发布时间 : 星期四 文章基于MATLAB的数字图像水印技术更新完毕开始阅读
《MATLAB应用与通信仿真》课程设计
大地节省了时间,提高了工作效率。
在数字水印研究领域，MATLAB显示了强大的生命力，它有如下几个特点：
1．集成了DCT、DWT等函数有丰富的小波函数和处理函数，这不仅方便了研究人员，而且使源程序简洁明了、易实现，方便了数字水印算法设计和编码实现。
2．提供了强大的数学运算功能特别是矩阵运算功能，能够方便、高效地实现数字音频、视频处理过程中需要进行的大量矩阵运算。
3．提供了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱。用来编制跨数字图像处理技术、数字信号处理等多学科的数字水印技术是非常好的选择。
4．能与Visual C++等语言有良好的接口，方便了开发设计出有实际价值的数字水印产品。
5．编程效率高。MATLAB语言简洁紧凑，使用灵活方便，程序书写形式自由。而且库函数十分丰富，避免了繁杂的子程序编程任务。
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3 数字图像水印技术
3．1 数字水印基本框架
从信号处理的角度看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于入视觉系统(HVS)对比度门限或听觉系统(HAS)对声音的感知门限，HVS或HAS就无法感知信号的存在。由于HVS和HAS受空间、时间和频率频率特性的限制，因此通过对载体对象作一定的调整，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一些信息。
从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一仑宽带信道(载体对象)上用 扩频通信技术传输一个窄带信号(水印)。尽管水印信号具有一定的能量，但分布 到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码(检测)则是一个有噪 声信道中弱信号的检测问题。
下面根据Voyatzis和Pitas提出的思想，对数字水印的基本框架进行介绍。 尽管数字水印有各种形式，通常可以定义水印为如下的信号W
??? W??w?k?|w?k??U,k?Wd? （3-1）
???这里，Wd表示维数为d的水印信号域，d=l,2,3分别表示声音、静止图像和视频中的水印。水印信号可以是二值形式?U??0,1?或U???1,1??或高斯噪声形式。 水印处理系统的基本框架可以定义为六元体(X，W，K，G，E，D)，其中：
(1)X代表所有要保护的数字产品X的集合。 (2)W代表所有可能水印信号W的集合。 (3)K是标识码(也称水印密钥)的集合。
(4)G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法，即
G：X?K?W，W?G?X,K? (3-2)
(5)E表示将水印w嵌入数字产品X0中的嵌入算法，即
E：X?W?X,XW?E(X0,W) (3-3)
这里X0代表原始的数字产品，Xw代表嵌入水印后得到的数字产品。 (6)D表示水印检测，即
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D：X?K??0,1? (3-4)
?1，如果X中存在W?H1? (3-5) D?X,K????0，如果X中不存在W?H0? 这里，H1和H0代表二值假设，分别表示水印的有无。
在实际应用中．一个完整水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。
1．水印生成。水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统。产生的水印信号W往往需要进～步的变换以适应水印嵌入算法。为了分析方便，我们把算子G分解为算法R和算法T两个部分：
G?T?R （3-6）
R：K?W,W?X?K?W （3-7）
子算法R输出原始水印W?W，该原始水印只由密匙K?K产生。当R基于伪随机数发生器时，密钥K直接映射为伪随机数发生器的种子。当R基于混沌系统时，密钥集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并且满足密钥惟一性条件，而且由R产生的水印是有效的水印。此外，R是不可逆的。
子算法T对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印W。T应满足：
'T（W，X0）?T（W，X0）?T（W，Xw） （3-8）
'?M(Xw)，这里，X0表示原始产品，而Xw表示嵌入水印的产品， 并且Xw'Xw~Xw，M表示多媒体数据处理操作算法。原始水印信号可以预先指定，而在
~~~嵌入水印前对该水印信号可以做适当的变换或者不做变换，密匙可以在水印嵌入过程中产生。
2．水印嵌入。水印的嵌入过程如图3.1所示。
密匙 水印信息 掩体对象 水印嵌入 图3.1 水印嵌入框图
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隐藏对象
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水印嵌入就是把水印信号W??w?k??嵌入到原始产品X0??X0?k??中，一般的水印嵌入规则可描述为：
xw?k??x0?k??h?k?w?k? （3-9）
其中?为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作。H??h?k??称为d维的水印嵌入掩码。最常用的嵌入准则如下：
xw?k??x0?k??aw?k?,加法准则 （3-10）
xw?k??x0?k??1?aw?k??,乘法准则 （3-11）
在这里，变量既可以指掩体对象采样的幅值（时域），也可以是某种变换的系数值（变换域）；参数a可能随采样数据的不同而不同。
本设计嵌入水印的步骤如下：
（1）读取原始图像和黑白水印图像得到二维数组w0和f0； （2）将原始图像f0分割为互不覆盖的图像块；
（3）取调制后的水印信号yp嵌入到原始图像中，并重构含水印的图像，得到含水印的图像f1。
3．水印提取或检测。水印提取或检测就是判断某一数据中是否含有指定的水印信号，并可能恢复出水印信息。提取或检测算法主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印(如字符串或图像等)，或是基于统计原理的只能判断水印存在与否。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都在水印加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。水印提取过程如图3.2所示，检测过程如图3.3所示。本设计的原体掩藏（原始信号）是MATLAB自带的图像cameraman.
密匙 原始掩体 隐藏对象 水印提取 图3.2 水印提取框图
水印信息 8