水印技术的研究及实现课件.ppt

1、汇报框架汇报框架所读文献所读文献数字水印的简介数字水印的简介数字水印系统的基本原理数字水印系统的基本原理两种数字水印算法简介两种数字水印算法简介水印嵌入规则水印嵌入规则1234563所读文献所读文献数字水印技术研究1用于图像认证的数字水印技术综述2图像数字水印技术研究与实现3二值图像数字水印技术综述4基于小波包变换变换的数字水印技术5水印简介水印简介 数字水印作为传统加密方法的有效补充手段，被认为是解决数字媒体的版权保护和信息安全问题的最具潜力的技术之一。它利用图像的冗余，在不影响载体的商用价值和使用价值的前提下，将数字水印永久地嵌入到原始载体中。数字水印是一种可以在开放的网络环境下保护版权和

2、认证来源及完整性的新技术，数字水印技术的发展具有巨大的经济潜力和广阔的应用前景。数字水印的特点数字水印的特点使得原始数据发生可感知的改变当发生改动或攻击，水印信息应保持一定的完整性未授权的个体不得阅读和修改水印允许多重水印嵌入，每个水印均能独立地被证明数字水印的应用数字水印的应用版权保护版权保护访问控制访问控制数字指纹数字指纹票据防伪票据防伪篡改提示篡改提示隐蔽通信及对抗隐蔽通信及对抗数字水印的基本原理数字水印的基本原理 通用的数字水印算法包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取或检测。设 I 为数字图像，W 为水印信号，K 为密码，则处理后的水印 W由函数 F 定义如下：W =F(I,W,K

3、)(1)若水印所有者不希望水印被其他人知道，则函数F应该是不可逆的，如经典的DES加密算法等。这是将水印技术与加密算法结合起来的一种通用方法，目的是提高水印的可靠性、安全性和通用性。水印的嵌入过程如图 1 所示，设有编码函数 E，原始图像 I 和水印W，那么水印图像表示见公式(2)：I=E(I,W)=E(I,F(I,W,K)（2）数字水印嵌入模型数字水印嵌入模型原始图像嵌入算法水印密钥嵌入水印的图像图1 水印的嵌入模型数字水印检测模型数字水印检测模型待检图像检测算法原始水印提取出来的水印密钥原始图像图2 水印的检测模型 在完整性确认和篡改提示应用中，必须能够精确的提取出嵌入的水印信息，从而通过

4、水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。所以水印提取框图如图 2空间域数字水印算法空间域数字水印算法 一般来说，不对信号作任何频率变换而得到的信号域就是时空域。通常是采用修改像素的某个分量值来实现水印的嵌入。典型的空域水印算法包括LSB算法、Patchwork算法和纹理块映射编码算法等。一、一、LSB LSB算法算法 LSB算法利用了数字图像处理中位平面的原理，即改变图像的最低位的信息，对图像信息产生的影响非常小，人眼的视觉感知系统往往不能察觉。以一幅256灰度的图像为例，256灰度共需要8个位来表示，但其中每一个位的作用是不一样的，越高位对图像的影响越大，反之越低的位影响越小，甚至不能感知。空

5、间域数字水印算法空间域数字水印算法 LSB算法实现较为简单，首先，需要考虑嵌入的数字水印的数据量，如果嵌入最低的1位，则可以嵌入的信息量是原始图像信息量的18，如果适用最低两位则可以嵌入的信息量是14，以此类推。适用的最低位越多，嵌入的数字水印的信息量越大，同时对图像的视觉效果影响也越大。然后，适当调整数字水印图像的大小和比特位数，以适应数字水印图像数据量的要求。最后，对原始图像中要使用的最低位置0，再将数字水印数据放入原始图像的最低位即可。空间域数字水印算法空间域数字水印算法二、二、Patchwork Patchwork算法算法 该算法是一种基于改变载体图像数据的统计特性的水印算法，因此称为

6、“拼凑”(Patchwork)算法。该算法是通过改变图像数据的统计特性将信息嵌入到像素的亮度值中。具体方法是：随机选取N对像素点(ai,bi)，这些随机选取的两个像素点的差值是以0为中心的高斯分布；然后将点ai 的亮度值加1，点bi 的亮度值减1，这样改变分布的中心，并且使得整个图像的平均亮度保持不变；最后采用统计的方法来对水印进行检测。为了抵抗诸如有损压缩以及滤波的处理，它将像素点对扩展成小块的像素区域(patch)，增加一个patch中的所有像素点的亮度值，同时减少对应另外一个patch中所有像素点的亮度值。空间域数字水印算法空间域数字水印算法Patchwork水印嵌入算法的具体描述如下：

7、随机选择N对像素点(ai,bi)lum（）=像素点亮度值 for（i=1;i=N;i+）（lum（ai），lum（bi）=（lum（ai）+1，lum（bi）+1）；上述算法基于一个基本的假设：给一个足够大的N值，对于根据伪随机数生成器生成序列形成的图像像素对(ai,bi)，所有像素点ai的亮度平均值与所有像素点bi的亮度平均值非常接近。空间域数字水印算法空间域数字水印算法三、纹理块映射编码算法 纹理块映射编码算法是基于图像的纹理结构，将水印信息嵌入到数字图像的纹理部分。使用纹理块映射编码嵌入的水印将很难被察觉，对滤波、压缩等操作具有一定的抵抗作用。但这种方法只适用于纹理区域存在的图像，而且需

8、要人工的干预，并不能自动完成水印的嵌入。总结：在空域加入水印一般只能嵌入较小的数据量，并且空域水印算法很容易经过低通滤波、重新量化或有损压缩等操作去除水印，即空域水印的鲁棒性较差。由于空域水印算法在理论和应用上的这些局限性，更多研究者把目光投向了变换域。变换域数字水印算法变换域数字水印算法 在变换域的水印算法可以比较好的解决不可见性和鲁棒性之间的矛盾，基于变换域的方法是目前图像水印算法的主流。基于图像变换域的算法有很多，如有基于 DFT、DCT、DWT等变换的算法，选择哪一种变换主要依据其对水印算法的影响。变换域有以下优点：变换域有以下优点：变换域嵌入的水印信号能分布到空域的所有像素上，有利于

9、保证水印的不可见性。在变换域中，可方便地将人类视觉系统HVS的某些特性结合到水印算法中。变换域方法可与现有的图像压缩方法兼容，从而实现压缩图像的水印嵌入。离散小波变换（离散小波变换（DWT）Z主要介绍一下离散小波变换：图图3 3 小波小波基本小波基本小波 特点：并不唯一特点：并不唯一 满足条件：满足条件：2、定义在、定义在有限区间上的局部函数有限区间上的局部函数，只能，只能在某个有限区间内取值，在区间外为在某个有限区间内取值，在区间外为0或或近似为近似为0 3、满足相容性条件（存在逆变换的要求）、满足相容性条件（存在逆变换的要求）其中，为 的 傅里叶变换，而 是在平方可积的时数空间 1、函数曲

10、线下的总面积为、函数曲线下的总面积为0，函数在时间，函数在时间轴上上下振动呈现波的外观轴上上下振动呈现波的外观变换域数字水印算法变换域数字水印算法小波基函数小波基函数 由基本小波经伸缩和平移得到，若由基本小波经伸缩和平移得到，若 表示基表示基本小波，则形成的一组小波基函数本小波，则形成的一组小波基函数 表示为表示为：小波变换小波变换 其中，为进行缩放的缩放参数，反映特定基函数的宽度（或者叫尺度）；为进行平移参数，指定沿x轴平移的位置。变换域数字水印算法变换域数字水印算法尺度和平移参数离散化尺度和平移参数离散化令参数令参数 ，其中，其中 ，则，则离散（参数）小离散（参数）小波波为为记记 ，则：，

11、则：相应于离散小波 的离散（参数）小波变换离散（参数）小波变换为：2,2jjab k,j kZ22,2()2(2)jjjjkttk,2,2()()jjj kktt2,()2(2)jjj kttk,()j kt,(,),fj kWTj kf变换域数字水印算法变换域数字水印算法 小波变换是一种新型的信号分析理论，它用于图小波变换是一种新型的信号分析理论，它用于图像处理的基本思想是对图像进行多分辨率分解，分解像处理的基本思想是对图像进行多分辨率分解，分解成不同的空间、不同频率的子图像，然后再对子图像成不同的空间、不同频率的子图像，然后再对子图像的系数进行处理。的系数进行处理。执行离散执行离散小波变换

12、的有小波变换的有效方法是使用效方法是使用滤波器的滤波器的卷积卷积方案方案。其概念。其概念如图所示：如图所示：S A低通 B高通变换域数字水印算法变换域数字水印算法DWTDWT的传统实现方法的传统实现方法多级分解（多分辨率分析）多级分解（多分辨率分析）LPFLPFLPFHPFHPFHPFL1H1L2HL2L3HL3变换域数字水印算法变换域数字水印算法利用小波变换对原始图像进行三级小波分解。原始图利用小波变换对原始图像进行三级小波分解。原始图像信号经过三级分解后的分解示意图。像信号经过三级分解后的分解示意图。HL1HH1LH1LL1HL2HH2LH2LL2HL3HH3LH3LL3变换域数字水印算法

13、变换域数字水印算法原理：原理：卷积效果相当于计算平均值和差值 小波变换举例小波变换举例求差值：N0：33 32 33 32 31 -29 27 -25 64-33=31 3-32=-29 60-33=27 7-32=25 原始信号：R0：64 2 3 61 60 6 7 57第一级小波变换第一级小波变换 R0：64 2 3 61 60 6 7 57 (64+2)/2=33 (3+61)/2=32 (60+6)/2=33 (7+57)/2=32 变换域数字水印算法变换域数字水印算法 N0：33 32 33 32 31 -29 27 -25 (33+32)/2=32.5 (33+32)/2=32.

14、5 第二级小波变换第二级小波变换求差值 N1：32.5 32.5 0.5 0.5 31 -29 27 -25 33-32.5=0.5 33-32.5=0.5 N1：32.5 32.5 0.5 0.5 31 -29 27 -25 (32.5+32.5)/2=32.5 第三级小波变换第三级小波变换求差值 N2：32.5 0 0.5 0.5 31 -29 27 -25 32.5-32.5=0变换域数字水印算法变换域数字水印算法行变换行变换列变换列变换行变换行变换列变换列变换小波变换效果图小波变换效果图图像的标准分解方法图像的标准分解方法图像的非标准分解方法图像的非标准分解方法水印嵌入规则水印嵌入规则 数字水印技术中常用的嵌入方法主要有数字水印技术中常用的嵌入方法主要有乘性、加性和融合嵌入。乘性、加性和融合嵌入。乘性嵌入规则：乘性嵌入规则：加性嵌入规则：加性嵌入规则：(1*)IIW*IIW 融合嵌入规则：融合嵌入规则：(1)*,01IIWI表示嵌入水印后的载体图像，I 表示原始载体图像信息，W 表示水印图像信息，表示嵌入强度因子。