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1、第七章第七章 数字水印技术数字水印技术 变换域算法变换域算法1水印技术水印技术 从加载方式上分类从加载方式上分类从加载方式上分类从加载方式上分类空间域水印：直接在载体数据上加载水印信息空间域水印：直接在载体数据上加载水印信息LSB算法算法拼凑算法拼凑算法变换域水印：载体数据经过变换后添加水印信息变换域水印：载体数据经过变换后添加水印信息NEC算法算法2内容内容变换域算法：变换域算法：NEC算法算法设计原理设计原理算法描述算法描述程序代码程序代码性能分析性能分析背景介绍背景介绍NEC算法（算法（COX算法算法/基于扩频技术的算法基于扩频技术的算法）NECNEC算法的原理算法的原理在在DCT变换域
2、嵌入水印变换域嵌入水印考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？DCTDCT变换变换I=imread(lena.bmp);J=dct2(I);256*256 256*256 灰度图像灰度图像lenalena变换域变换域:DCT:DCT变换系数变换系数DC系数系数AC系数：低频系数、中频系数、高频系数系数：低频系数、中频系数、高频系数1 12 2256256:1 12 2256256修改修改DCDC系数对视觉的影响系数对视觉的影响DC=DC(1+5%)修改修改DCDC系数对视觉的影响系数对视觉的影响DC=DC(1+25%)修改修改DCDC系数对视觉的影响系数对视觉
3、的影响DC=DC(1+50%)修改低频修改低频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACL=ACL(1+5%)修改低频修改低频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACL=ACL(1+25%)修改低频修改低频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACL=ACL(1+50%)修改中频修改中频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACM=ACM(1+5%)修改中频修改中频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACM=ACM(1+25%)修改中频修改中频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACM=ACM(1+50%)修改高频修改高频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACH=ACH
4、(1+5%)修改高频修改高频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACH=ACH(1+25%)修改高频修改高频ACAC系数对视觉的影响系数对视觉的影响ACH=ACH(1+50%)NECNEC算法的原理算法的原理考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？从水印不可见性考虑从水印不可见性考虑将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的AC高频系数高频系数从水印鲁棒性考虑从水印鲁棒性考虑将水印嵌入什么位置？将水印嵌入什么位置？压缩攻击对压缩攻击对ACAC系数的影响系数的影响压缩的哪一步会造成图像数据的损失？压缩的哪一步会造成图像数据的损失？压缩攻击对压缩攻击对ACAC
5、系数的影响系数的影响除以量化系数，取整除以量化系数，取整含水印图像：含水印图像：DCTDCT变换变换压缩攻击对压缩攻击对ACAC系数的影响系数的影响将水印嵌入将水印嵌入“经量化后被保存的经量化后被保存的DCT变换域系数变换域系数”可可以抵抗压缩攻击以抵抗压缩攻击NECNEC算法的原理算法的原理考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？从水印不可见性考虑从水印不可见性考虑将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的AC高频系数高频系数从水印鲁棒性考虑从水印鲁棒性考虑将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的DC系数或系数或AC低频系数低频系数NECNEC算法的原理算
6、法的原理为了解决水印不可见性和鲁棒性的矛盾，为了解决水印不可见性和鲁棒性的矛盾，COX等人通等人通过类比通信中的过类比通信中的扩频技术扩频技术，将水印信息嵌入到图像的，将水印信息嵌入到图像的AC低频系数低频系数，产生了第一个基于扩频思想的数字水印，产生了第一个基于扩频思想的数字水印算法。算法。如何添加水印？如何添加水印？DCTDCT变换变换IDCTIDCT变换变换IDCTIDCT变换变换DCTDCT变换变换扩频通信扩频通信扩展频谱通信（扩展频谱通信（spread spectrum communication）起源于通信系统，其理论基础来源于信息论和抗干起源于通信系统，其理论基础来源于信息论和抗
7、干扰理论扰理论是一种信息传输方式，其信号所占有的频带带宽远是一种信息传输方式，其信号所占有的频带带宽远大于信息必需的最小带宽，以此来改善通信质量，大于信息必需的最小带宽，以此来改善通信质量，保持可靠通信保持可靠通信NECNEC算法的原理算法的原理原始图像的原始图像的频域频域看作看作通信信道通信信道，水印水印看作通过信道看作通过信道传传输的信号输的信号，利用扩频通信原理，将，利用扩频通信原理，将1bit水印分布在图像水印分布在图像的多个感知重要频域系数（的多个感知重要频域系数（DCT变换域的变换域的AC低频系数）低频系数）中，加在每个频域系数上的信号能量很小且不可随意中，加在每个频域系数上的信号
8、能量很小且不可随意检测；水印检测时，需要知道水印的位置和内容，将检测；水印检测时，需要知道水印的位置和内容，将许多虚弱的信号集中起来得到水印。许多虚弱的信号集中起来得到水印。NECNEC算法描述算法描述水印的产生水印的产生将将1bit水印扩展成能量小的水印序列水印扩展成能量小的水印序列产生一个长度为产生一个长度为N的随机序列的随机序列W作为水印信息作为水印信息NECNEC算法描述算法描述水印的嵌入水印的嵌入对图像数据进行二维对图像数据进行二维DCT变换变换寻找最大的寻找最大的N个个DCT系数系数X用来携带水印信息用来携带水印信息根据下式得到含水印的根据下式得到含水印的DCT系数系数SSi=Xi
9、(1+Wi)，其中，其中W是水印，是水印，是尺度因子，用于控制是尺度因子，用于控制水印的嵌入强度水印的嵌入强度嵌入强度越大，水印鲁棒性越强，但不可见性越差嵌入强度越大，水印鲁棒性越强，但不可见性越差进行二维逆进行二维逆DCT变换，并将像素灰度值进行截断使变换，并将像素灰度值进行截断使其值位于其值位于0,255之间，从而得到含水印图像之间，从而得到含水印图像复习复习NEC算法流程算法流程水印嵌入水印嵌入DCTDCT低频系低频系数数水印嵌入强度固定水印嵌入强度固定Si=Xi(1+Si=Xi(1+Wi)Wi)NECNEC算法描述算法描述水印的提取水印的提取对接收到的可能含有水印的图像和原始图像做对接
10、收到的可能含有水印的图像和原始图像做DCT变换变换找到可能含有水印信息的找到可能含有水印信息的N个个DCT系数，根据下式系数，根据下式提取水印信息提取水印信息WWi =(Yi-Xi)/Xi，其中，其中Y是可能含有水印信息的是可能含有水印信息的n个个DCT系数系数NECNEC算法描述算法描述水印的检测水印的检测通过下式计算原始水印通过下式计算原始水印W与提取水印与提取水印W之间的相似之间的相似程度程度sim(W,W)然后将然后将sim(W,W)与预先设定的阈值进行比较，判断与预先设定的阈值进行比较，判断水印的存在与否。阈值可以通过实验的方法获得，水印的存在与否。阈值可以通过实验的方法获得，也可以
11、通过一些统计和假设的方法获得也可以通过一些统计和假设的方法获得NECNEC算法实现算法实现%文件名文件名:COX_Embed.m%函数功能：将均匀分布的随机序列函数功能：将均匀分布的随机序列(水印信号水印信号)按照按照cox扩频方法嵌入到载体图像的扩频方法嵌入到载体图像的DCT系数中系数中%格式格式:J=COX_Embed(I,W,alpha,N)%参数说明：参数说明：%I:原始图像矩阵原始图像矩阵%W:水印信息水印信息%alpha:水印强度水印强度%N:嵌入水印长度嵌入水印长度%J:嵌入水印图像矩阵嵌入水印图像矩阵提示提示index=FindNLargest(A,N);%index寻找到的寻
12、找到的A中最大中最大N个值的坐标个值的坐标,index(1,:),行坐标行坐标;index(2,:),列坐标列坐标NECNEC算法：嵌入算法算法：嵌入算法function J=Cox_Embed(I,W,alpha,N)m,n=size(I);If(m*n 0 1 0 0 -1 0 0 1 -1 1 0 1 -1 0 1 0 -1 1 1 0 -0 0 1 1 -0 1 1 1 -0 实例实例假设开始只有一个细胞状态为1，下面给出这个串随时间的变化情况，这里“.”表示0。细胞自动机有很多好的特性，包括自组织性、行为像人性等。基于投票规则的细胞自动机基于投票规则的细胞自动机基于投票规则的细胞自动
13、机:状态状态:0 或 1邻居邻居:中心的3*3 邻居规规则则:计数p表示中心的3*3 邻居中1 的个数（包括中心本身）,if P5,中心设置为0,否则设置为 1水印生成步骤水印生成步骤种子：种子：3.4水印结构特点水印结构特点自动产生的灰度图像自动产生的灰度图像对初值敏感对初值敏感具有不可逆性具有不可逆性类似密码学中的类似密码学中的Hash函数函数水印算法水印算法水印可以嵌入DCT或小波低频系数嵌入公式（水印生成和嵌入策略互不关联）：E（image）=IDCT(DCT(image)+a*watermark)水印算法水印算法水印检测算法：计算相关系数决定是否有水印的存在。设没有嵌入水印的原图像用I表示，嵌入水印的图像用I表示，嵌入水印并遭到修改的图像用I*表示，下面的函数用来计算相关系数：测试结果测试结果