-.z.-..-可修編-.摘要數(shù)字水印(DigitalWatermarking)技術(shù)是我們生活中經(jīng)常見到的信息隱藏技術(shù)。它將一些標(biāo)識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體中，但不影響原載體的使用價值，也不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到?？臻g數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向，另一類是頻率數(shù)字水印?？臻g數(shù)字水印采用最低有效位(LSB)算法,通過修改表示數(shù)字圖像的顏色或顏色分量的位平面,調(diào)整數(shù)字圖像中感知不重要的像素來表達(dá)水印的信息,以到達(dá)嵌入水印的目的。本實(shí)驗(yàn)是基于matlab的數(shù)字水印設(shè)計——基于空域的水印實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：信息隱藏技術(shù)；空間數(shù)字水??；LSB算法；matlab-.z..-可修編-.目錄1設(shè)計任務(wù)與目的12MATLAB的簡介及應(yīng)用12.1MATLAB簡介12.2MATLAB應(yīng)用13數(shù)字水印技術(shù)13.1數(shù)字水印技術(shù)的開展13.2水印分類13.3數(shù)字水印的特點(diǎn)13.4數(shù)字水印技術(shù)的根本原理14基于LSB的數(shù)字水印算法14.1LSB算法原理14.2LSB算法的實(shí)現(xiàn)14.2.1水印嵌入算法14.2.2水印提取算法15MATLAB軟件仿真15.1仿真結(jié)果15.1.1水印嵌入仿真15.1.2水印提取仿真15.2仿真分析1結(jié)論1參考文獻(xiàn)1-.z.基于Matlab的數(shù)字水印設(shè)計——基于空域的水印實(shí)現(xiàn)1設(shè)計任務(wù)與目的通過課程設(shè)計把自己在大學(xué)中所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。在課程設(shè)計的過程中掌握程序編譯及軟件設(shè)計的根本方法。深入了解利用Matlab設(shè)計基于Matlab的數(shù)字水印設(shè)計——基于空域的水印實(shí)現(xiàn)。提高自己對于新知識的學(xué)習(xí)能力及進(jìn)展實(shí)際操作的能力。鍛煉自己通過網(wǎng)絡(luò)及各種資料解決實(shí)際問題的能力。2MATLAB的簡介及應(yīng)用2.1MATLAB簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室〔Matri*Laboratory〕的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)展矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。2.2MATLAB應(yīng)用MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)展以下各種工作：數(shù)值分析數(shù)值和符號計算工程與科學(xué)繪圖控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真數(shù)字圖像處理技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真財務(wù)與金融工程MATLAB的應(yīng)用圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱〔單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集〕擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域特定類型的問題。3數(shù)字水印技術(shù)3.1數(shù)字水印技術(shù)的開展數(shù)字水印是一個嶄新的信息隱藏技術(shù)，首次提出這個概念至今也不到20年。由于還處在學(xué)術(shù)研究的頂峰階段，僅有少數(shù)應(yīng)用研究和應(yīng)用案例，所以還沒有形成國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前發(fā)現(xiàn)除了"國際知名的五家電腦及消費(fèi)型電子產(chǎn)品主流公司，包括IBM及索尼等已就數(shù)字"水印"技術(shù)的共同標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議"的報道外，僅發(fā)現(xiàn)有宇飛信息工程**公司起草并獲得國家標(biāo)準(zhǔn)化部門備案的兩個企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"印刷打印數(shù)字水印軟件"(備案號:1104-2002)和"基于容的、非密碼機(jī)制的計算機(jī)與移動存儲設(shè)備信息平安系統(tǒng)"企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(備案號:400-2010)。所以，學(xué)術(shù)界對數(shù)字水印技術(shù)的概念也沒有統(tǒng)一的表述和界定。3.2水印分類數(shù)字水印技術(shù)可以從不同角度進(jìn)展分類，因此有多種分類方法。按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和易損數(shù)字水印兩類。按水印所附載的媒體劃分按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。按容劃分按數(shù)字水印的容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。按用途劃分按水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分為票證防偽水印、保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。按水印隱藏的位置劃分按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印。時(空)域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT變換域、時/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數(shù)字水印技術(shù)的開展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究基于空域的數(shù)字水印技術(shù)。3.3數(shù)字水印的特點(diǎn)作為數(shù)字水印技術(shù)根本上具有下面幾個方面的特點(diǎn)。1〕平安性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是平安的，難以篡改或偽造，同時，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測率，當(dāng)原容發(fā)生變化時，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更;當(dāng)然數(shù)字水印同樣對重復(fù)添加有很強(qiáng)的抵抗性2〕隱蔽性:數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用;不會降質(zhì);3〕魯棒性:是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持局部完整性并能被準(zhǔn)確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于保護(hù)的數(shù)字水印易損水印(FragileWatermarking)，主要用于完整性保護(hù)。當(dāng)容發(fā)生改變時，這些水印信息會發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。4〕水印容量:是指載體在不發(fā)生形變的前提下可嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必須足以表示多媒體容的創(chuàng)立者或所有者的標(biāo)志信息，或購置者的序列號，這樣有利于解決糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對水印的容量需求很大。3.4數(shù)字水印技術(shù)的根本原理數(shù)字水印技術(shù)(DigitalWatermark):技術(shù)是將一些標(biāo)識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當(dāng)中，但不影響原載體的使用價值，也不容易被人的知覺系統(tǒng)(如視覺或聽覺系統(tǒng))覺察或注意到。目前主要有兩類數(shù)字水印,一類是空間數(shù)字水印,另一類是頻率數(shù)字水印?？臻g數(shù)字水印的典型代表是最低有效位(LSB)算法,其原理是通過修改表示數(shù)字圖像的顏色或顏色分量的位平面,調(diào)整數(shù)字圖像中感知不重要的像素來表達(dá)水印的信息,以到達(dá)嵌入水印的目的。數(shù)字水印的主要目的是將特定的信息參加到需要保護(hù)的媒體信息中，參加的信息一般是能夠代表媒體信息的容，而且要保證數(shù)字水印能夠抵抗一定的攻擊，而不被輕易的破壞和修改，同時數(shù)字水印要能夠被提取或者能夠被檢測到。數(shù)字水印的具體容、算法、提取或檢測過程根據(jù)實(shí)際應(yīng)用有不同的要求。數(shù)字水印的嵌入和提取或檢測的通用模型如圖3.1、圖3.2所示。水印信息水印信息參加水印的信息數(shù)字水印嵌入算法原始信息參加水印的信息數(shù)字水印嵌入算法原始信息密鑰密鑰原始信息圖3.1數(shù)字水印的嵌入過程原始信息參加水印的信息數(shù)字水印提取/檢測算法參加水印的信息數(shù)字水印提取/檢測算法參加水印的信息密鑰密鑰圖3.2數(shù)字水印的提取或檢測過程圖3.1是數(shù)字水印的嵌入過程，通過密鑰可以提高數(shù)字水印的隱藏性、抗攻擊性，并非必須的輸入。根據(jù)不同的用途，嵌入的水印有些是需要復(fù)原的，而有些則需要驗(yàn)證水印的存在性，前者需要數(shù)字水印的提取算法，而后者需要數(shù)字水印的檢測算法，根據(jù)具體的水印算法，嵌入或提取過程可能有所不同。數(shù)字水印技術(shù)是從信息隱藏技術(shù)開展而來的，是數(shù)字信號處理，圖像處理，密碼學(xué)應(yīng)用，算法設(shè)計等學(xué)科的穿插領(lǐng)域。數(shù)字水印最早在1993年由Tirkel等人提出，在國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表題為〞Electronicwatermark〞的第一篇有關(guān)水印的文章，提出了數(shù)字水印的概念及可能的應(yīng)用，并針對灰度圖像提出了兩種向圖像最低有效位中嵌入水印的算法。1996年在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會，標(biāo)志著信息隱藏學(xué)的誕生。4基于LSB的數(shù)字水印算法4.1LSB算法原理最低有效位方法是最早提出來的最根底的空域圖像信息隱藏方法，其他的許多空域算法都是從它的根本原理進(jìn)展改良擴(kuò)展得到的，使得LSB方法成為使用最廣泛的隱藏技術(shù)之一。現(xiàn)在有一些簡單信息隱藏軟件大多是運(yùn)用LSB和調(diào)色板調(diào)整等相關(guān)技術(shù)將信息隱藏在24bit圖像或256色圖像之中，如：HideandSeek,Stego-Dos,WhiteNoiseS-tools等經(jīng)典信息隱藏軟件。最低有效位(leastsignificantbit，LSB)指的是一個二進(jìn)制數(shù)字中的第0位(即最低位)，具有權(quán)值為2^0，可以用它來檢測數(shù)的奇偶性。最低有效位和最高有效位是相對應(yīng)的概念。在大端序中，lsb指最右邊的位。LSB(全大寫)有時也指LeastSignificantByte，指多字節(jié)序列中最小權(quán)重的字節(jié)。LSB算法利用了數(shù)字圖像處理中位平面的原理，即改變圖像的最低位的信息，對圖像信息產(chǎn)生的影響非常小，人眼的視覺感知系統(tǒng)往往不能發(fā)覺。以一幅256灰度的圖像為例，256灰度共需要8個位來表示，但其中每一個位的作用是不一樣的，越高位對圖像的影響越大，反之越低的位影響越小，甚至不能感知。圖4.1顯示了一幅200×200像素的圖像的8個位平面。圖4.1200×200像素圖像的8個位平面圖4.1中的第一是原始圖像，后面依次是從高到低的位平面?？梢钥闯觯^高的位平面反映了圖像的輪廓等主要信息，而較低的位平面反映的是圖像的細(xì)節(jié)信息，最低的2個位平面看上去和原始圖像幾乎沒有相關(guān)性，像是噪聲。4.2LSB算法的實(shí)現(xiàn)LSB算法實(shí)現(xiàn)較為簡單，首先，需要考慮嵌入的數(shù)字水印的數(shù)據(jù)量，如果嵌入最低的1位，則可以嵌入的信息量是原始圖像信息量的1/8，如果適用最低兩位則可以嵌入的信息量是1/4，以此類推。適用的最低位越多，嵌入的數(shù)字水印的信息量越大，同時對圖像的視覺效果影響也越大。然后，適當(dāng)調(diào)整數(shù)字水印圖像的大小和比特位數(shù)，以適應(yīng)數(shù)字水印圖像數(shù)據(jù)量的要求。最后，對原始圖像中要使用的最低位置0，再將數(shù)字水印數(shù)據(jù)放入原始圖像的最低位即可。下面通過MATLAB7.1來實(shí)現(xiàn)這一算法。LSB算法原理程序代碼：clc;clearall;A=imread('color.bmp');%顯示原始圖像subplot(3,3,1);imshow(A);title('原始圖像');%顯示8個位平面圖像fori=8:-1:1A_bitplane=bitshift(bitget(A,i),i-1);subplot(3,3,9-i+1);%顯示8個位圖imshow(A_bitplane);title(['位平面'num2str(i)]);endMATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化工具軟件，利用MATLAB只需要幾個函數(shù)和十來行語句就可以實(shí)現(xiàn)根本的LSB算法，而如果用C語言等程序語言來實(shí)現(xiàn)則可能需要上百行的語句。以下是水印嵌入算法和提取算法的程序代碼。4.2.1水印嵌入算法[C,map]=imread('color.bmp');%讀入原始圖片[m,map1]=imread('word.bmp');%讀入水印圖片Mc=size(C,1);%原圖的行數(shù)Nc=size(C,2);%原圖的列數(shù)Mm=size(m,1);%水印的行數(shù)Nm=size(m,2);%水印的列數(shù)w_i=C;%將原圖值賦給w_iforii=1:Mc;%將原圖的最低有效位值換為水印的值forjj=1:Nc;w_i(ii,jj)=bitset(w_i(ii,jj),1,m(ii,jj));%調(diào)用bitset()函數(shù)將原圖的最低位值換為水印的值endendimwrite(w_i,'lsb_watermark.bmp','bmp');%將嵌入水印圖像寫入lsb_watermark.bmpfigure(1)imshow(w_i,[])title('嵌入水印后')%顯示嵌入水印后的圖片figure(2)imshow(C,[])title('嵌入水印前')%顯示原始圖片figure(3)imshow(m,[])title('水印圖片')%顯示水印圖片算法分析：這里選用一幅200×200像素的圖像，數(shù)字水印用純文字二值圖像。MATLAB中可以用bitset()函數(shù)實(shí)現(xiàn)位平面置0，和嵌入數(shù)字水印數(shù)據(jù)。置0的方法是調(diào)用函數(shù)bitset(A,bit)。A表示要置0的圖像，bit表示要對哪一位置0。假設(shè)要對最低位置0，則可以寫為：bitset(A,1)。嵌入水印的方法是：w_i(ii,jj)=bitset(w_i(ii,jj),1,w(ii,jj)),w_i表示要嵌入水印的圖像，1表示在最低位嵌入，2表示在第二個位平面嵌入，以此類推，w表示水印圖像。4.2.2水印提取算法clearall;file_name='lsb_watermark.bmp';watermark_image=imread(file_name);%讀入嵌入水印圖像Mw=size(watermark_image,1);%嵌入水印圖像行數(shù)Nw=size(watermark_image,2);%嵌入水印圖像列數(shù)file_name='word.bmp';orig_watermark=imread(file_name);%讀入原始水印Mm=size(orig_watermark,1);%水印的行數(shù)Nm=size(orig_watermark,2);%水印的列數(shù)forii=1:Mwforjj=1:Nw%用嵌入水印圖像的最低有效位重建水印watermark(ii,jj)=bitget(watermark_image(ii,jj),1);%用bitget()函數(shù)重建水印endendwatermark=2*double(watermark);%將提取水印變?yōu)樵妓〈笮orii=1:Mm-1forjj=1:Nm-1watermark1(ii+1,jj+1)=watermark(ii,jj);endendwatermark1(1,1)=watermark(Mm,Nm);figure(1)subplot(1,2,1);imshow(watermark_image,[])title('嵌入水印圖像')%顯示嵌入水印后的圖片figure(2)subplot(1,2,1);imshow(watermark1,[])title('提取水印')%顯示原始圖片figure(2)subplot(1,2,2);imshow(orig_watermark,[])title('原始水印')%顯示水印圖片算法分析：這里選用一幅200×200像素、256灰度的圖像，數(shù)字水印用純文字二值圖像。MATLAB中可以用bitget()函數(shù)實(shí)現(xiàn)提取數(shù)字水印數(shù)據(jù)。提取水印的方法是：watermark(ii,jj)=bitget(watermark_image(ii,jj),1),watermark_image表示要嵌入水印的圖像，1表示在最低位提取，2表示在第二個位平面提取，以此類推，最高位是8。5MATLAB軟件仿真用MATLAB軟件對上述水印嵌入和提取算法源程序代碼進(jìn)展編譯、仿真，可以得到如下仿真結(jié)果，對仿真圖分析，可以得到相應(yīng)的結(jié)論。5.1仿真結(jié)果5.1.1水印嵌入仿真水印圖像如圖5.1所示，是200×200像素圖像，256灰度圖像，是顏色單一的二值文字"你好嗎〞圖像。圖5.1水印圖像圖5.2嵌入水印前圖5.3嵌入水印后圖5.2是原始圖像，這是一幅200×200像素的彩色圖像，由于LSB算法利用了數(shù)字圖像處理中位平面的原理，即改變圖像的最低位的信息，圖像信息產(chǎn)生的影響非常小，人眼的視覺感知系統(tǒng)往往不能發(fā)覺，因此嵌入水印后，如圖5.3看起來嵌入水印后的圖像與原始圖像沒有區(qū)別。假設(shè)改變圖像的較高位信息，修改語句w_i(ii,jj)=bitset(w_i(ii,jj),1,m(ii,jj));為w_i(ii,jj)=bitset(w_i(ii,jj),8,m(ii,jj));如圖5.4、圖5.5所示。圖5.4嵌入水印前圖5.5嵌入水印后比照嵌入水印時改變高、低位信息，即比照圖5.5和圖5.3，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變圖像高位信息時，可以從肉眼看出嵌入水印圖像后與原始圖像有細(xì)微差異〔為了可以更清晰的效果，我們選用8位〕，因此選用低位1可以實(shí)現(xiàn)較高的性，不易被發(fā)覺，并且可以保證原始圖像的特征屬性，便于選擇和提取。5.1.2水印提取仿真嵌入水印后的圖像如圖5.6所示，由于LSB算法利用了數(shù)字圖像處理中位平面的原理，即改變圖像的最低位的信息，對圖像信息產(chǎn)生的影響非常小，人眼的視覺感知系統(tǒng)往往不能發(fā)覺，看起來嵌入水印后的圖像與原始圖像沒有區(qū)別。圖5.6嵌入水印圖像圖5.7提取的水印圖像圖5.8原水印圖像圖5.7是對圖像進(jìn)展低位水印提取，與原水印圖像〔圖5.8〕相比擬，可以發(fā)現(xiàn)提取的水印很模糊，但能夠看得出原始水印的輪廓。5.2仿真分析LSB算法利用了