基于DCT域图像数字水印算法的设计

摘    要
数字作品引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题的今天，数字水印是实现数字产品版权保护和安全维护的有效办法，其在所有权水印标记搜索、拷贝控制、指纹识别等多方面都得以应用。
针对图像的水印方案是最近几年研究的主流方向，本文重点研究了基于DCT域的图像数字水印的设计和实现方法。第一章介绍了数字水印目前的研究现状，并简单描述了将实现的图像数字水印系统的构思和预期目标；第二章介绍了本文所涉及的主要相关知识和技术；第三章讨论选择MATLAB作为实现系统的工具的目的和优势以及系统环境配置；第四章为本论文的主要部分，是系统实现的具体过程，包括主要步骤水印嵌入、水印提取、水印检测。从实验结果看，系统能保证水印的不可见性，并保持较好的鲁棒性，即使在攻击下仍有不错的视觉效果，相关系数也符合数字水印质量指标的要求。

copyright think58

[来源：http://www.think58.com]

关键词：图像水印，离散余弦变换，人眼视觉系统
系统目标分析
为实现一个图像的版权保护，采用数字水印的方法，我们需要保证所嵌入的水印能充分标识该图像的所有人，并能检测图像的完整性；当图像遭到篡改时，能通过水印发生改变的部分确定图像遭到篡改的位置；当水印遭受到恶意攻击变得面目全非时，我们能够采用水印的检测技术，即水印相关性检测，通过一个阀值确定是否含有指定水印。在满足以上基本功能要求的前提下，还要尽可能的提高水印的相关质量，即可嵌入水印的强度、保证水印的不可见或不可察觉、在不明显降低图像质量的条件下使得水印很难除去、能够实现盲检测等等。
1.3 系统设计构想
在图像中嵌入数字水印可视为在强背景（即原始图像）下叠加一个视觉上看不到的弱信号（水印）。由于人类视觉系统（Human Visual System，HVS）分辨率受到一定的限制，只要叠加的信号幅度低于HVS的对比度门限，HVS就无法感觉到信号的存在，因此，可以利用视觉生理和图像处理知识来实现。
HVS有三个主要的特征：人眼对于不同灰度具有不同的敏感性，通常对于中等灰度最为敏感，对低灰度和高灰度的敏感度向两个方向逐渐减小；对图像平滑区噪声敏感，对纹理区噪声不敏感；边缘信息对于人眼的影响非常大，必须保证边缘信息质量不受影响。基于以上特征，选择适合的区域嵌入水印。 think58.com

[资料来源：http://THINK58.com]

 数字水印的分类
随着数字水印技术的迅速发展，出现了多种分类方法，最常见的分类方法有以下几种：
(1)可见水印和不可见水印：这是基于人的主观感觉来划分的。可见水印是指嵌入水印后，我们可以看到嵌入的水印信息，而不可见水印是一种表面上不可察觉的水印，一般用户不知道使用的数字产品中是否已嵌入了水印。目前我们主要关注的都是不可见水印。
(2)空间域水印和变换域水印：这是按水印嵌入的方式来划分的。空间域水印是指直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印是对变换域中的系数做出改变从而嵌入水印信息。一般来说，变换域算法中可以嵌入的水印数据盘大，安全性高。
(3)非盲水印、半盲水印和盲水印：这是根据在水印检测时是否需要原始图像和原始水印来划分的。非盲水印是指在检测过程中需要原始图像和原始水印；半盲水印是指在检测过程中不需要原始图像，但需要原始水印；盲水印是指在检测过程中既不需要原始图像，又不需要原始水印，而只需要密钥。
(4)脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印：这是根据水印信息的抗攻击能力来划分的。脆弱水印会随着对象的修改而被破坏，半脆弱水印是指对某些图像处理方法有鲁棒性，而对其它的处理不具备鲁棒性，鲁棒水印是指对常见的各种图像处理方法都具备鲁棒性。 [资料来源：THINK58.com]
(5)私有水印和公开水印：私有水印是指只能被特定密钥的持有人提取或检测的水印，而公开水印则是指可以被公众提取或检测的水印。私有水印的安全性和鲁棒性优于公开水印，但公开水印更能方便声明版权信息和预防侵权。
(6)对称水印和非对称水印：这是根据提取水印的算法来进行划分的。当水印嵌入、提取或检测过程中所使用的密钥相同时，称为对称水印；否则称为非对称水印。
上述各类水印算法的分类并不是绝对孤立的，它们之间是相互联系着的，因此在理解各类水印时，我们只能根据它在某一特性上的不同表现形式而将其归类。此外，目前基于不可见数字水印的算法主要分为两大类：空域算法和变换域算法，而变换域水印算法是未来发展的主流。本论文的研究工作就是基于这一发展方向的。
2.2 离散余弦变换
较早的水印算法从本质上来说都是空间域上的，水印直接加载在数据上，载体数据在嵌入一水印信息前不需要经过任何处理。目前，变换域方法正日益普遍，因为在变换域嵌入的水印通常都具有很好的稳健性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声叠加等都是一定的抵抗力。而且一些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准 (如JPEG, MPEG等) ，因而具有很大的实际意义。基于DCT域的图像数字水印算法就是一种基于变换域的图像数字水印算法。类似的还有傅立叶变换、小波变换、分形或其它变换域等等。 think58 [资料来源：www.THINK58.com]
离散余弦变换 (Discrete Cosine Transform) 简称DCT，是基于实数的正交变换，类似于离散傅里叶变换 (DFT ，Discrete Fourier Transform) ，但是只使用实数。离散余弦变换相当于一个长度大概是它两倍的离散傅里叶变换，这个离散傅里叶变换是对一个实偶函数进行的 (因为一个实偶函数的傅里叶变换仍然是一个实偶函数) 。近些年DCT广泛应用于图像编码中，由于它是国际静止图像压缩标准JPEG的基础，而且国际序列图像压缩标准MPEG也采用了DCT变换方法，所以在DCT域中进行水印信息的嵌入是最常见的嵌入方式之一。
[来源：http://think58.com]