等。然而，也正是因为网络的这种便捷性、传播迅速的优点使其很容易被非法拷贝，导致数字产品的版权、完整性、有效性得不到保证，严重损害了创作者的利益。 为了解决上述各类问题，提出了数字水印技术[1]。它是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。目前，数字水印在音频、视频、图像等的应用迅速得到广泛的研究和发展。 数字水印技术的研究现状主要分为两大类：空间域数字水印和频域数字水印。最初提出的数字水印嵌入方法是在空间域上实现的。1995年，Btuyndoncky等提出了一个基于空域分块的方法，通过改变均值来嵌入水印。1996年，Patchwork等人提出了一种算法（Patchwork算法），该算法随机选取图像的N对像素点，通过增加其中一个点的亮度值而相应降低另一个点的亮度来隐藏信息。1998年，Darmstaedter等人提出了一种新的空域水印算法，该算法是基于图像的8×8块的空间域分解进行的。 频域数字水印按频域法大体分为三类：DFT域、DCT域和DWT域[2-3-4]。 Pun和Ruanaidh利用傅立叶域对全局性的旋转，平移和缩放变换具有不变性的特点，将水印嵌入到傅立叶域来达到对这些攻击的鲁棒性。 1999年，Wu和Hsu等人提出了基于可视化模型的算法，该算法具有很强的鲁棒性。2000年，易开样、黄继武等人还提出了一种DCT域数字水印算法：首先把图像分成8×8的不重叠像素块，经过分块DCT变换后，得到有DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。2004年，王向阳等提出了一种DCT域自适应彩色图像二维数字水印算法，将灰度图像嵌入到原始彩色图像中。其实，很多国内外研究人员提出的其他DCT域
数字水印算法列举 湖南科技大学计算机科学与工程学院 ①基于LSB 的数字水印方案（空间域、不可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤： （1）先把水印信息转化为二进制比特流I。 （2）根据I的长度生成密钥K，并且严格保存。密钥K是对图像载体像素位置的一个映射。 （3）把I中的每一位依次根据密钥K，置换掉原始载体图像中相应位置的像素最后一位。提取步骤： （1）根据严格保存的密钥K遍历嵌入了水印的图像中的相应像素，提取出最后一位。 （2）将提取出来的每一位重新组合成水印信息。 ②基于差分扩展的数字水印方案（变换域、可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤： （1）将图像M分成像素点对（x，y），将水印信息转化为二进制比特流,比特流的每一位用m 表示。 （2）根据水印信息比特流的长度随机生成信息的嵌入位置k作为密钥信息严格保存。（3）对图像M计算均值l和差值h：?????-=+=y x h y x floor l 2(（floor表示向下取整） （4）将水印比特信息m以差值扩展的方法嵌入到差值h中：m h h +?='2（5）将得到的h '代入（3）中，得到新的图像像素对，形成嵌入秘密信息后的图像C。提取步骤： （1）将图像C分成像素点对（x，y），读入密钥信息K。 （2）将图像C依旧按照嵌入步骤中的（3）式计算均值l和差值h。 （3）根据密钥k找到相应位置，提取差值h的最后一位比特信息m，再将差值h进行变换得到1>>='h h 。 （4）将提取到的比特信息m进行组合可以恢复水印信息，将得到的h '代入嵌入步骤的（3）中计算新的图像像素对可以恢复原始图像载体M。 ③基于直方图修改的数字水印算法（空间域、可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤：（1）找到直方图的零点z和峰值点p，将z v p <<的像素值v自加1。 （2）漂移后的直方图v=p处即为嵌入水印的位置，将水印信息转化为二进制流并记为k，按顺序嵌入，即k v v +='；（3）得到的由像素值v '组成的图像就是嵌入秘密信息后的图像。同时p、z以密钥的形式保存。 提取步骤： （1）读取密钥，得到p、z的值。 （2）遍历图像的每个像素，当像素v=p时，提取信息0并保持数据不变；当v=p+1时，提取信息1并将数据减1。 （3）当v