基于小波變換的數字水印技術研究摘要算法基于HAAR小波變換，把小波系數分塊，并計算每個塊的平均值。在一系列信號處理之后，這些塊尤其是大的塊的平均值不會有很大改變，否則，重構的圖像就與原始圖像有很大差別。通過對這些塊的平均值進行量化來嵌入水印；提取時也依賴于相應塊的平均值，所以不需要原始圖像參與。算法對有損壓縮、小波壓縮、噪聲、中值濾波和剪裁等操作有較好的魯棒性。關鍵詞信息隱藏；數字水印；小波變換引言隨著計算機和網絡的飛速發展，人們的許多創作和成果都以數字形式進行存儲和發布。然而，數字作品極易被非法拷貝、偽造和竄改，使得很多版權所有者不愿意利用網絡公開其作品，從而阻礙其自身發展。目前，數字作品的版權保護不僅僅是立法問題，也是一個很重要的技術難題。從技術上看，數字媒體版權信息的嵌入和檢測問題，是數字作品版權保護的兩個關鍵問題，它綜合了傳統密碼學的認證和鑒別問題的特點，又加入了穩健性要求。版權保護信息必須與被保護的數據密切結合，版權保護信息的鑒別過程必須具有了抗干擾能力。在這種情況下，數字水印技術應運而生。1數字水印技術概述提到水印，人們都會想到鈔票中的水印。鈔票水印具有兩條特性，首先，水印在通常情況下不可見，只有在特殊的觀察條件下才可見（鈔票中水印在光下可見）。其次，水印信息必須與載體對象相關（在這里表示紙幣的真實性）。11數字水印技術的特性可證明性能夠為受到版權保護的數字產品提供完全可靠的證據。不可見性即被嵌入水印信息的數字產品不會出現明顯的質量下降，隱藏的數據不易被察覺；另外，不能用統計的方法恢復出水印。魯棒性添加的數字水印必須對施加于宿主圖象的攻擊具有一定的免疫能力，不能因為對宿主圖象的某種操作而導致水印信息丟失。12數字水印技術的應用水印技術的應用極為廣泛，主要有以下7種應用領域廣播監控、所有者識別、所有權驗證、交易跟蹤、內容真偽鑒別、拷貝控制以及設備控制。2小波變換理論自1986年以來，小波分析的理論、方法與應用的研究一直方興未艾。作為一種數學工具，小波變換是對人們熟知的傅立葉變換和窗口傅立葉變換的一個重大突破，為信號分析、圖像處理及其它非線性科學研究領域帶來了革命性的影響。人類視覺系統（HVS）的文理特性和照亮掩蔽特性表明，紋理越復雜，背景的亮度越亮，人類視覺對其輕微變化就越不敏感。大量的研究表明，人眼在處理圖像信號時，將圖像濾波成若干的子帶信號，他們占據不同的頻率范圍，即圖像在HVS中被認為是由不同頻率范圍的信息組成。其特征為人眼對反映局部結構的邊緣和輪廓不敏感；對低頻信號，表現出較高的靈敏度。HVS在同一品大范圍對不同方向紋理細節信號等表現出不同的靈敏度，這一特點與小波變換的多分辨率分析具有一定的相似性。小波變換是傅立葉變換的發展，是空間和頻率的局部變換，它在頻域和時域同時具有良好的局部化特征。小波變換在圖像處理中的基本思想是把圖像進行多分辨率分解成不同的空間和獨立的頻率帶的子圖像，然后對子圖像的系數進行處理。根據SMALLAT的塔式分解算法，圖像經過小波變換后分解成四個子圖水平方向LH、垂直方向HL和對角線方向HH的中高頻細節子圖和低頻逼近子圖LL。低頻部分還可以繼續分解，產生三個高頻帶系列LHN、HLN、HHN（N1，2，3）和一個低頻帶LL3（見圖1）。圖1中的LL3表示小波變換分解級數決定的最大尺度、最小分辨率下對原始圖像的最佳逼近，它的同級特征和原理圖相似，圖像大部分能量集中于此。高頻帶系列代表圖像的邊緣和紋理。3DWT變換域數字水印技術31數字水印嵌入技術圖像的水印技術根據水印嵌入的方式可以分為兩類時/空域技術（水印被直接嵌入在圖像的亮度值中）和變換域技術（將圖像做某種數學變換，然后水印被嵌入于變換系數中）。早期人們對水印的研究基本上是基于時空域的，算法相對簡單，實時性較強，但在魯棒性上不如變換域算法。目前變換域方法正日益普遍，有DCT、DWT、DFT變幻域算法。變換域算法的優點是1、水印信息分布到空間域的所有像素上，有利于提高水印的不可見性。2、能方便的與HVS人類視覺系統的某些特性結合。3、很好的魯棒性，對圖像壓縮、常用的圖像濾波以及噪聲均有一定的抵抗力。離散余弦變換是從圖像空間到頻率空間的全局變換，由于離散余弦變換的全局本質，在變換空間中任何一個數據的誤差都會影響到圖像中的每一個像素。利用小波變換把原始圖像分解成多頻段的圖像，能適應人眼的視覺特性且使得水印的嵌入和檢測可分多個層次進行，小波變換域數字水印方法見具有時空域方法和DCT變換域方法的優點。在一系列信號處理后，如果觀察者的主觀感覺圖像的變化不大，那么圖像處理前后低、中頻的小波系數的改變幅度同樣有限，另外系數幅值改變的方向變大或變小在多數情況下也不同，因此，低、中頻系數的平均改變幅度十分有限。本算法選取部分低、中頻系數并分成一定大小的系數塊，通過量化系數塊的平均值來嵌入水印序列。311選擇系數設XM，N是一幅大小為MN灰度級為2“的灰度圖像1MM，1NN，其中M，N，A為正整數。對XM，N進行L層L為正整數小波分解，得到3L個細節圖像和一個低頻近似圖像，用XK，LMI，NJKH，V，D；L1，2，L；MI1，2，M2L；NJ1，2，N2L表示選擇的小波系數，其中L表示分解的層次，KH，V，D分別表示第L層水平、垂直和對角方向的子圖像。考慮到量化低頻子圖可能產生較大失真，因此不在其中嵌入水印，而選擇除低頻外的中頻系數3。312分塊并計算每塊的平均值根據嵌入的信息量和對算法魯棒性的要求，塊越大，水印的魯棒性越好，但嵌入的水印比特少。把XK，LMI，NJ分成一定大小的塊，用BLOCKS，T表示XK，LMI，NJ中大小為ST的系數塊，其中S1，2，MI，T1，2，NJ，B為正整數，代表該塊的編號。其平均值為AVEBLOCK（S，T）/（ST）其中BLOCK為塊內系數幅值的累計和。313量化水印序列W的嵌入是通過對AVE的量化完成的，例如量化成奇數代表嵌入“1”，量化成偶數相當于嵌入“0”。根據對魯棒性和隱藏性的折中考慮，設量化間隔L，L1，2，L表示分解層數，對于低頻的第L層，由于系數幅值極大，可以作較大間隔的量化，對第L1，1層次作間隔逐漸減小的量化，量化按下圖進行根據WI0，1將AVE量化到與之最近的奇、偶點。用DATI，J表示BLOCK中的一個小波系數，量化后的該系數用DATI，J表示，其中I1，2，S；J1，2，T。設TAVEL，TURDATREMT，2其中表示四舍五入取整，REM表示求T除以2的余數。若TURDAT與WI相同，則量化的小波系數為DATI，JDATI，JTLAVE若TURDAT與WI不同，小波系數按下列量化DATI，JDATI，J（T1）LAVE，TTDATI，JDATI，J（T1）LAVE，TINCLUDEINCLUDE“DIBFILEH“INCLUDE“RESOURCEH“DEFINEPI31415926TYPEDEFSTRUCTTAGCOMPLEXFLOATREFLOATIMCOMPLEXINTFIXFLOATTVOIDFFTCOMPLEXT,LONGNUMVOIDDCTFLOATT,UNSIGNEDNUMVOIDIDCTFLOATT,UNSIGNEDNUMVOIDDCT2FLOATCPIC,UNSIGNEDNUMVOIDIDCT2FLOATCPIC,UNSIGNEDNUMCOMPLEXCOMPLEXADDCOMPLEXA,COMPLEXBCOMPLEXCOMPLEXMULCOMPLEXA,COMPLEXBCOMPLEXCOMPLEXSUBCOMPLEXA,COMPLEXBLRESULTCALLBACKWNDPROCHWND,UINT,WPARAM,LPARAMVOIDIWVLTTRANSBYTETMP,LONGNWIDE,LONGNHEIGHT,INTNVOIDCWVLTTRANSBYTETMP,LONGNWIDE,LONGNHEIGHT,INTNVOIDSHADEBYTEPIC,BYTETMP,LONGWIDE,LONGHEIGHT,LONGNWIDE,LONGNHEIGHT,INTNVOIDGETSHADEBYTETPIC,BYTETMP,LONGWIDE,LONGHEIGHT,LONGNWIDE,LONGNHEIGHT,INTNVOIDNOISEBYTETPIC,LONGWIDE,LONGHEIGHTBYTEGETVALUEBYTET,INTNVOIDDITONGBYTEPIC,LONGWIDE,LONGHEIGHT,INTNTCHARSZAPPNAME“SHOWDIB1“TCHARSZAPPNAME1“SHOWDIB2“INTPICOPEN0INTSHADEOPEN0INTGETOPEN0INTDONOISE0INTDOZZ0INTWINAPIWINMAINHINSTANCEHINSTANCE,HINSTANCEHPREVINSTANCE,PSTRSZCMDLINE,INTICMDSHOWHACCELHACCELHWNDHWNDMSGMSGWNDCLASSWNDCLASSWNDCLASSSTYLECS_HREDRAW|CS_VREDRAWWNDCLASSLPFNWNDPROCWNDPROCWNDCLASSCBCLSEXTRA0WNDCLASSCBWNDEXTRA0WNDCLASSHINSTANCEHINSTANCEWNDCLASSHICONLOADICONNULL,IDI_APPLICATIONWNDCLASSHCURSORLOADCURSORNULL,IDC_ARROWWNDCLASSHBRBACKGROUNDHBRUSHGETSTOCKOBJECTWHITE_BRUSHWNDCLASSLPSZMENUNAMELPCTSTRIDC_DIBFILEWNDCLASSLPSZCLASSNAMESZAPPNAMEIFREGISTERCLASSRETURN0HWNDCREATEWINDOWSZAPPNAME,TEXT“SHOWDIB“,WS_OVERLAPPEDWINDOW|WS_SYSMENU,CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,NULL,NULL,HINSTANCE,NULLSHOWWINDOWHWND,ICMDSHOWUPDATEWINDOWHWNDHACCELLOADACCELERATORSHINSTANCE,SZAPPNAMEWHILEGETMESSAGEDISPATCHMESSAGERETURNMSGWPARAMLRESULTCALLBACKWNDPROCHWNDHWND,UINTMESSAGE,WPARAMWPARAM,LPARAMLPARAMSTATICBITMAPFILEHEADERPBMFH,PBMFH1STATICBITMAPINFOPBMI,PBMI1STATICBYTEPBITSSTATICBYTEPBITS1,PBITS2STATICBYTEPICSTATICBYTESPICSTATICLONGCXCLIENT,CYCLIENT,CXDIB,CYDIBSTATICTCHARSZFILENAMEMAX_PATH,SZTITLENAMEMAX_PATH,SZFILENAME1MAX_PATH,SZTITLENAME1MAX_PATHBOOLBSUCCESSHDCHDCPAINTSTRUCTPSINTX,Y,N1STATICLONGWIDE,HEIGHTSTATICLONGNWIDE,NHEIGHT/水印圖像/WIDEHEIGHTNWIDENHEIGHT0SWITCHMESSAGECASEWM_CREATEDIBFILEINITIALIZEHWNDRETURN0CASEWM_SIZECXCLIENTLOWORDLPARAMCYCLIENTHIWORDLPARAMRETURN0CASEWM_INITMENUPOPUPENABLEMENUITEMHMENUWPARAM,IDM_FILE_SAVE,PBMFHMF_ENABLEDMF_GRAYEDRETURN0CASEWM_COMMANDSWITCHLOWORDWPARAMCASEIDM_FILE_OPEN/SHOWTHEFILEOPENDIALOGBOXIFDIBFILEOPENDLGHWND,SZFILENAME,SZTITLENAMERETURN0/IFTHERESANEXISTINGDIB,FREETHEMEMORYIFPBMFHFREEPBMFHPBMFHNULL/LOADTHEENTIREDIBINTOMEMORYSETCURSORLOADCURSORNULL,IDC_WAITSHOWCURSORTRUEPBMFHDIBLOADIMAGESZFILENAMESHOWCURSORFALSESETCURSORLOADCURSORNULL,IDC_ARROW/INVALIDATETHECLIENTAREAFORLATERUPDATEIFPBMFHNULLMESSAGEBOXHWND,TEXT“CANNOTLOADDIBFILE“,SZAPPNAME,0RETURN0/GETPOINTERSTOTHEINFOSTRUCTURE/THEIMAGESINFORMATION/PBITS存放圖像的信息PBITSBYTEPBMFHPBMFHBFOFFBITS/GETTHEDIBWIDTHANDHEIGHTIFPBMIBMIHEADERBISIZESIZEOFBITMAPCOREHEADERCXDIBBITMAPCOREHEADERPBMIBCWIDTHCYDIBBITMAPCOREHEADERPBMIBCHEIGHTELSECXDIBPBMIBMIHEADERBIWIDTHCYDIBABSPBMIBMIHEADERBIHEIGHTWIDECXDIBHEIGHTCYDIBPICOPEN1SPICNEWBYTEWIDEHEIGHTFORX0XBFOFFBITS/GETTHEDIBWIDTHANDHEIGHTIFPBMI1BMIHEADERBISIZESIZEOFBITMAPCOREHEADERNWIDEBITMAPCOREHEADERPBMI1BCWIDTHNHEIGHTBITMAPCOREHEADERPBMI1BCHEIGHTELSENWIDEPBMI1BMIHEADERBIWIDTHNHEIGHTABSPBMI1BMIHEADERBIHEIGHT/NWIDECXDIB/NHEIGHTCYDIBSHADEOPEN1IFPICOPEN1INVALIDATERECTHWND,NULL,TRUERETURN0CASEIDD_GETSHADEGETOPEN1IFPICOPEN1PBITS2NEWBYTEWIDEHEIGHT/64GETSHADEPBITS,PBITS2,WIDE,HEIGHT,WIDE/8,HEIGHT/8,NINVALIDATERECTHWND,NULL,TRUERETURN0CASEID_32779/NOISEDONOISE1NOISEPBITS,WIDE,HEIGHTINVALIDATERECTHWND,NULL,TRUERETURN0CASEID_32780/濾波DOZZ1DITONGPBITS,WIDE,HEIGHT,3INVALIDATERECTHWND,NULL,TRUERETURN0CASEID_32778IFPICOPEN1MESSAGEBOXHWND,TEXT“完成“,SZAPPNAME,0INVALIDATERECTHWND,NULL,TRUERETURN0CASEIDM_FILE_SAVE/SHOWTHEFILESAVEDIALOGBOXIFDIBFILESAVEDLGHWND,SZFILENAME,SZTITLENAMERETURN0/SAVETHEDIBTOMEMORYSETCURSORLOADCURSORNULL,IDC_WAITSHOWCURSORTRUEBSUCCESSDIBSAVEIMAGESZFILENAME,PBMFHSHOWCURSORFALSESETCURSORLOADCURSORNULL,IDC_ARROWIFBSUCCESSMESSAGEBOXHWND,TEXT“CANNOTSAVEDIBFILE“,SZAPPNAME,0RETURN0BREAKCASEWM_PAINTHDCBEGINPAINTHWND,IFPBMFHSETDIBITSTODEVICEHDC,5,/XDST5,/YDSTWIDE,/CXSRCHEIGHT,/CYSRC0,/XSRC0,/YSRC0,/FIRSTSCANLINEHEIGHT,/NUMBEROFSCANLINESPBITS,/ADDRESSOFARRAYWITHDIBBITSPBMI,/ADDRESSOFSTRUCTUREWITHBITMAPINFODIB_RGB_COLORSIFSHADEOPEN1SETDIBITSTODEVICEHDC,WIDE15,/XDST5,/YDSTNWIDE,/CXSRCNHEIGHT,/CYSRC0,/XSRC0,/YSRC0,/FIRSTSCANLINENHEIGHT,/NUMBEROFSCANLINESPBITS1,/ADDRESSOFARRAYWITHDIBBITSPBMI1,/ADDRESSOFSTRUCTUREWITHBITMAPINFODIB_RGB_COLORSIFGETOPEN1SETDIBITSTODEVICEHDC,WIDE15,/XDSTHEIGHT/825,/YDSTWIDE/8,/CXSRCHEIGHT/8,/CYSRC0,/XSRC0,/YSRC0,/FIRSTSCANLINEHEIGHT/8,/NUMBEROFSCANLINESPBITS2,/ADDRESSOFARRAYWITHDIBBITSPBMI1,/ADDRESSOFSTRUCTUREWITHBITMAPINFODIB_RGB_COLORSENDPAINTHWND,RETU