1、 泉泉 州州 師師 范范 學學 院院 畢業論文（設計）畢業論文（設計） 題 目 基于小波變換的數字水印技術研究 物理與信息工程 學 院 電子信息科學與技術 專 業 07 級 1 班 學生姓名 朱志攀 學 號 070303033 指導教師 陳木生 職 稱 講師 完成日期 2011 年 4 月 10 日 教務處教務處 制制 基于小波變換的數字水印技術研究基于小波變換的數字水印技術研究 物理與信息工程學院物理與信息工程學院 電子信息科學與技術專業電子信息科學與技術專業 070303033070303033 朱志攀朱志攀 指導教師指導教師 陳木生陳木生 講師講師 【摘摘要要】：隨著網絡與多媒體技術的發

2、展，數字媒體作品版權的標識及保護問題越來越突出。數字水印技術通過隨著網絡與多媒體技術的發展，數字媒體作品版權的標識及保護問題越來越突出。數字水印技術通過 將水印信息嵌入原始數據中來證明數字作品的版權，是解決這個問題的一種有效方法。本文提出一種基于小波變換將水印信息嵌入原始數據中來證明數字作品的版權，是解決這個問題的一種有效方法。本文提出一種基于小波變換 的圖像數字水印算法，通過將低頻子圖分塊并量化其小波系數，實現水印的嵌入和提取，并對其進行抗噪聲、的圖像數字水印算法，通過將低頻子圖分塊并量化其小波系數，實現水印的嵌入和提取，并對其進行抗噪聲、JPEGJPEG 壓縮、旋轉等實驗。對于旋轉攻擊，該

3、算法結合了圖像的歸一化技術。實驗結果表明，該算法對常見圖像處理和旋壓縮、旋轉等實驗。對于旋轉攻擊，該算法結合了圖像的歸一化技術。實驗結果表明，該算法對常見圖像處理和旋 轉都有較好的魯棒性。轉都有較好的魯棒性。 【關鍵詞關鍵詞】：數字水印；小波變換；魯棒性；量化；抗旋轉數字水印；小波變換；魯棒性；量化；抗旋轉 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論3 1.1 研究背景 3 1.2 研究現狀 3 1.3 研究意義 4 第二章第二章 數字水印技術簡介數字水印技術簡介5 2.1 數字水印的概念 5 2.2 數字水印的特點 5 2.3 數字水印的分類 5 2.4 數字水印系統 6 2.5 數字水印的性能評估

4、7 第三章第三章 小波變換理論小波變換理論8 3.1 小波分析基礎 8 3.2 小波變換簡介 8 3.2.1 離散小波變換8 3.2.2 小波域數字水印的優點9 第四章第四章 本文數字水本文數字水印印技術的實現技術的實現10 4.1 水印的嵌入和提取 10 4.1.1 水印的嵌入過程10 4.1.2 水印的提取過程11 4.1.3 實驗結果11 4.2 抗攻擊實驗 12 4.2.1 抗噪聲實驗12 4.2.2 抗 JPEG 壓縮實驗12 4.2.3 濾波實驗13 4.2.4 抗剪切實驗14 4.2.5 抗旋轉實驗15 第五章第五章 結論結論17 參考文獻參考文獻17 致致 謝謝18 英文翻譯英

5、文翻譯19 第一章第一章 緒論緒論 1.1 研究背景 隨著網絡和多媒體技術的發展, 數字媒體逐漸被廣泛應用，各種形式的多媒體數字作品如圖像、 視頻、音頻等紛紛以網絡的形式發表。人們可以通過 Internet 發布自己的多媒體作品和進行網絡 交易等，但隨之而來的問題是：任何人都可以通過網絡很輕易地獲取他人的原始作品，特別是數字 化的圖像、音頻、視頻等，盜用者不僅可以通過非法手段得到電子數據，而且可以不經過作者的同 意而對原始作品進行復制、修改、生產和再傳輸等，這些不法行為嚴重侵犯了作者的版權，對版權 所有者造成了巨大的經濟損失，對信息安全造成巨大的沖擊1。版權保護已經成為一個迫切需要解 決的現實

6、問題，媒體信息的數字化和網絡化給版權保護帶來了新的難度。傳統的加解密系統已經不 能有效地解決版權保護問題。因為，經過加密后只有被授權持有解密密鑰的人才能夠存取數據，這 樣自己的作品就無法向更多的人展示；而且數據一旦被解密，就完全處于解密人的控制之下，原創 作者無法追蹤作品的復制和再次傳播。 為了解決這一問題,僅僅依靠傳統的加密技術已經遠遠的不能滿足人們的要求了,而以將特定的 數字標志信息隱藏在數字作品中為特征的數字水印技術卻在此方面發揮了巨大的作用。作為信息隱 藏技術的一個重要分支,數字水印技術可以說是信息時代特有的產物,正是由于數字作品的知識產權 保護及其他一系列需求促使了數字水印的出現。數

7、字水印技術被認為是解決網絡化和數字化時代數 字作品版權保護的一種有效方法。數字水印技術是將具有一定意義的標識信息嵌入原始的媒體數據 中，這些信息就是水印信息，它與原始數據緊密結合，且隨之一起被傳輸。在接收端，水印信息被 提取出來，可用于廣播監視、數字簽名、數字指紋、內容認證和秘密通信等。因而數字水印被認為 是抵抗多媒體盜版的“最后一道防線”2。 在我國，現行的稅務發票、增值稅發票、偽造制假造成稅款大量的流失。長期來，猖獗的偽造 發票現象給國家造成了數目巨大的稅款流失。因而從數字水印技術自身來講，它具有巨大的經濟價 值和廣泛的應用前景，已經成為了多媒體信號處理中的一個研究熱點。 1.21.2 研

8、究現狀 數字水印技術是當前多媒體信息安全研究領域發展較快的熱點技術之一，它涉及了不同學科領 域的理論和思想，如信號處理、編碼理論和數字通信、算法設計等技術，還包括法律和公共策略等 問題，有著良好的應用前景3。從 1993 年 Caronni 正式提出數字水印到現在的十幾年時間里，它 已經引起國內外很多公司、研究機構等的極大關注。 在國外方面， IEEE 會報 、 IEEE 圖像處理 、 IEEE 消費電子學 、 IEEE 通信選題等很多 國際著名的期刊都組織了數字水印的專題新聞報道或技術專刊。在 1999 年第三屆信息隱藏國際學 術研討會上，數字水印成為主要焦點，全部 33 篇文章中有 18

9、篇是關于數字水印的研究。以麻省理 工學院媒體實驗室為代表的一批美國研究機構及企業已經申請了數字水印方面的專利。美國版權保 護技術組織（CPTWG）也成立了專門的數據隱藏小組（DHSG）用于制定版權保護水印的技術標準。 目前，已支持或開展數字水印技術研究的機構不僅有政府部門，也有知名企業和大學，它們包括美 國財政部、美國空軍研究院、美國版權工作組、美國陸軍研究實驗室、德國國家信息技術研究中心、 日本 NTT 信息與通信系統研究中心、麻省理工學院、西班牙 Vigo 大學、劍橋大學、瑞士洛桑聯邦 工學院、朗訊公司貝爾實驗室、IBM 公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、CA 公司、Son

10、y 公司、NEC 研究所以及荷蘭菲利浦公司等。SPIE 和 IEEE 的一些重要國際會議也相繼開辟了很多相 關的專題4。 國內方面，隨著信息技術交流的加快和水印技術的迅速發展，已經有相當一批有實力的科研機 構投入到這一領域的研究中來。1999 年 12 月，我國第一屆信息隱藏學術研討會由國內信息安全領 域的何德全院士、蔡吉人院士、周仲義院士及有關應用研究單位聯合發起召開。2000 年 1 月，中 科院自動化所模式識別國家重點實驗室和國家“863”智能機專家組組織召開了數字水印學術研討 會，來自中國科學院、國家信息安全測評認證中心、國家自然科學基金委員會、清華大學、北京郵 電大學、國防科技大學、

11、中國科技大學、北京電子技術應用研究所、上海交通大學、天津大學、北 京大學、中山大學、北方工業大學等單位的專家學者和研究人員深入探討了數字水印的關鍵技術， 報告了各自的研究成果，很大程度地推動了國內數字水印技術的研究與發展。從會議反應的情況可 以看出，我國數字水印學術領域的研究與世界水平相差不大，而且有自己獨特的研究思路14。國 家對信息安全產業的健康發展也非常重視，在 2003 年的科技型中小企業技術創新基金若干重點 項目指南中，明確指出了對于“數字產品產權保護（基于數字水印、信息隱藏、或者網絡認證等 先進技術） ”和“個性化產品（證件）的防偽（基于水印、編碼、或挑戰應答等技術） ”等多項防盜

12、 版和防偽技術給予重點支持。現在國內已經出現了不少生產水印產品的公司，其中比較有代表性的 是由中科院自動化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等人于 2002 年在上海創辦了的一家專門從事數字水印、 多媒體信息和網絡安全、防偽技術等軟硬件開發的公司上海阿須數碼技術有限公司，公司現從 事數字證件、數字印章、PDF 文本、分塊離散圖像、視頻、網絡安全等多方面數字水印技術的研究。 雖然數字水印在國內的應用還處在初級發展階段，但水印公司的創辦使得數字水印技術在國內不僅 僅只停留在理論研究的層面上，而是走上了實用化和商業化的道路，推動了國內水印技術的蓬勃發 展，為國內的信息安全產業提供有效、安全的保障。 1.31.3

13、 研究意義 數字水印技術作為一種有效的多媒體作品版權保護和數據安全維護技術，它把具有特定意義的 水印信號，利用數字嵌入的方法隱藏在數字作品的空域或頻域中，用來證明創作者對其作品的所有 權，并作為鑒定、起訴非法侵權的證據；同時通過對水印的檢測和分析可以保證數字信息的完整可 靠性。因而，數字水印技術被認為是知識產權保護和多媒體數字作品防偽的有效手段，它將促進隱 蔽通信技術和信息安全技術的提高。目前提出的數字水印的嵌入方式大致可以分為空間域數字水印 和變換域數字水印兩大類。空域算法主要采用各種方法直接修改數字圖像的像素, 典型的一種算法 是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的像素位 (LSB)上

14、，這可保證嵌入的水印是不可見的。 但是由于它使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易因圖像量化、濾波、幾 何變形的操作而被破壞。變換域水印算法首先對圖像進行變換，將空域數據變換到頻域中,然后嵌 入水印,如離散傅里葉變換(DFT) 、離散小波變換(DWT) 、離散余弦變換(DCT)等,其優點是嵌入的 水印信息量大,嵌入效果比較好，魯棒性較空域算法高5。變換域數字水印算法的研究使得水印能 有效地抵抗剪切和旋轉等幾何攻擊，具有較強的魯棒性。本設計在小波變換理論的基礎上提出一種 算法，實現圖像數字水印的嵌入和提取。并進行一些抗攻擊性能的實驗，以判斷該算法的魯棒性。 第二章第二章 數字水

15、印技術簡介數字水印技術簡介 2.12.1 數字水印的概念 數字水印（digital watermark） ，是指通過一定的算法嵌入在數字產品中的數字信息，它可以 是圖像、聲音、文字、符號、數字等所有可以作為標記、標識的信息。它的存在不會破壞原始數據 的使用價值和欣賞價值。被嵌入的標識信息通常不容易被人的視覺或聽覺系統察覺到，但是通過一 些計算操作可以將這些信息檢測并提取出來。水印與原始數據緊密結合且隱藏在其中，成為原始數 據中不可分離的一部分，并可以經歷一些不破壞原始數據使用價值或商用價值的操作而留存下來。 通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，人們可以確認內容創建者、購買者的信息或者判斷內容是否

16、 真實完整的。水印系統所隱藏的信息是與該產品相關的版權標志、購買者或其他相關信息6。因而， 數字水印是實現版權保護的有效手段，是信息隱藏技術研究領域的重要分支。 2.22.2 數字水印的特點 數字水印不僅要實現有效的版權保護，而且嵌入水印后的圖像必須與原始圖像具有同樣的應用 價值，也就是說數字產品不會因為嵌入水印而變得不可用。因此，數字水印主要有以下特點7： 安全性：安全性表現為水印能夠抵抗惡意攻擊的能力，惡意攻擊主要指任何意在破壞水印價值 的行為。數字水印信息應該是安全的，難以偽造或篡改，同時，應當有較低的誤檢測率，當原始數 據發生變化時，數字水印應當發生變化，從而可以檢測原始數據的變更；此

17、外，數字水印同樣對重 復添加有很強的抵抗性。 不可見性：數字水印應是不可知覺的，而且應不影響被保護數據的使用價值。加有水印后的圖 像不能有視覺質量的下降，與原始圖像對比，很難發現兩者的差別。 魯棒性：也稱穩健性，是指在經過常規信號處理操作后，數字水印仍可以保持部分完整性并且 被準確檢測出來的能力。針對圖像的常規操作主要包括：空間濾波、有損壓縮、打印與復印、幾何 形變（平移、縮放、旋轉及其他）等。 水印容量：是指載體數據在不發生形變的前提下可以嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必須 足夠表示多媒體內容的創建者或所有者的標志信息，或購買者的序列號等信息，這樣有助于解決版 權糾紛問題，保護數字作品的產

18、權合法擁有者的利益。特別是隱蔽通信領域的特殊性，對水印的容 量需求很大17。 2.32.3 數字水印的分類 數字水印技術根據不同的根據有不同的分類方法，一般有以下幾種分類8： (1)按水印的內容劃分:可以將水印分為無意義水印和有意義水印。無意義水印是指嵌入的水印信息 沒有實際的含義，它可以是偽隨機二值序列、偽隨機實數序列和混沌序列等。有意義水印指嵌入的 水印信息具有一定的意義，可以較為直觀地表示出數字作品的信息，它可以是數字圖像、數字音頻 和文字等。目前在實際應用中絕大部分水印采用有意義水印，它能夠更有效地保護數字作品的版權。 (2)按水印的可見性劃分:這種劃分依據主要適用于數字圖像作品中。根

19、據人類視覺系統的特性，按 照數字水印在數字圖像作品中是否可見將數字水印分為可見水印和不可見水印。可見水印指水印在 數字圖像中可以看得出來。不可見水印指將水印信息嵌入到數字視頻、音頻或圖像當中，從表面上 很難察覺到水印的存在以及數字作品的變化，但是當發生版權糾紛時，可以從這些數字作品中提取 出水印，來證明數字作品的版權歸屬，它比可見水印應用更加廣泛。 (3) 按水印的特性劃分：可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱水印兩種。前一種要求嵌入的水 印對常用的編輯處理或惡意攻擊有一定的抵抗性；而后一種則要求對信息的改動有很強的敏感性。 (4)按水印所依附的載體形式劃分:可以將水印劃分為文本水印、圖像水印

20、、音頻水印、視頻水印以 及用于三維網格模型的網格水印等。 (5)按水印嵌入的位置劃分:可以將水印劃分為空域數字水印和變換域數字水印。空域水印的嵌入和 提取是通過修改圖像像素點的灰度值或強度來實現的，但它對常見圖像處理的攻擊及噪聲干擾的魯 棒性較差。變換域數字水印是將水印添加到原始圖像的某種變換系數中，更容易與人類感知系統的 某些掩蔽特性相結合。變換域數字水印對壓縮和某些圖像處理等攻擊的魯棒性更強。 (6)按水印檢測過程劃分:可將水印分為非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印在檢測數字水印的 過程中，需要原始數據和原始水印的參與。半盲水印不需要原始數據，只需要原始水印來進行檢測。 盲水印在檢測數字

21、水印的過程中只需要密鑰，而不需要原始數據和原始水印的參與。 (7)按水印的用途劃分：可以將數字水印劃分為版權保護水印、票證防偽水印、篡改提示水印和隱 蔽標識水印等15。 2.42.4 數字水印系統 一個完整的數字水印系統通常包括水印的嵌入、提取和檢測三個部分。 (1)水印嵌入：將水印信息進行預處理后加入到載體中的過程，稱為水印的嵌入。水印的嵌入過程 如圖 2-1 所示。 密鑰 水印信息 原始數據 嵌入算法 含水印數據 圖 2-1 水印嵌入框圖 (2)水印提取：從含水印的數據中提取出水印信息的過程，稱為水印的提取。水印的提取過程如圖 2-2 所示。 含水印數據 密鑰 原始數據提取算法水印信息 圖

22、 2-2 水印提取框圖 (3)水印檢測：判斷待測數據中是否存在水印信息的過程，稱為水印的檢測。水印的檢測一般需要 原始數據的參與，如果沒有原始數據，則檢測將比較困難。水印的檢測過程如圖 2-3 所示。 原始數據密鑰原始水印 待測數據水印檢測算法水印存在與否 圖 2-3 水印檢測框圖 2.52.5 數字水印的性能評估 對數字水印結果進行性能評估對于數字水印的標準化以及水印走向實際應用都具有重要的意義， 主要從主觀上和客觀上進行評估。主觀上是根據人的眼睛觀察圖像水印的結果。即人眼的感覺對水 印的不可見性。客觀上通常采用峰值信噪比（PSNR）來定量評價嵌入水印的圖像和原始圖像的差 別，用相似度（NC

23、）來度量提取的水印與原始水印的相似程度。 （1）設和分別表示原始圖像和嵌入水印后的圖像中點(x,y) 的灰度值，圖像行和列的個 , x y p , x y p 數分別是X、Y，則峰值信噪比為9： （2-1） 2 , , 10 2 , , max 10log () x y x y x yx y x y XYp PSNR pp 由式（2-1）可以看出峰值信噪比越高，兩幅圖像間的相似程度越高，即表示嵌入水印后的圖 像有較好的不可感知性。即 PSNR 值越大，水印的隱蔽性越好。 (2) 設和分別表示原始水印和提取的水印中點(i,j) 的灰度值。則相似度為：, ijW, ijW （2-2） ,*, ,

24、2 , , ijij i j i j i j NC W WW 圖像的相似度反映兩幅圖像的相似程度，由式（2-2）可知。NC 的值越大，提取出01NC 的水印與原始水印的相似性越好，即數字水印的魯棒性越好。 第三章第三章 小波變換理論小波變換理論 3.13.1 小波分析基礎 1981 年，法國地質學家 Jean.Morlet 第一次提出“小波分析”的概念，并建立了以自己名字命 名的 Morlet 小波，在地質信號處理中取得巨大的成功。此后，經過 Meyer, Daubechies 等學者的不 斷深入研究，奠定了小波分析的基礎。由于小波分析可以使人們更好地區分信號的平坦部分和敏感 變換部分，如今它

25、已經被廣泛應用于自然科學的諸多領域7。 通俗地講，小波（Wavelet）是一種在有限小區域內存在的波，是一種其函數表達式具有緊支 集，即在有限范圍內函數 f(x)不等于零的特殊波形7。它是由一個滿足條件 （3-1）( )0Ct dt 的函數通過平移和伸縮而產生一函數族。( ) t , ( ) a b t a,bR；a0 （3-2） 1 2 , ( )() a b tb ta a 稱為小波基函數，簡稱小波基。其中 a 為尺度因子（伸縮因子） ，b 為平移因子，因為它們 , ( ) a b t 都是連續變化的值，所以稱為連續變化的小波基函數。它們是由同一母小波函數經過 , ( ) a b t( )

26、 t 伸縮和平移后得到的一組函數系列。由于小波基函數在時域和頻域都具有有限的或近似有限的定義 域，所以經過伸縮平移后的函數在時域仍是局部性的。 3.23.2 小波變換簡介 小波變換是在傅立葉分析的基礎上發展起來的，它相對于傅立葉分析的優點是它在空域和時域 都是局部化的，其局部化格式隨著頻率自動變化，在低頻處取寬的時（空）間窗，在高頻處取窄的 時（空）間窗，適合處理非平穩信號。小波變換是對信號時間一尺度(時間一頻率)的一種分析方法， 具有多分辨率分析(MRA)的特點，而且在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力。它通過伸縮 和平移等運算對函數或信號進行多尺度細化分析，解決了許多傅立葉變換不能解決

27、的困難問題。 3.2.13.2.1 離散小波變換離散小波變換 在實際應用中，不管是圖像還是音頻信息，都是經過采樣量化后得到的一些離散數據。因此， 我們一般采用離散小波變換（Discrete Wavelet Transform）對信號進行處理。離散小波變換是指 在特定子集上采取平移和縮放的小波變換，是一種兼具時域和頻域多分辨率能力的信號分析工具。 此變換運用可以縮放平移的小波代替固定的窗進行計算分析，主要應用于信號編碼和數據壓縮。 離散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，分解為不同的空間和獨立 的頻率帶的子圖像，然后對子圖像的系數進行處理。根據S. Mallat的塔式分解算法

28、，通過一級小 波變換，原始圖像被分解為4個一級子圖：即1個低頻子圖LL1（原始圖像的主要部分及近似）和3 個高頻子圖（原始圖像的細節部分）：HL1（水平方向細節） ，LH1（垂直方向細節） ，HH1（對角方 向細節） 。若對低頻子圖LL1 再進行小波分解又得到低分辨率的4個二級子圖 （LL2、HL2、LH2、HH2） ，如圖3-1所示。如此重復，可以對圖像進行多級小波分解，其中最底層的 低頻子圖集中了被分解圖像的絕大部分信息，刻畫了圖像的主要特征，故稱為被分解圖像的近似子 圖；各高頻子圖分別保持了被分解圖像各方向的邊緣細節，刻畫了被分解圖像的邊緣細節特征，所 以稱為被分解圖像的細節子圖。低頻子

29、圖抵抗外來影響的能力較好，高頻子圖的邊緣細節容易受到 外來噪聲和常規圖像處理等因素影響，穩定性差16。圖3-2是woman圖像經過兩級小波變換后的圖 像。 圖 3-1 圖像的二級 DWT 分解 圖 3-2 兩級小波變換后的 woman 圖 3.2.23.2.2 小波域數字水印的優點小波域數字水印的優點 隨著小波變換理論的發展及其在數字圖像處理的應用，很多學者都已經提出了基于小波域的數 字圖像水印技術，小波變換在數字水印中的應用也日漸成熟。小波變換的各種優點都有利于在小波 域中開發圖像數字水印技術： （1）小波變換具有多分辨率分析的特性，它對圖像的描述為分層目錄結構，這樣就可以直接對 圖像進行層

30、次處理，而不需要對整幅圖像進行水印的驗證。這一特點尤其適用于需要進行大量數據 處理的圖像步進傳輸中，例如視頻圖像的應用。這種分層目錄結構的水印算法可以為圖像水印提供 分級檢測的方式，很大程度地減少計算量。 （2）小波變換與大多數國際標準兼容，能夠有效地抵抗剪切及 JEPG 有損壓縮，也有利于在壓 縮域內實現數字水印的嵌入。 （3）DWT 結合了人類視覺系統的特性，它把信號分解成獨立的子帶，并且獨立地進行處理。使 得人眼不能發覺含水印圖與原始圖像間的差別，水印的隱藏效果好，且有利于提高穩健性12。 第四章第四章 本文數字水印技術的實現本文數字水印技術的實現 4.14.1 水印的嵌入和提取 由于圖

31、像經過小波分解后的低頻子圖集中了被分解圖像的絕大部分信息，故圖像經過幾何攻擊 后，其系數幅值基本保持不變。而經過小波分解后的細節子圖則變換比較大，因此我們選擇將水印 嵌入圖像經小波分解后的低頻部分。由于圖像經過小波分解后的低頻子圖經幾何攻擊后紋理和邊緣 區的小波系數幅值變換較大，又根據人類視覺系統特性，圖像的紋理和邊緣區域視覺隱蔽性高可以 嵌入強度較大的水印13。圖像低頻子圖（m,n）處的紋理大小用三個細節子圖對應位置上的小波系 數能量和來表示，具體公式如下： (4-1),1,1,1,S m ncVm ncHm ncDm n 圖像紋理越豐富，式(4-1)中S值越大，且在圖像經過幾何變換后圖像的

32、紋理、邊緣區依然能用式 (4-1)來計算。因此，在水印嵌入過程中我們可增大低頻子圖紋理和邊緣區的水印嵌入強度，以提 高水印的魯棒性。 4.1.14.1.1 水印的嵌入過程水印的嵌入過程13 先對載體圖像進行一級Haar小波分解，將低頻子圖進行分塊，通過量化每個子塊的各個小波系 數完成水印的嵌入。根據前面的分析，我們增加紋理和邊緣區域的小波系數的量化步長，以提高水 印的抗幾何攻擊能力。為提取水印的方便，紋理和邊緣區小波系數量化步長取平滑區小波系數量化 步長的整數倍。參考文獻10的水印嵌入過程，以大小為的載體灰度圖像、大小為M KN KAA 的二值水印圖像為例，水印嵌入的具體過程如下：MNW （1

33、）將載體圖像進行一級Haar小波分解，得到cA1、cH1、cV1、cD1四個子圖，并將低頻子圖cA1劃 分為個大小為的子塊； MN / 2/ 2KK （2）利用公式（4-2）計算水印嵌入的量化值 (4-2) P 其中為當前待嵌入水印的低頻小波系數值，為預先設定的量化步長。值越大，水印的魯棒P 性越好而不可見性越差，反之，水印的不可見性越好而魯棒性越差。 （3）定義一個閾值,具體計算公式為T (4-3)2(1)2(1)TmeancAstdcA 其中為求二維矩陣的平均值，為求矩陣的標準方差。2mean2std 判斷低頻部分（m,n）處的小波系數紋理表達式的S值是否大于,若采用式(4-4)量化低頻小

34、波TST 系數；否則水印嵌入的量化步長取，采用式(4-5)量化低頻小波系數。對分塊中的每個小波系5* 數重復嵌入1bit水印信息，嵌入水印后的低頻小波系數值為，修改公式如下：P 若， (4-4)ST , , 0.5,mod21 0.5,mod20 i j i j W P W 否則， (4-5) , , 2.5,mod21 2.5,mod20 i j i j W P W （4）重復步驟（3）對每一個低頻子塊都進行水印嵌入； （5）對修改后的低頻子圖進行小波逆變換重構圖像，即得到含有水印的圖像。 4.1.24.1.2 水印的提取過程水印的提取過程 水印的提取通過判斷各個低頻小波系數的量化空間來確定

35、該點嵌入的水印值，根據多數原則得 到每個低頻子塊的1bit水印信息。具體過程如下： （1）將含水印圖像進行一級Haar小波分解，將分解后的低頻子圖劃分為大小的子塊；/ 2/ 2KK （2）計算量化值，公式如下： (4-6) P 其中，為含水印圖像分解得到的各個低頻小波系數值，與嵌入過程中的值一樣。P （3）根據式(4-7)計算每一個小波系數的水印嵌入值： (4-7) 1,mod21 0,mod20 C （4）根據多數原則來判斷每一個子塊嵌入的水印值，如果子塊各個系數C值有一半及以上為1，則 該子塊嵌入的水印=1；否則，=0； ij W ij W （5）對所有子塊都執行上述操作，即得到提取出的水

36、印。W 4.1.34.1.3 實驗結果實驗結果 實驗采用的原始圖像為 512512 的 woman 灰度圖像,采用的水印圖像為 6464的有特殊標志 “QZTC”的二值圖像。水印的嵌入過程中值取 8，則載體圖像、原始水印、嵌入水印圖像及提取 的水印圖像如下圖所示。 載體圖 原始水印 嵌入水印圖 提取的水印 圖 4-1 水印的嵌入和提取 從上圖中，我們可以看出嵌入水印的圖像與載體圖像沒有什么差別，我們無法看出水印的存在， 而且提取出的水印與原始水印完全相同，沒有任何損壞。客觀上，載體圖像與含水印圖像的峰值信 噪比 PSNR 為 38.8792，原始水印與提取出的水印的相似度 NC 為 1。說明實驗結果較好，嵌入的水 印隱蔽性好，不會對載體圖像產生影響，且水印可以被正確的提取出來。此外，若增大量化步長， 則水印的不可見性變差，PSNR 值變小；反之，水印的不可見性變好，PSNR 值變大。 4.24.2 抗攻擊實驗 4.2.14.2.1 抗噪聲實驗抗噪聲實驗 圖像在傳輸過程中，通常由于受到一些干擾而含有各種噪聲。本次實驗量化步長值取 20， 對嵌入水印的圖像分別添加方差為 0.05 的椒鹽噪聲和方差為 0.001 的高斯噪聲干擾，然后通過計 算提取出的水印與原始水印的相似度 NC 來觀察算法的魯棒性。含水印圖加噪聲后的