摘要摘要數(shù)字水印技術(shù)近年來得到了較大的發(fā)展，基于變換域的水印技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。數(shù)字水印是利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)和隨機(jī)性，把標(biāo)識(shí)版權(quán)的水印信息嵌入到數(shù)字作品中，從而可以起到保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán)或其完整性的一種技術(shù)。一個(gè)有效的數(shù)字水印系統(tǒng)至少具備以下三個(gè)最基本的特性：1.安全性：數(shù)據(jù)信息隱藏于數(shù)據(jù)圖像中，不是文件頭中，文件格式的變換不應(yīng)導(dǎo)致水印信息的丟失。2.隱蔽性：在數(shù)字圖像作品中嵌入數(shù)字水印不會(huì)引起圖像明顯的降質(zhì)，即含水印的圖像與原始圖像對(duì)人的感覺器官的刺激應(yīng)該是無差別或差別很小，主觀感覺變化很小。3.魯棒性：是指在經(jīng)歷有意或無意的信號(hào)處理過程后，水印信息仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別。另外還有通用性、惟一性等特性。數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識(shí)、認(rèn)證和安全不可見通信等。 本文提出了一種基于dct域的Matlab水印算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明這種算法具有較好的性能，實(shí)現(xiàn)的水印具有不可見性,而且具有較好的魯棒性。關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；DCT變換；Matlab程序IAbstractAbstract Digital watermark technology in recent years have seen great development, based on changing domain watermark technology is being studied. Digital watermark is the use of digital works prevailing in the redundant data and random nature of the logo copyright watermark information embedded in the digital works, so as to protect digital copyright or the integrity of a technology. An effective Digital watermark system at least the following three basic characteristics: 1. Security of data and information hidden in the digital image, not document and the format of the change should not lead to watermark information is missing. 2. hidden in the digital image works that are embedded in Digital watermark there is no image clear of quality, shallow the image of Original image of the People s receptor of incentives should be no difference or very different, subjective feeling very little has changed. 3. robust, is an experienced intentionally or unintentionally signal processing, watermarks information has been able to maintain integrity or continue to be accurate identification. In addition, only a general nature and characteristics. Digital watermark and applied basic areas of copyright protection, hidden identification, authentication and security cannot see communications. This article presents a based on dct domain Matlab watermark algorithm results table this methodology with a better performance in achieving the watermark is see, and a fairly good robust.Key words: Digital watermarking; DCT transform; Matlab programIV目錄目錄摘要IAbstractII引言1第一章 數(shù)字水印基本理論及其在通信工程中的應(yīng)用3 1.1數(shù)字水印的歷史及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.2數(shù)字水印的定義和基本特點(diǎn)5 1.3數(shù)字水印的一般模型61.4各種數(shù)字水印算法7 1.5數(shù)字水印技術(shù)的一些局限9第二章 可實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)的高效實(shí)用工具M(jìn)ATLAB172.1 Matlab簡(jiǎn)介17 2.2 Matlab的應(yīng)用172.3 Matlab函數(shù)介紹18 第三章 離散余弦變換（DCT）算法介紹213.1 離散余弦葉變換的簡(jiǎn)介213.2 離散余弦變換水印嵌入算法23 3.3 離散余弦變換水印提取算法243.4 離散余弦變換水印算法原理框圖243.5分塊的離散傅里葉變換26第四章 離散余弦變換（DCT）算法的MATLAB程序及運(yùn)行結(jié)果比較284.1 MATLAB程序284.2 運(yùn)行結(jié)果比較314.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析38參考文獻(xiàn)39致 謝40引言引言隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利性，同時(shí)也顯著提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過程，人們借助于計(jì)算機(jī)、數(shù)字掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳輸?shù)饺魏蔚胤?。隨之而來的副作用是這些數(shù)字形式的數(shù)據(jù)文件或作品使另有意圖的個(gè)人和團(tuán)體有可能在沒有得到作品所有者的許可下復(fù)制和傳播有版權(quán)的信息，例如，現(xiàn)代盜版者僅需輕點(diǎn)幾下鼠標(biāo)就可以獲得與原版一樣的復(fù)制品，并以此獲取暴利；而一些具有特殊意義的信息，如涉及司法訴訟、政府機(jī)要等信息，則會(huì)遭到惡意攻擊和篡改偽造等等。這一系列數(shù)字化技術(shù)本身的可復(fù)制和廣泛傳播的特性所帶來的負(fù)面效應(yīng)，已成為信息產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的一大障礙，目前，數(shù)字媒體的信息安全、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證問題變得日益突出，且已成為數(shù)字世界中一個(gè)非常重要和緊迫的議題。密碼技術(shù)是信息安全技術(shù)領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)技術(shù)之一，它是基于香農(nóng)信息論及密碼學(xué)理論的技術(shù)，現(xiàn)有的數(shù)字內(nèi)容的保護(hù)多采用加密的方法來完成，即首先將多媒體數(shù)據(jù)文件加密成密文后發(fā)布，使得其在傳遞過程中出現(xiàn)的非法攻擊者無法從密文獲取機(jī)要信息，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)和信息安全的目的。但這并不能完全解決問題：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨礙多媒體信息的傳播；另一方面多媒體信息經(jīng)過加密后容易引起攻擊者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且當(dāng)信息被接收并進(jìn)行解密后，所有加密的文檔就與普通文檔一樣，將不再受到保護(hù)，無法幸免于盜版。換言之，密碼學(xué)只能保護(hù)傳輸中的內(nèi)容，而內(nèi)容一旦解密就不再有保護(hù)作用了。因此，迫切需要一種替代技術(shù)或是對(duì)密碼學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充的技術(shù)，它應(yīng)該甚至在內(nèi)容被解密后也能夠繼續(xù)保護(hù)內(nèi)容。這樣，人們提出了一種新興的信息隱藏的概念數(shù)字水印(digital watermarking)。數(shù)字水印技術(shù)是目前信息安全技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)新方向，是一種可以在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來源及完整性的新型技術(shù)，創(chuàng)作者的創(chuàng)作信息和個(gè)人標(biāo)志通過數(shù)字水印系統(tǒng)以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒體中，人們無法從表面上感知水印，只有專用的檢測(cè)器或計(jì)算機(jī)軟件才可以檢測(cè)出隱藏的數(shù)字水印。在多媒體中加入數(shù)字水印可以確立版權(quán)所有者、認(rèn)證多媒體來源的真實(shí)性、識(shí)別購(gòu)買者、提供關(guān)于數(shù)字內(nèi)容的其它附加信息、確認(rèn)所有權(quán)認(rèn)證和跟蹤侵權(quán)行為。它在篡改鑒定、數(shù)據(jù)的分級(jí)訪問、數(shù)據(jù)跟蹤和檢測(cè)、商業(yè)和視頻廣播、Internet數(shù)字媒體的服務(wù)付費(fèi)、電子商務(wù)認(rèn)證鑒定等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。自1993年以來，該技術(shù)已經(jīng)引起工業(yè)界的濃厚興趣，并日益成為國(guó)際上非?；钴S的研究領(lǐng)域。數(shù)字水印技術(shù)還處于發(fā)展之中，數(shù)字水印技術(shù)未來的通信應(yīng)用市場(chǎng)將會(huì)更加廣闊。- 40 -第一章 數(shù)字水印基本理論及其在通信工程中的應(yīng)用第一章 數(shù)字水印基本理論及其在通信工程中的應(yīng)用1.1數(shù)字水印的歷史及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀一般認(rèn)為，數(shù)字水印起源于古老的水印技術(shù)。這里提到的“水印”技術(shù)是指?jìng)鹘y(tǒng)水印，即印在傳統(tǒng)載體上的水印，如紙幣上的水印、郵票股票上的水印等，將它們對(duì)著光照我們可以看到其中隱藏的圖像。這些傳統(tǒng)的“水印”用來證明其內(nèi)容的合法性。大約700年前，紙水印便在意大利的Fabriano鎮(zhèn)出現(xiàn)，這些紙水印是通過在紙模中加細(xì)線模板制造出來的。紙?jiān)诖嬖诩?xì)線的區(qū)域會(huì)略微薄一些，這樣也會(huì)更透明一些。到了18世紀(jì)，在歐洲和美國(guó)制造的產(chǎn)品中，紙水印已經(jīng)變得相當(dāng)?shù)膶?shí)用了。水印被用作商標(biāo)，記錄紙張的生產(chǎn)日期，顯示原始紙片的尺寸。大約也是這個(gè)時(shí)期，水印開始用于錢和其它文件的防偽措施。紙水印的存在既不影響美感，也不影響紙張的使用。中國(guó)是世界上最早發(fā)明造紙術(shù)的國(guó)家，也是最早使用紙幣的國(guó)家。宋真宗在位時(shí)（公元9981021年），四川民間發(fā)明了“交子”。交子正面都有票人的印記，有密碼畫押，票面金額在使用時(shí)填寫，可以兌換，也可以流通?？梢哉f交子上的印文既包含水印技術(shù)也包含消隱技術(shù)。事實(shí)上，正是由于紙張水印和消隱技術(shù)的特性才真正地啟發(fā)了在數(shù)字環(huán)境下水印的首次使用。數(shù)字水印的產(chǎn)生最早可追溯到1954年，它的產(chǎn)生源于對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的保護(hù)。在1954年，Muzak公司的埃米利.希姆布魯克(Emil Hembrooke)為帶有水印的音樂作品申請(qǐng)了一項(xiàng)專利。在這項(xiàng)專利中，通過間歇性地應(yīng)用中心頻率為1kHz的窄帶陷波器，認(rèn)證碼就被插入到音樂中。該頻率上能量的缺失表征使用了陷波濾波器，而缺失的持續(xù)時(shí)間通常被編碼為點(diǎn)或長(zhǎng)劃，此認(rèn)證碼使用了莫爾斯電碼。此系統(tǒng)被Muzak公司用到了1984年前后。 從那時(shí)起，人們開始發(fā)展大量的水印技術(shù)并由此展開了各種各樣的應(yīng)用，人們對(duì)于嵌入信號(hào)的興趣就這樣持續(xù)了35年，此期間水印被應(yīng)用于廣告認(rèn)證和設(shè)備控制上。例如，在1979年，Szepanski描述了一種機(jī)械探測(cè)模式，它可以用在文件上起到防偽效果。九年后Holt等人闡述了一種在音頻信號(hào)中嵌入認(rèn)證碼的方法。但這時(shí)的數(shù)字水印只是作為一種版權(quán)認(rèn)證的工具，并沒有成為一門科學(xué)。直到20世紀(jì)90年代初期，數(shù)字水印才作為一個(gè)研究課題受到了足夠的重視。1993年A. Z. Tirkel等所撰寫的“Electronic water mark”一文中首次使用了“water mark”這一術(shù)語。這一命名標(biāo)志著數(shù)字水印技術(shù)作為一門正式研究學(xué)科的誕生。后來二詞合二為一就成為“watermark”，而現(xiàn)在一般都使用“digital watermarking”一詞來表示“數(shù)字水印”?，F(xiàn)在我們所說的“水印”一般指的都是數(shù)字水印。數(shù)字水印技術(shù)自1993年被提出以來，由于其在信息安全和經(jīng)濟(jì)上的重要地位，發(fā)展較為迅速，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和商業(yè)集團(tuán)都積極的參與或投資支持此方面的研究。如美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)洛斯阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海陸空研究實(shí)驗(yàn)室、歐洲電信聯(lián)盟、德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心、日本NTT信息與通信系統(tǒng)研究中心、麻省理工學(xué)院、南加利福尼亞大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、微軟公司、朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室等都在進(jìn)行這方面的研究工作。IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer電子公司和Sony公司等五家公司還宣布聯(lián)合研究基于信息隱藏的電子水印。國(guó)際學(xué)術(shù)界陸續(xù)發(fā)表了許多關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章，幾個(gè)有影響的國(guó)際會(huì)議（例如IEEE，SPIE等）及一些國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊（例如Signal Processing等）相繼出版了有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的專題。1996年5月，國(guó)際第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)討論會(huì)(International Information Hiding Workshop, IHW)在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開，至今該研討會(huì)已舉辦了五屆。在1999年第三屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上，數(shù)字水印成為主旋律，全部33篇文章中有18篇是關(guān)于數(shù)字水印的研究。1998年的國(guó)際圖像處理大會(huì)（ICIP）上，還開辟了兩個(gè)關(guān)于數(shù)字水印的專題討論。由Martin Kutter創(chuàng)建的WatermarkingWorld已成為一個(gè)關(guān)于數(shù)字水印的著名網(wǎng)上論壇。在20世紀(jì)90年代末期一些公司開始正式地銷售水印產(chǎn)品。在圖像水印方面，美國(guó)的Digimarc公司率先推出了第一個(gè)商用數(shù)字水印軟件，而后又以插件形式將該軟件集成到Adobe公司的Photoshop和Corel Draw圖像處理軟件中。該公司還推出了媒體橋（Mediabridge）技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)用戶只要將含有Digimarc水印信息的圖片放在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（web camera）前，媒體橋技術(shù)就可以直接將用戶帶到與圖像內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)。AlpVision公司推出的LavelIt軟件，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字符，這些字符標(biāo)記可以作為原始文件出處的證明，也就是說，任何電子圖片，無論是用于Word文檔、出版物，還是電子郵件或者網(wǎng)頁，都可以借助于隱藏的標(biāo)記知道它的原始出處。AlpVision的SafePaper是專為打印文檔設(shè)計(jì)的安全產(chǎn)品，它將水印信息隱藏到紙的背面，以此來證明該文檔的真?zhèn)?。SafePaper可用于證明一份文件是否為指定的公司或組織所打印，如醫(yī)療處方、法律文書、契約等，還可以將一些重要或秘密的信息，如商標(biāo)、專利、名字、金額等，隱藏到數(shù)字水印中。歐洲電子產(chǎn)業(yè)界和有關(guān)大學(xué)協(xié)作開發(fā)了采用數(shù)字水印技術(shù)來監(jiān)視復(fù)制音像軟件的監(jiān)視系統(tǒng)，以防止數(shù)字廣播業(yè)者的不正當(dāng)復(fù)制的行為。該開發(fā)計(jì)劃名稱為TALISMAN(Tracing Authors Rights by Labeling Image Service and Monitoring Access Networks)。此開發(fā)計(jì)劃作為歐洲電子產(chǎn)業(yè)界等組織的歐共體項(xiàng)目于1995年9月開始進(jìn)行，1998年8月結(jié)束，法國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)、西班牙、意大利和瑞士等在內(nèi)的11個(gè)通信與廣播業(yè)者、研究單位和大學(xué)參加。隨著技術(shù)信息交流的加快和水印技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些研究單位也已逐步從技術(shù)跟蹤轉(zhuǎn)向深入系統(tǒng)研究，各大研究所和高校紛紛投入數(shù)字水印的研究，其中比較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫圣和、牛夏牧、陸哲明等，天津大學(xué)的張春田、蘇育挺等，北京郵電大學(xué)的楊義先、鈕心忻等，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等，他們是國(guó)內(nèi)較早投入水印技術(shù)研究且取得較好成績(jī)的科研單位。我國(guó)于1999年12月11日，由北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所組織，召開了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)(CIHW)，至今已成功的舉辦了四屆，很大程度地推進(jìn)了國(guó)內(nèi)水印技術(shù)的研究與發(fā)展。同時(shí)，國(guó)家對(duì)信息安全產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也非常的重視，在2003年的科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金若干重點(diǎn)項(xiàng)目指南中，明確指出了對(duì)于“數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護(hù)（基于數(shù)字水印、信息隱藏、或者網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證等先進(jìn)技術(shù)）”和“個(gè)性化產(chǎn)品（證件）的防偽（基于水印、編碼、或挑戰(zhàn)應(yīng)答等技術(shù)）”等多項(xiàng)防盜版和防偽技術(shù)予以重點(diǎn)支持?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些生產(chǎn)水印產(chǎn)品的公司，其中比較有代表性的是由中科院自動(dòng)化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等人于2002年在上海創(chuàng)辦了的一家專門從事數(shù)字水印、多媒體信息和網(wǎng)絡(luò)安全、防偽技術(shù)等軟硬件開發(fā)的公司上海阿須數(shù)碼技術(shù)有限公司，公司現(xiàn)從事數(shù)字證件、數(shù)字印章、PDF文本、分塊離散圖像、視頻、網(wǎng)絡(luò)安全等多方面數(shù)字水印技術(shù)的研究，現(xiàn)在這家公司已申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)際和三項(xiàng)國(guó)家數(shù)字水印技術(shù)專利。雖然數(shù)字水印在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，但水印公司的創(chuàng)辦使得數(shù)字水印技術(shù)在國(guó)內(nèi)不僅僅只停留在理論研究的層面上，而是從此走上了實(shí)用化和商業(yè)化的道路，這樣會(huì)更加推動(dòng)國(guó)內(nèi)水印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為國(guó)內(nèi)的信息安全產(chǎn)業(yè)提供有效的、安全的保障。1.2數(shù)字水印的定義和基本特點(diǎn)目前雖有許多文獻(xiàn)討論有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的問題，但數(shù)字水印始終沒有一個(gè)明確統(tǒng)一的定義。Cox等把水印定義為“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行為”；楊義先等認(rèn)為“數(shù)字水印是永久鑲嵌在其它數(shù)據(jù)（宿主數(shù)據(jù)）中具有鑒別性的數(shù)字信號(hào)或模式，而且并不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性”。我個(gè)人認(rèn)為后一種說法更為確切一些，因?yàn)榭梢娝∈强梢愿兄降?，但它的存在并不影響宿主?shù)據(jù)的可用性，嵌入的水印同樣可以起到鑒別的目的。不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)字水印的要求不盡相同，一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)具有如下特點(diǎn)：(1) 不可見性。在宿主數(shù)字媒體中嵌入一定數(shù)量的附加信息后，不能引起明顯的將質(zhì)現(xiàn)象，隱藏的數(shù)據(jù)不易覺察，即無法人為的看見或聽見。(2) 穩(wěn)健性。數(shù)字水印必須對(duì)施加于宿主媒體的變化或操作具有一定的免疫力，不能因?yàn)槟撤N變換操作導(dǎo)致水印信息的丟失，即水印被迫壞，從而失去商用價(jià)值。常用的變換操作有：信道噪聲、濾波、有損壓縮、重采樣等。(3) 安全性。數(shù)字水印應(yīng)該能夠抵抗各種蓄意的攻擊，同時(shí)應(yīng)很難被他人復(fù)制和偽造。(4) 有效性。水印提取算法應(yīng)高效，提取出的水印應(yīng)能唯一標(biāo)識(shí)版權(quán)所有者。(5)抗竄改性。 與抗毀壞的魯棒性不同,抗竄改性是指水印一旦嵌入到載體中,攻擊者就很難改變或偽造。魯棒性要求高的應(yīng)用，通常也需要很強(qiáng)的抗竄改性，在版權(quán)保護(hù)中,要達(dá)到好的抗竄改性是比較困難的。1.3數(shù)字水印的一般模型 數(shù)字水印的一般模型如圖1-3-1所示：含水印信號(hào)號(hào)水印信息嵌入過程 原始圖象圖1-3-1 數(shù)字水印嵌入過程頻域法加入數(shù)字水印的原理是首先將原始信號(hào)（語音一維信號(hào)、圖像二維信號(hào)）變換到頻域，常用的變換一般有DWT、DCT、DFT、WP和分形。然后，對(duì)加入了水印信息的信號(hào)進(jìn)行頻域反變換（IDWT、IDCT、DFT、WP），得到含有水印信息的信號(hào)。原始信號(hào)結(jié)束抽取水印抽檢過程待檢信號(hào)水印信息結(jié)束有無水印 圖1-3-2 數(shù)字水印檢測(cè)/抽取過程如上圖1.3.2所示，頻域法檢測(cè)水印的原理是將原始信號(hào)與待檢測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行變換域變換，比較兩者的區(qū)別，進(jìn)行嵌入水印的逆運(yùn)算，得出水印信息。如果是可讀的水印，那么就此結(jié)束，如果是不可讀水印，如高斯噪聲，就將得出的水印與已知水印作比較，由相關(guān)性判斷，待檢測(cè)信號(hào)含不含水印，故水印的檢測(cè)有兩個(gè)結(jié)束點(diǎn)。1.4各種數(shù)字水印算法近幾年來數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，見諸于文獻(xiàn)的水印算法很多，這里對(duì)一些典型的算法進(jìn)行了分析。1. 空間域算法數(shù)字水印直接加載在原始數(shù)據(jù)上，還可以細(xì)分為如下幾種方法：(1) 最低有效位方法(LSB)這是一種典型的空間域數(shù)據(jù)隱藏算法，L.F.Tumer與R.G.VanSchyadel等先后利用此方法將特定的標(biāo)記隱藏于數(shù)字音頻和數(shù)字圖像內(nèi)。該方法是利用原始數(shù)據(jù)的最低幾位來隱藏信息(具體取多少位，以人的聽覺或視覺系統(tǒng)無法察覺為原則)。LSB方法的優(yōu)點(diǎn)是有較大的信息隱藏量，但采用此方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印是很脆弱的，無法經(jīng)受一些無損和有損的信息處理，而且如果確切地知道水印隱藏在幾位LSB中，數(shù)字水印很容易被擦除或繞過。(2) Patchwork方法及紋理塊映射編碼方法這兩種方法都是Bender等提出的。Patchwork是一種基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印，其嵌入方法是任意選擇N對(duì)圖像點(diǎn)，在增加一點(diǎn)亮度的同時(shí)，降低另一點(diǎn)的亮度值。該算法的隱藏性較好，并且對(duì)有損的JPEG和濾波!壓縮和扭轉(zhuǎn)等操作具有抵抗能力，但僅適用于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像，而且不能完全自動(dòng)完成。2.變換域算法基于變換域的技術(shù)可以嵌入大量比特?cái)?shù)據(jù)而不會(huì)導(dǎo)致可察覺的缺陷，往往采用類似擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來隱藏?cái)?shù)字水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換，基于局部或是全部的變換，這些變換包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅氏變換(FT或FFT)以及哈達(dá)馬變換(Hadamardtransform)等等。其中基于分塊的DCT是最常用的變換之一，現(xiàn)在所采用的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG也是基于分塊DCT的。最早的基于分塊DCT的一種數(shù)字水印技術(shù)方案是由一個(gè)密鑰隨機(jī)地選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個(gè)三元組以隱藏二進(jìn)制序列信息。選擇在中頻分量編碼是因?yàn)樵诟哳l編碼易于被各種信號(hào)處理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺對(duì)低頻分量很敏感，對(duì)低頻分量的改變易于被察覺。該數(shù)字水印算法對(duì)有損壓縮和低通濾波是穩(wěn)健的。另一種DCT數(shù)字水印算法是首先把圖像分成88的不重疊像素塊，在經(jīng)過分塊DCT變換后，即得到由DCT系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機(jī)選取一些頻率塊，將水印信號(hào)嵌入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數(shù)中。該算法是通過對(duì)選定的DCT系數(shù)進(jìn)行微小變換以滿足特定的關(guān)系，以此來表示一個(gè)比特的信息。在水印信息提取時(shí)，則選取相同的DCT系數(shù)，并根據(jù)系數(shù)之間的關(guān)系抽取比特信息。除了上述有代表性的變換域算法外，還有一些變換域數(shù)字水印方法，它們當(dāng)中有相當(dāng)一部分都是上述算法的改進(jìn)及發(fā)展，這其中有代表性的算法是I.Podichuk和ZengWenjun提出的算法。他們的方法是基于靜止圖像的DCT變換或小波變換，研究視覺模型模塊返回?cái)?shù)字水印應(yīng)加載在何處及每處可承受的JND(JustNoticeableDifference，恰好可察覺差別)的量值(加載數(shù)字水印的強(qiáng)度上限),這種水印算法是自適應(yīng)的。3.NEC算法該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實(shí)現(xiàn)方法是：首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯N(0,1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖像的哈希值組成，其次對(duì)圖像做DCT變換，最后用偽隨機(jī)高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰，故可防止IBM攻擊，而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺最重要的部分，這種水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)具有高斯分布N(0,1)的特征。隨后Podilchuk等利用人類視覺模型又對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了該算法的魯棒性!透明性等。4.其他一些水印算法近年來利用混沌映射模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印、保密通信等成為混沌應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。特別是自從Cox等借用通信技術(shù)中的擴(kuò)頻原理將水印信號(hào)嵌入到一些DCT變換系數(shù)或者多層分解的小波變換系數(shù)以來，人們已經(jīng)提出了一些混沌數(shù)字水印方法。水印的嵌入與檢測(cè)是基于人類視覺系統(tǒng)(HVS)的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性，折衷水印的不可見性和魯棒性之間的矛盾.結(jié)果表明：該方法嵌入的水印具有不可見性和魯棒性，并且這種基于密鑰的混沌水印方法更好的抗破譯性能。目前比較流行的還有一種基于盲水印檢測(cè)的DWT算法，該算法首先對(duì)原始圖像進(jìn)行小波變換，根據(jù)人類具有的視覺掩蔽特性對(duì)低頻分量進(jìn)行一定的量化，同時(shí)可不影響視覺效果，并對(duì)作為水印的圖像進(jìn)行壓縮和二值化處理，形成一維的二值序列，根據(jù)二值序列的值對(duì)上述量化后的原始信號(hào)的低頻分量進(jìn)行視覺閾值范圍內(nèi)允許的修改，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。水印提取過程是對(duì)含有水印的圖像進(jìn)行小波變換，對(duì)低頻分量同樣進(jìn)行量化處理，為了增大算法的安全性，可以對(duì)水印形成的二值0,1序列在嵌入前進(jìn)一步進(jìn)行偽隨機(jī)序列調(diào)制，相應(yīng)的在水印提取過程需要增加用偽隨機(jī)序列解調(diào)的步驟。這樣不知道偽隨機(jī)序列的攻擊者即使推測(cè)出水印的嵌入規(guī)律，也無法提取水印，大大增加了水印系統(tǒng)的透明性和魯棒性。1.5數(shù)字水印技術(shù)的一些局限1.不知道能夠隱藏多少位。盡管非常需要知道指定大小載體信息上可以隱藏多少比特的水印信息，但這個(gè)問題還沒有得到圓滿解決。事實(shí)上，對(duì)給定尺寸的圖像或者給定時(shí)間的音頻，可以可靠隱藏信息量的上界，目前還不清楚。對(duì)圖像水印，只能說目前使用的算法可以隱藏幾百比特位的水印信息。2.還沒有真正健壯的盲圖像水印算法。對(duì)圖像水印魯棒性還是個(gè)問題，目前還沒有能夠在經(jīng)過所有普通圖像處理變換后，仍能幸免的盲水印算法。尤其是能夠抵抗幾何處理的攻擊，被認(rèn)為是很難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。3.所有者能去除標(biāo)記。迄今為止提出的所有盲圖像水印，實(shí)際上都是可逆的。已知水印的準(zhǔn)確內(nèi)容!以及水印的嵌入和檢測(cè)算法，則總能在沒有嚴(yán)重?fù)p壞資料的前提下，使水印不可讀取。目前還不清楚這個(gè)缺點(diǎn)在將來還是否存在；同時(shí)在設(shè)計(jì)版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮如下問題：一旦水印內(nèi)容已知，則有可能去除水印或者部分水印。此外，迄今為止提出的水印算法，其可逆性使人們提出極大的疑問，即設(shè)計(jì)能夠抗篡改的健壯公開水印技術(shù)是否可能？事實(shí)上，如果允許任何人讀取水印，則任何人只要知道水印嵌入算法，就可以消除水印。1.6數(shù)字水印在圖像通信系統(tǒng)中的應(yīng)用1.圖像通信系統(tǒng)的組成按照所傳輸圖像信號(hào)的性質(zhì)，基本的圖像通信系統(tǒng)可分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。(1) 模擬圖像通信系統(tǒng)的組成框圖在模擬圖像通信系統(tǒng)中，圖像信源是以一定的掃描方式產(chǎn)生電信號(hào)，模擬調(diào)制器通常有模擬調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等方式，實(shí)際的系統(tǒng)通常還有對(duì)圖像信號(hào)的濾波、電平調(diào)整等處理電路，以及產(chǎn)生載波的振蕩電路和對(duì)已調(diào)波的放大電路等。一個(gè)典型的模擬圖像通信系統(tǒng)的組成框圖如下圖1-6-1：顯示器解調(diào)器信道調(diào)制器信息源噪聲 圖1-6-1 模擬圖像通信系統(tǒng)(2)數(shù)字圖像通信系統(tǒng)的組成框圖在數(shù)字圖像通信系統(tǒng)中，作為信源的輸入圖像是數(shù)字的，然后由信源編碼器進(jìn)行壓縮編碼，以減少其數(shù)據(jù)量。信道編碼器則是為了提高圖像在信道上的傳輸質(zhì)量，減小誤碼率而采取的有冗余的編碼。由于數(shù)字圖像通信系統(tǒng)具有傳輸質(zhì)量好、頻帶利用率高、易于小型化、穩(wěn)定性好和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，正在逐步取代模擬圖像通信系統(tǒng)。一個(gè)典型的數(shù)字圖像通信系統(tǒng)框圖如下圖1-6-2：信道信源解碼器調(diào)制器信道編碼器信息源顯示器信道解碼器解調(diào)器信源編碼器噪聲源 圖1-6-2 數(shù)字圖像通信系統(tǒng)2.基于通信的水印模型從本質(zhì)上講，水印的嵌入、傳輸、檢測(cè)是一種通信過程。自然的，人們就試圖把水印問題當(dāng)作通信問題的特例來處理。在這里介紹三種模型，它們的區(qū)別在于如何模型化載體。在基本模型中，把看作純粹的噪聲；在有邊信息的通信模型中，仍然把看作噪聲；只是在水印嵌入端，噪聲作為邊信息存在,在復(fù)接通信模型中，不再把看作噪聲，而是把它看作通過復(fù)接技術(shù)傳輸?shù)牧硪粋€(gè)消息。 噪聲信道解碼信道編碼+輸入信息 輸出信息編碼密鑰 解碼密鑰圖1-6-3 水印模型(1)基本模型 噪聲n水印編碼水印解碼+ 輸入輸出 m 密鑰k 原始載體 密鑰k 圖1-6-4 基本通信模型上圖1-6-4給出了水印信道的基本通信模型。當(dāng)載體在檢測(cè)端可以得到時(shí)，這種檢測(cè)算法稱為非盲檢測(cè)；反之，則稱為盲檢測(cè)。在這種模型中，載體作為噪聲，被看作信道的一部分。在水印嵌入時(shí)，可以分為兩個(gè)步驟。首先，把消息m映射為模式。在這一步，可使用高斯噪聲序列擴(kuò)頻或者CDMA編碼擴(kuò)頻來實(shí)現(xiàn)。模式的類型和維數(shù)可以和相同，也可以不同。這個(gè)過程可以由密鑰控制完成。其次，把模式疊加到上，產(chǎn)生帶水印的數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，嵌入端沒有利用關(guān)于的知識(shí)，因此，也稱為盲嵌入(Blind Embedding)。一般假定將經(jīng)過某種操作，這個(gè)操作對(duì)水印信道的影響用加性噪聲來模擬。這個(gè)操作的類型很廣，可以包括:壓縮和解壓、在模擬信道上廣播、圖象(或音頻)增強(qiáng)等等；其中有些屬于正常操作，有些屬于惡意攻擊。事實(shí)上，所有這些類別的操作都依賴于 ，因此，用加性噪聲來模型化這個(gè)操作只是一種簡(jiǎn)化。于是，經(jīng)過疊加噪聲就得到信道輸出= + n 。如果進(jìn)行的是非盲檢測(cè)，那么，檢測(cè)過程可分為兩個(gè)步驟。首先從中減去，得到帶噪聲的模式然后，通過水印解碼從中獲得輸出消息。水印嵌入僅僅是進(jìn)行疊加(加法)操作，檢測(cè)時(shí)通過減法把從中完全去除，也就是說，與的區(qū)別只是由于噪聲n的存在。因此，把忽略以后,把水印編碼、噪聲疊加、水印解碼看作水印信道，它和圖1-2所示的通信系統(tǒng)完全類似。如果進(jìn)行的是盲檢測(cè)，則在檢測(cè)過程中， 由于未知，使得無法完全去除對(duì)水印檢測(cè)的影響。在這種情況下，直接對(duì)進(jìn)行水印解碼得到輸出消息。此時(shí)，受到的噪聲看作由和n構(gòu)成，于是，仍然可以用圖1-2所示的通信系統(tǒng)來類比水印信道。需要注意的是，上圖所示的水印系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)健水印更貼切一些。對(duì)于數(shù)字水印的其他應(yīng)用(比如，脆弱水印等)來說，它就不具有典型意義了。(2)有邊信息的通信模型在圖1-6-4所示基本模型中，在嵌入端要求與載體互相獨(dú)立。事實(shí)上，嵌入端是完全知道載體的。如果允許水印編碼時(shí)利用對(duì)的知識(shí)，那么，將有利于產(chǎn)生更有效的水印算法。圖1-6-5給出了一個(gè)允許模式依賴于的水印模型。這個(gè)模型和基本模型差別不大，只是把作為水印編碼額外的輸入。這樣，嵌入端就能利用信道的一些信息僅僅是，從而，可能使非盲檢測(cè)和盲檢測(cè)達(dá)到同樣的穩(wěn)健性。在通信理論中，關(guān)于帶邊信息的通信是Shannon最早提出的，隨后，一些學(xué)者進(jìn)一步的研究表明:這種邊信息對(duì)于某些應(yīng)用來說是無關(guān)緊要的。最近在這方面的研究有如下幾個(gè)方面:有邊信息的嵌入、有邊信息的編碼(如:Dirty Paper Code等)。 噪聲n水印編碼+水印檢測(cè)m 密鑰k 原始載體 密鑰k 圖1-6-5有邊信息的通信模型(3)復(fù)接通信模型圖1-6-6給出了水印信道的另一個(gè)模型。在這里，載體不再是信道的一部分，而是需要通過信號(hào)和水印信息m一起傳輸?shù)牡诙€(gè)信息。這兩個(gè)信息的接收端分別為:水印檢測(cè)器和人的感官。水印嵌入器把m和結(jié)合起來，形成信號(hào)。這個(gè)過程類似于一般通信中的復(fù)接過程(比如:時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用等)，二者間的區(qū)別是:在通信復(fù)用中，復(fù)接技術(shù)是固定的，而且，消息序列是通過一個(gè)參數(shù)(比如:時(shí)間、頻率)來分割的；在數(shù)字水印中，這種復(fù)接是通過不同的技術(shù)(水印檢測(cè)和人眼感官)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)通過有噪信道到達(dá)接收端時(shí)，它可以供人的感官欣賞，也可以作為水印檢測(cè)器的輸入。此時(shí)，以傭應(yīng)該滿足如下條件:對(duì)于人的感官來說，應(yīng)該與接近；對(duì)于水印檢測(cè)器來說，從中檢測(cè)出的消息與原始水印m盡可能的接近。事實(shí)上,這個(gè)模型也在一定程度上限制了攻擊的手段和強(qiáng)度。因?yàn)樘蟮墓魪?qiáng)度將導(dǎo)致的品質(zhì)急劇下降，使得不能滿足人的感官對(duì)多媒體的要求。比如，在高斯噪聲攻擊強(qiáng)度太大時(shí)，圖象的質(zhì)量就很差了，這樣的圖象就不能供人的感官欣賞。復(fù)接通信模型更強(qiáng)調(diào)的是水印和載體的對(duì)等性(Symmetry)，即它們是同等重要的。這種對(duì)等性在數(shù)字水印中的一個(gè)體現(xiàn)就是對(duì)“信噪比”的兩種解釋:在講到保真度時(shí)，“信號(hào)”指載體，“噪聲”指水印；在講到有效性和穩(wěn)健性時(shí)，“信號(hào)”指水印，“噪聲”指載體。這樣的模型說明，在解決水印穩(wěn)健性時(shí)，同時(shí)需要考慮載體保真度問題。這促使水印算法在提高穩(wěn)健性時(shí)，還要考慮PSNR值、SNR值以及HVS/HAS(Human Vision System/Human Auditory System)模型。 噪聲n人的感覺感知媒體+水印嵌入水印檢測(cè)輸出信息m 密鑰K 密鑰K圖1-6-6 復(fù)接通信模型3. 通信理論在數(shù)字水印中的應(yīng)用現(xiàn)狀從通信理論的角度研究數(shù)字水印，一般可以導(dǎo)出具體的水印嵌入、檢測(cè)算法，穩(wěn)健性一般用相關(guān)系數(shù)或者誤碼率來度量。通信理論在數(shù)字水印中的應(yīng)用包括:均勻量化和矢量量化、調(diào)制、信道編碼、信源編碼、調(diào)制和編碼的權(quán)衡、擴(kuò)頻、加密解密等。均勻量化和矢量量化一般用于設(shè)計(jì)水印的嵌入方式，即如何依據(jù)以0,1或者-1,+1形式存在的信息比特來修改指定的載體數(shù)據(jù)(或特征)。均勻量化在數(shù)字水印中的典型應(yīng)用是基于量化的水印算法，這樣的算法對(duì)抗JPEG壓縮和高斯噪聲都有不錯(cuò)的效果?；诹炕乃惴ㄒ话愣际窃谳d體的變換域進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入的，因?yàn)樽儞Q域的低頻、中頻系數(shù)都比較大，可以修改的余地也比較大。矢量量化一般用于圖象水印、音頻水印等。調(diào)制水印中的應(yīng)用有相位調(diào)制、幅度調(diào)制，即分別改變載體的相位信息和幅度信息。幅度調(diào)制一般是通過直接修改載體特征值的大小來實(shí)現(xiàn)的。幅度調(diào)制的典型應(yīng)用是把水印(或水印的模板)嵌入離散傅立葉變換(DFT)的幅值。相位調(diào)制用于音頻水印和圖象水印等，有的算法通過改變載體DIST域系數(shù)的正負(fù)來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。信道編碼是指為了提高通信性能而設(shè)計(jì)信號(hào)變換，以使傳輸信號(hào)更好地抵抗各種信道損傷的影響，例如噪聲、干擾以及衰落等。它在數(shù)字水印中的應(yīng)用有：線性分組碼(BCH碼、重復(fù)碼、R S碼、漢明碼等)、卷積碼T urbo碼、LDPC碼、交織碼等。信道編碼的基本思路是在信息比特中加入冗余比特，通過仔細(xì)設(shè)計(jì)的冗余比特，就可以糾正誤碼，實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。交織碼的主要功能是把信道中的突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為隨機(jī)錯(cuò)誤。因?yàn)樾诺谰幋a在通信領(lǐng)域中非常有效，人們直接了當(dāng)?shù)卦跀?shù)字水印中引入信道編碼，而只有少數(shù)文獻(xiàn)研究水印信道的特殊性，試圖給出應(yīng)用信道編碼的條件。信源編碼在數(shù)字水印中的應(yīng)用主要是分布式信源編碼。這種編碼主要是用來解決傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和交互式通信系統(tǒng)中的問題。在這些應(yīng)用中，雖然各個(gè)信源的位置不同，但是它們傳給解碼器的是高度相關(guān)的信息，而解碼器的任務(wù)就是把這些信息中共同的東西提取出來。在數(shù)字水印中，把水印和水印信道的輸出看作兩個(gè)分布式信源、把水印檢測(cè)器看作解碼器，就可以在水印中利用從分布式信源編碼研究中得到的分析和結(jié)論了，從而在一定程度上改善了水印的穩(wěn)健性。調(diào)制和編碼的權(quán)衡在數(shù)字水印中的應(yīng)用有：TCM碼，T urbo-TCM碼等。在通信領(lǐng)域，網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis-Coded Modulation, TCM)自從1984年以來就越來越受到重視，它可以在不擴(kuò)展帶寬的情況下提高糾錯(cuò)能力。Ungerboeck證明了在AWGN信道中，TCM方式可以產(chǎn)生相對(duì)于無編碼系統(tǒng)大約3db的編碼增益，若編碼復(fù)雜度增大，則還可以獲得6db的增益。 Turbo-TCM碼就是把Turbo碼和TCM結(jié)合起來，用Turbo碼作為TCM中的糾錯(cuò)碼，從而進(jìn)一步提高了糾錯(cuò)能力。擴(kuò)頻數(shù)字水印中的應(yīng)用主要有：CDMA、跳頻、直接序列擴(kuò)頻等，用到的擴(kuò)頻序列有：M序列，Walsh序列，Gold序列等。加密解密利用一段看似隨機(jī)的序列來保證信息的安全性。在數(shù)字水印中，這方面的技術(shù)一般用于認(rèn)證水印的研究。第二章 可實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)的高效實(shí)用工具M(jìn)ATLAB第二章 可實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)的高效實(shí)用工具M(jìn)ATLAB2.1 Matlab簡(jiǎn)介Matlab是當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外十分流行的工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真軟件包。它是Math-Works公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一人方便的、界面友好的用戶環(huán)境。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。Matlab的推出得到了各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各個(gè)專家學(xué)者相繼推出了MATLAB工具箱，其中的信號(hào)處理(signal processing)、控制系統(tǒng)(control system)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)、圖像處理(image processing)、魯棒控制(robust control)、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)(nonlinear system control design)、系統(tǒng)辨識(shí)(system identification)、最優(yōu)化(optimization)、模糊邏輯(fuzzy logic)、小波(wavelet)、通信(communication)、統(tǒng)計(jì)(statistics)等工具箱，這些工具箱給各個(gè)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供了有力的工具，借助于這些“巨人肩上的工具”，各個(gè)層次的研究人員可直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，從而大大地節(jié)省了時(shí)間。2.2 Matlab的應(yīng)用MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。1.數(shù)字水印技術(shù)a.集成了DFT、DCT、DWT等函數(shù)有豐富的小波函數(shù)和處理函數(shù)，這不僅方便了研究人員，而且使源程序簡(jiǎn)潔明了、易于實(shí)現(xiàn)。b.強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。能夠方便、高效地實(shí)現(xiàn)音頻、視頻中的大量矩陣運(yùn)算。提供了圖像處理工具箱、小波分析工具箱、數(shù)字信號(hào)處理工具箱。c.用來編制跨數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等多學(xué)科的數(shù)字水印技術(shù)是非常好的選擇。MATLAB與目前最強(qiáng)大的編程工具Visual C+具有良好的接口。2.圖像分析處理 Matlab的ImageProcessingToolbox提供了大量用于圖像處理的工具函數(shù)，利用這些函數(shù)，可以分析圖像數(shù)據(jù)，獲取圖像細(xì)節(jié)信息，并且設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波算法，濾出圖像數(shù)據(jù)所包含的噪聲。當(dāng)然，濾波器的設(shè)計(jì)是通過Matlab產(chǎn)品提供的交互式工具完成的，這些工具還能夠完成選取圖像區(qū)域，測(cè)量圖像誤差和獲取、統(tǒng)計(jì)像素信息等功能。 圖象處理工具箱還提供了Radon變換來重夠圖像，而離散余弦變換可以作為實(shí)現(xiàn)新的壓縮算法的核心。工具箱中還包含了邊緣檢測(cè)算法，用于表示圖像中具體物體的邊緣等。在圖象處理工具箱還包含了眾多數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，這些函數(shù)可以用于處理灰度圖像或二值圖像，可以快速實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)、圖像去噪、骨架抽取等算法。此外還包含一些專用的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，例如填充處理、峰值檢測(cè)等2.3 Matlab函數(shù)介紹在介紹函數(shù)之前，我們必須明確一點(diǎn)：作水印程序時(shí)，處理的圖像數(shù)據(jù)是二維信號(hào)，而聲音信號(hào)是一維信號(hào)。這里，我們僅僅簡(jiǎn)單介紹與水印有關(guān)的函數(shù)，具體函數(shù)的用法請(qǐng)讀者參考相關(guān)文獻(xiàn)。1.圖像顯示imshow( )：顯示一幅圖像；imfinfo( )：可以得到讀入圖像的信息。如文件的大小、格式、格式版本號(hào)、圖像的高度、寬度、顏色類型（真彩色，灰度圖還是索引圖）等2.變換頻函數(shù)對(duì)信號(hào)采用不同的變換，是實(shí)現(xiàn)頻域法水印的至關(guān)重要的一步，MATLAB中對(duì)一維信號(hào)和二維信號(hào)分別提供了各種變換和逆變換函數(shù)。(1) 離散余弦變換（DCT）dct( ),dct2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的DCT（離散余弦變換）；idct( ),idct2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的IDCT（逆向離散余弦變換）；(2) 離散傅里葉變換（DFT）fft( ),fft2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的DFT（離散傅里葉變換）；ftshift:實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換的直流組件移到光譜中心；ifft( ),ifft2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的IDFT（逆向離散傅里葉變換）；(3) 離散小波變換（DWT）dwt( ),dwt2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的DWT（離散小波變換）；idwt( ),idwt2( ):分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的IDWT（離散小波變換）；Wavedec2( ):多級(jí)二維小波分解函數(shù)；Waveinfo( ):提供小波包中所有的小波信息；3.攻擊函數(shù)對(duì)算法進(jìn)行攻擊測(cè)試是對(duì)水印魯棒性檢測(cè)的一種重要手段，一個(gè)好的水印算法必須經(jīng)過各種攻擊測(cè)試才能對(duì)之做出客觀的評(píng)價(jià)。MATLAB中的許多函數(shù)可以直接用來做的攻擊測(cè)試。(1) 旋轉(zhuǎn)：rotate( )可以對(duì)圖像進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)；(2) 剪裁：imcrop( )可以按精確定位的各點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行剪裁；(3) 濾波：filter( )和filter2( )可實(shí)現(xiàn)對(duì)一維信號(hào)和二維信號(hào)的濾波；(4) 抖動(dòng)：dither( )對(duì)圖像進(jìn)行抖動(dòng)；抖動(dòng)攻擊考驗(yàn)水印魯棒性的一個(gè)很好的攻擊；(5) 壓縮：imwrite( )中jpg和quality參數(shù)能對(duì)圖像進(jìn)行可控jpg壓縮；(6) 加各種噪聲：imnoise( )可以對(duì)圖像加入各種噪聲，如白噪聲、椒鹽噪聲等，加入噪聲是對(duì)水印魯棒性考驗(yàn)的一種常見的攻擊；(7) 放大/縮?。篿mresize( )可以以指定的插值方法來對(duì)圖像進(jìn)行放大和縮小。4.圖像文件輸入輸出函數(shù) (1) imread:從圖形文件中讀取圖像；可以讀bmp,jpg/jpeg, tif/tiff, png, hdf, pcx, wxd格式文件。讀索引文件時(shí)，還可以得到相應(yīng)的調(diào)色板數(shù)據(jù)。 (2) imwrite:把圖像寫入圖形文件中； (3) imcrop:剪切圖像； (4) imresize:改變圖像大小； (5) imrotate:旋轉(zhuǎn)圖像；5.圖像顏色及類型轉(zhuǎn)換函數(shù) a. im2bw:轉(zhuǎn)換圖像為二進(jìn)制圖像； b. rgb2gray:轉(zhuǎn)換RGB圖像或顏色映象表為灰度圖像； c. unit8:轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為八位無符號(hào)整型； e. double:轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為雙精度類型第四章 離散余弦變換（DCT）算法的MATLAB程序及運(yùn)行結(jié)果比較第三章 離散余弦變換（DCT）算法介紹3.1 離散余弦葉變換的簡(jiǎn)介1. DCT 變換公式因?yàn)镈CT 變換公式是這一算法的核心，有必要先了解一下DCT 正反變換公式。DCT 正反變換公式的核心是余弦變換，計(jì)算速度比較快，因圖像處理所用的是二維變換，這里只給出二維的DCT 正反變換公式，二維DCT 正變換公式為： =0,1, , M-1;=0,1, , N-1其中： 二維DCT反變換公式為： 其中x，y 為空間采樣值，u，v 為頻域采樣值。因?yàn)閿?shù)字圖像多用像素方陣來標(biāo)識(shí)，即M=N，此時(shí)，二維DCT 正反變換可以簡(jiǎn)化為： 2. 二維DCT的性質(zhì)離散余弦變換是圖像處理技術(shù)中幾種最基本的酉變換之一。酉變化是線性變化的一種特殊形式，其基本線性運(yùn)算式是嚴(yán)格可逆的，并且滿足一定的正交條件。圖像的酉變換可以被理解為分解圖像數(shù)據(jù)為廣義的二維頻譜，變換域中每一分量對(duì)應(yīng)于原圖頻譜函數(shù)的能量。設(shè)IMN 為MN 的圖像矩陣則該圖像的二維DCT 變換可由下式表示：FDCT=其中 其中經(jīng)過二維DCT 變換得到的DCT 系數(shù)矩陣GDCT 指示了一系列頻率中每一個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的變化程度，即頻率的高低。其中低頻分量將集中在矩陣的左上角，高頻分量則集中在右下角。圖像的低頻分量反映圖像慢變化，即圖像整體部分；圖像的高頻分量代表圖像跳變的地方，即圖像細(xì)節(jié)部分，如輪廓、邊緣。根據(jù)人類視覺系統(tǒng)，圖像整體比細(xì)節(jié)部分更為重要，若一幅圖像經(jīng)過處理后而視覺改變不大，則其低頻分量必定改變程度不大。此算法采用了將數(shù)字水印的灰度值植入DCT 域的低頻分量中的方法。二維離散余弦變換是一種嚴(yán)格可逆的酉變換。它的兩個(gè)矩陣AMM BNN 滿足以下的正交條件： 由此，易得到離散余弦逆變換（IDCT）: 正因?yàn)镈CT 是一種嚴(yán)格可逆的正交變換，才可能對(duì)基于DCT 的植入算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)字水印濾波。3. 二維DCT的實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行88的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是MN大小的原始圖像，J是水印圖像大小為PQ，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進(jìn)行：1. 將I分解為(M/8)(N/8)個(gè)88大小的方塊B；同時(shí)，J也分解為 (M/8)(N/8)個(gè)(8P/M)(8Q/N)大小的方塊V； 2. 對(duì)每一個(gè)B進(jìn)行DFT變換：DB=DFT(B)；3. 加載水印對(duì)每一個(gè)DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置 ， 1i(8P/M)(8Q/N)， t(i)為水印V的位置坐標(biāo) ， 1i(8P/M)(8Q/N)，DB(s)=AV，其中A是加權(quán)系數(shù),用DB(s)來代替DB，得到加載水印后的圖像DBC；4. 對(duì)以上得到的每一個(gè)DBC進(jìn)行逆DCT變換：IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊IDBC合并為一個(gè)整圖I，即加載了水印的新圖像。3.2 離散余弦變換水印嵌入算法 數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行88的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是MN大小的原始圖像，J是水印圖像大小為PQ，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進(jìn)行：1. 將I分解為(M/8)(N/8)個(gè)88大小的方塊B；同時(shí)，J也分解為 (M/8)(N/8)個(gè)(8P/M)(8Q/N)大小的方塊V； 2. 對(duì)每一個(gè)B進(jìn)行DCT變換：DB=DCT