基于小波变换的数字水印技术

Posted 2022-12-10 SSyangguang

1、数字水印介绍

    现代许多应用与服务通过计算机网络提供，包括视频图像、电子数据交换等，然而网络在提供这些服务的同时却存在严重问题：数据作品的版权无法得到有效保护，有恶意的个人或团体可以在未得到版权所有者的许可下而随意传播有版权的内容。

    信息隐藏是将一个秘密信息隐藏在另一公开信息中得到隐蔽载体，然后通过公开信息来传播秘密信息。可能的非法拦截者难以从公开信息中判断是否有秘密信息存在，难以截获秘密信息从而保证信息的安全。

    数字水印实际上利用了数字产品信息的冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的一些标志信息直接嵌入到多媒体内容中，再通过计算机或者专用检测工具把水印信号检测并提取出来。

    本组水印特点：（1）不可感知的数字水印：嵌入水印后不会对数字产品产生可以感知的变化，通常所说的数字水印就是不可感知数字水印；（2）鲁棒数字水印：水印能够经得起各种常用的编辑处理；（3）有意义水印：水印本身也是图像，受到攻击或者某些其他原因使得解码后的水印破损，仍然可以通过视觉观察来辨别水印；（4）时间/尺度域数字水印：时域直接在信号空间上叠加水印，频域则是在DCT变换域，而时/频域和时间/尺度域分别是在时/ 频变换域和小波变换域；（5）私钥水印方案：加载和检测水印使用同一密钥，因此只有水印嵌入者才能检测水印。

2、水印嵌入使用的算法

    （1）分解级数：根据人类视觉系统的照明和纹理掩蔽特性，将水印嵌入到图像的纹理和边缘不易被察觉，但对于图像滤波和有损压缩容易丢失细节信息。小波变换低频部分集中了图像大部分能量，是视觉的重要部分，在这部分嵌入容易引起图像失真，但从鲁棒性出发，水印应当嵌入视觉最重要部分，我们这次进行二级haar小波分解并选取了LL2部分进行嵌入。

    （2）小波基：不同小波基的水印鲁棒性不同。小波分正交和双正交两类，都适用于水印算法。研究表明，正交小波基的正则性、消失矩阶数、支撑长度以及小波图像能量在低频带的集中程度对水印鲁棒性影响极小。Haar小波的支撑长度最短，分解和重构计算复杂度低于其他小波，边界不需要延拓，在水印算法中体现出了优良的性能，因此选择了Haar小波基。

    （3）Arnold变换：为保证水印的安全性，在嵌入水印之前要对水印进行加密处理。置乱处理是一种常用的加密方法，水印置乱可以消除像素间的相关性，从而提高水印的鲁棒性。N次Arnold 之乱的具体算法：

    （4）嵌入算法：对载体图像进行2级小波变换后从低频系数ca2中随机选择N×N个系数ca2r嵌入水印二值信息，具体算法为：
Z=mod(ca2r,N)
            ca2r+S/4-Z       W=0,Z<3S/4
            ca2r+5S/4-Z      W=0,Z>=3S/4
ca2r′=  ca2r+S/4-Z       W=1,Z<S/4
            ca2r+3S/4-Z      W=1,Z>=S/4

ca2r是随机选择的2级低频小波系数，W是置乱以后的二值水印信息，N是水印像素高度或宽度，ca2r′是嵌入水印后的系数。

    从滤波器观点看，小波分解就是将原图像f(x,y)分别沿行和列经由低频分解滤波器Lo_D和高通分解滤波器Hi_D滤波，并抽取偶数下标的滤波结果。

3、具体的水印嵌入与提取流程

水印嵌入流程：

水印提取流程：

此篇博客对应的MATLAB程序下载地址：

http://download.csdn.net/download/weixin_39707121/10264080

参考文献：

[1]蒋天发.数字水印技术及其应用.北京：科学出版社.2015
[2]刘衍琦，詹福宇.MATLAB图像与视频处理应用案例详解.北京：电子工业出版社.2015
[3]王启亮，柏逢明.基于Arnold变换和DWT彩色图像数字盲水印算法.吉林大学学报.2011