基于DCT域水印技术的图像信息隐藏方法研究
摘要：数字水印是将特定的数字信息(水印)隐藏于数字化的多媒体数据(如图像、声音、视频和文本等)中，而不影响原数据的效果，并且可以从这些数据信息中部分地或全部地恢复出来，以达到版权保护的目的。作为一门新兴的学科，数字水印有许多理论与实际技术问题善待解决。本文主要是改进目前许多图像隐形水印算法在嵌入强度和含水印图像的质量评价等方面存在的问题，设计了一个较完整的基于DCT域的图像隐形水印算法，使该算法较好地兼顾不可感知性、稳健性和安全性。
本算法在充分考虑人类视觉系统掩蔽特性的基础上，首先把原图像各8×8块按Hilbert扫描顺序排列, 然后在原图像分块的Hilbert序列中选取一块图像的DCT域的三个中频分量之间嵌入水印。嵌入水印具有很好的透明性，水印嵌入强度是与原图像特征相自适应的。同时，水印的提取无须求助于原图像。此外，实验结果也证明，该方法对图像调整、JPEG压缩和锐化图像等攻击具有较高的鲁棒性，是一种行之有效的水印嵌入方法。
关键词：DCT；水印；信息隐藏；鲁棒性；不可见性，嵌入强度;离散余弦变换;
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DCT-based domain of information hiding technology
image watermarking method research
Abstract: Digital watermarking is a particular digital information (watermark) hiding in digital multimedia data (such as images, sounds, video and text, etc.), without affecting the original data, results, and information from these data, in part or All resume out in order to achieve the purpose of copyright protection. As an emerging discipline, digital watermarking has many theoretical and practical kind to solve technical problems. Of this paper is to improve the current number of invisible image watermarking algorithm in the containing watermark embedding strength and image quality evaluation of existing problems, designed a more complete image based on DCT domain invisible watermarking algorithm, so that the algorithm has better balance can not be perceived Xing, robustness and security.
The algorithm taking full account of the human visual system masking, based on the first of the original image of 8 × 8 Kuai by Hilbert scan order, and then in the original image sub-block Hilbert select an image sequence of DCT-3 IF components of the between the embedded watermark. Embedded watermark has good transparency, watermark embedding strength is adaptive characteristics of the original image. Meanwhile, the watermark extraction is no need to resort to the original image. In addition, the experimental results also show that the method of image adjustment, JPEG compression, and sharpening images have a high attack robustness, is an effective method of watermark embedding.
Keywords: DCT; watermark; information hiding; robustness; invisibility, embedding strength; discrete cosine transform;
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目 录
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引言 ............................................................................................................................................. - 4 - 1.1 1.2 1.3 1.4 2
数字水印信息隐藏技术简介 .............................................................................................. - 4 - 课题的研究背景 ................................................................................................................. - 5 - 行业发展现状 ..................................................................................................................... - 6 - 本课题的研究目标和主要内容 .......................................................................................... - 7 -
图像隐形水印技术 ..................................................................................................................... - 7 - 2.1 DCT变换的基本原理：..................................................................................................... - 8 - 2.2 DCT域水印算法的特点................................................................................................... - 10 - 2.3 图像隐形水印的性能评估................................................................................................ - 11 - 2.3.1 水印的稳健性分析 ................................................................................................... - 11 - 2.3.2 图像质量评价方法 .................................................................................................. - 12 - 2.3.3 水印的性能测试 ...................................................................................................... - 13 -
3 基于DCT域的图像隐形水印算法实现 ................................................................................ - 15 - 3.1 问题分析 ........................................................................................................................... - 15 - 3.1.1 水印嵌入位置的选择 .............................................................................................. - 15 - 3.1.2 含水印图像的质量评价 .......................................................................................... - 16 - 3.2 水印的制作 ....................................................................................................................... - 20 - 3.2.1 水印信号的预处理 .................................................................................................. - 20 - 3.2.2 水印的嵌入 .............................................................................................................. - 21 - 3.3 水印的提取 ....................................................................................................................... - 23 - 3.4 水印的检测 ....................................................................................................................... - 24 -
4 仿真分析 ................................................................................................................................... - 24 - 4.1 4.2 4.3
水印的性能测试 ............................................................................................................... - 25 - 实验结果分析 ................................................................................................................... - 26 - 水印图像抗攻击性能实验................................................................................................ - 27 -
5 小结与致谢 ............................................................................................................................... - 28 - 5.1
致谢 ................................................................................................................................... - 28 -
6 参考文献 ................................................................................................................................... - 29 -
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1 引言
1.1 数字水印信息隐藏技术简介
随着信息科技的不断发展，信息隐藏技术作为隐蔽通信和知识产权保护的重要手段而被广泛应用。该技术是20世纪90年代中期从圈外兴起的一门集多学科理论与技术于一体的新兴技术领域．它是把一个有意义的信息隐藏在另一个称为载体的信息中得到隐蔽载体，非法者不知道该普通信息中是否隐藏了其他信息。而且即使知道也难以提取或去除隐藏信息。载体一般是非秘密的数字媒体文件，可以是图像、视频、声音、文档文件等。
数字水印是将特定的数字信息(水印)隐藏于数字化的多媒体数据(如图像、声音、视频和文本等)中，而不影响原数据的效果，并且可以从这些数据信息中部分地或全部地恢复出来，以达到版权保护的目的。数字水印是一门涉及数字信号处理、图像处理、密码学、通信理论和算法设计等多个领域的交叉学科。数字水印算法可以识别嵌入到载体对象中的所有者的相关信息，并能在需要的时候将其提取出来，用于判别对象是否受到保护，并能监视被保护的数据的拷贝控制、真伪鉴别以及完整性认证等，这成为数字水印发展的动力。数字水印技术与密码学关系非常密切，它们之间的相互融合将为今后信息技术的发展提供必不可少的安全手段。
信息隐藏方法按照嵌入域基本上可分为两大类：空城替换法和变换域法。空域替换法是用待隐藏的信息替换载体信息中的冗余部分。一种简单的替换方法就是隐藏信息位替换载体中的一蝗不重要位(如LSB)，只有知道隐藏信息嵌入的位置才能提取信息。这种方法较为简单，但容易因图像文件的某些改动而导致隐藏信息的丢失。而目前多数信息隐藏方法都采用了变换域技术，即把待隐藏的信息嵌入到载体的一个变换空间(如频域)中。变换域法具有可与数据压缩标准兼容的优点，对诸如压缩、剪裁和某些图像处理等攻击的鲁棒性更强。
通常图像隐形水印应具有如下两个基本特性:不可见性(仅从视觉上很难觉察含水印图像和原始图像的区别)和稳健性(含水印图像经过常规的信号处理后，仍能够从中检测到水印的能力)。它们是相互矛盾的，如何采取折衷的办法，在保证水印不可见性的前提下，嵌入尽可能强的水印信息，是数字水印研究中的一
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个重要问题。
1.2 课题的研究背景
在1994年的IEEE国际图像处理会议（ICIP'94）,R. G. Schyndel等人第一次明确提出了\数字水印\的概念，从此掀起了现代信息隐藏技术研究的高潮。仅仅过了两年，在ICIP'96上，已经出现了以信息隐藏领域中的水印技术、版权保护（Copyright Protection）和多媒体服务的存取控制（Access Control of Multimedia Services）为主要内容的研讨专题。同年在英国剑桥召开了第一届信息隐藏国际研讨会（First International Workshop on Information Hiding），内容涉及数据隐藏、保密通信、密码学等相关学科领域。在美国，许多著名大学和大公司的研究机构，如麻省理工学院的媒体实验室、明尼苏达大学、普林斯顿大学、南加州大学等，以及NEC公司、IBM公司等，都一直在致力于信息隐藏技术方面的研究，并已取得了大量研究成果。与此同时，大量的数字水印应用软件也应运而生，如HIGHWATER FBI、 Digimarc Corporation、Fraunhofer's SYSCOP等。目前，应用于数字图像的水印技术已被考虑写于JPEG 2000标准，这必将进一步推动信息隐藏技术的发展。作为一个技术体系，数字水印尚不完善，每个研究人员的介入角度各不相同，所以研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特性进行设计。同时，随着该技术的推广和应用的深入，一些其他领域的先进技术和算法也将被引入，从而完备和充实数据水印技术。例在数字图像处理中的小波、分形理论；图像编码中的各种压缩算法；音视频编码技术等等。
密钥 原始数据 嵌入 隐秘数据 密钥
提取
隐藏信息 隐藏信息 图1-1信息隐藏核心系统参考模型
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