图像数字水印的设计与实现

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1、唐山师范学院专科毕业论文题 目 图像数字水印的设计与实现学 生 指导教师 年 级 08级信息安全专 业 计算机应用技术系 别 计算机科学系唐山师范学院计算机科学系2011 年 6月郑 重 声 明本人的毕业论文（设计）是在指导老师 的指导下独立撰写并完成的。毕业论文（设计）没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可以通过网络接受公众的查询。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者（签名）： 2011 年 6 月 11 日目 录图像数字水印的设计与实现1摘 要11绪论11.1本课题研究的背景和意义11.2数字图像水印的发展历程和其现状12系

2、统的需求分析22.1任务概述22.2功能需求23数字水印技术概括23.1 数字水印的概念和特性23.2 数字水印系统模型23.3 数字水印的分类34数字水印算法研究34.1 空域算法34.2 变换域算法45基于空域最低位算法实现对彩色和灰度图像的隐藏45.1 最低有效位方法45.2 数字水印图像LSB空域法的原理45.3 LSB的算法实现（嵌入和提取）46 调试和测试分析56.1 是否嵌入水印图像成功的判断56.2 测试判断是否嵌入水印的依据57 总结与心得5参考文献：6致谢6外文页6基于LSB图像数字水印的设计与实现作者姓名 张盟 王晓敬摘 要伴随着互联网和数字多媒体技术的飞速发展，如何保护

3、多媒体作品的版权和鉴别其真伪成为国际上研究的热门课题. 数字水印作为信息隐藏技术研究领域的重要分支，是实现版权保护或跟踪侵权行为的有效方法。它是通过一定的算法将某些秘密信息-水印嵌入到被保护的数字多媒体(如静止图像、音频、视频等)内容中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统察觉。目前的数字水印算法已经有许多种。基本上可以按照嵌入方法分为空域和变换域两种。虽然空域方法有一定的缺点，但是算法简单，比较容易学习，而且具有较好的数字水印嵌入效果。本论文针对基于空域的数字水印算法进行了研究,在简要介绍本课题研究背景与本课题的国内外研究动态的基础上，随后介绍了数字水印技术的应用、特点等。本文

4、通过对常见格式的图像的处理和基于空域算法的数字水印的嵌入与提取算法进行了深入的分析和研究，采用基于空域LSB算法的数字水印方法，将数字水印嵌入到图像的LSB位。通过Visual C+6.0编程实现最终的设计，并将实现数字水印的嵌入、提取，以和图像和基本信息的显示。关键词 数字水印. 算法 . 图像信息隐藏. lsb1绪 论1.1本课题研究的背景和意义数字图像水印技术是信息隐藏和信息安全技术领域的一个非常重要的分支，由于现代社会多媒体信息交流发展迅速，电子出版物版权越来越难以解决，然而数字图像水印可以用信号处理的方法在数字图像的数据中嵌入隐含的信息来实现新的版权保护方法，所以数字图像水印在短短的

5、几年里，已经得到了相当强劲的发展，如今已经成为数字图像处理领域的一个研究热点。1.2数字图像水印的发展历程和其现状现在的版权保护系统可以采用密码认证技术，但是传统的加密方式对多媒体信息的保护有一定的局限性，不能够完全保证信息的安全性，一旦密码被破解，多媒体信息就可以被任意复制、篡改，并且在法庭上很难取证。数字水印技术可以作为加密技术的补充，增强对多媒体信息的版权保护。数字水印技术最早是在1994年得国际图像处理会议上由shcnydel等人提出的，这一技术在当时的学术界引起广泛的关注，并且迅速成为信息安全和图像处理领域的研究热点。此后，很多高校、研究机构、企业和公司都展开了对数字水印的研究，并取

6、得了一定的成果。我国的数字水印技术研究也得到了国家和有关部门的重视，并有一些研究成果逐步走向实用化。2系统的分析需求2.1任务概述数字水印的主要目的是将特定的信息加入到需要保护的媒体信息中，加入的信息一般是能够代表媒体信息版权的内容，如公司标志、媒体作者、特定代码等，而且要保证数字水印能够抵抗一定的攻击，而不被轻易的破坏和修改，同时数字水印要能够被提取或者能够被检测到。数字水印的具体内容、算法、提取或检测过程根据实际应用有不同的要求。2.2功能需求本课题基于LSB算法的数字水印嵌入、提取系统的具体设计要求如下：1：能够实现打开和保存常见格式的图像。2：能够显示图像和嵌入的水印图像的相关信息。3

7、：能够实现对水印图像的嵌入以和相关信息的嵌入操作4：系统能够判断图像是否嵌入了水印图像以和嵌入的水印图像的大小。5：系统能够对灰度图像和彩色图像分别嵌入。3数字水印技术概括3.1 数字水印技术的概念和特性概念：数字水印是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体（包括多媒体、文档、软件等）当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统（如视觉系统或听觉系统）觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。特性：数字水印有很多特性，其中最主要的三个特性是保真度、鲁棒性和容量。一般来说，容量、鲁棒性和保真度三者相互制约，

8、不可能设计一个使三者都达到最优的水印系统，只能根据实际需要在三者中进行折衷。在实际应用中，可根据需要进行取舍。3.2 数字水印系统模型数字水印处理技术主要包括数字水印的嵌入、提取和检测。通用的水印模型框架如图1、图2所示：3.3数字水印技术的分类数字水印技术可以从不同的角度进行分类，因此有多种分类方法。按数字水印的特性可分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒数字水印主要用于标识数字媒体信息的版权信息，它要求嵌入的水印能够抵抗对媒体的常规编辑和恶意攻击。而脆弱水印相反，它对攻击敏感，可以根据脆弱水印的状态判断原始信息是否被修改过。按数字水印所附载的媒体可分为图像水印、音频水印、视频水印和文本水印等

9、。每一种数字化的媒体都有相应的水印算法，这也造成了数字水印算法的复杂性。按数字水印影藏的位置划分可以分为空（时）域数字水印、频域数字水印、时/频数字水印和时间/尺度数字水印。按数字水印的可见性可以分为可见数字水印和非可见数字水印。可见数字水印通常是将公司表示叠加到原始图像上、算法比较简单，也有相应的应用软件。而不可见数字水印要求嵌入的水印是不能被人的视觉系统感知的，其算法相对复杂，目前还没有较成熟的应用软件。4数字水印算法研究在正式介绍LSB算法前，介绍一下水印主要有哪些种是必要的。一般从大体上来分，水印就是空域方法和变换域方法两大类：4.1 空域算法空域算法，即本文即将论述的方法，它的整个实

10、现过程是在空域中完成的，所谓的空域就是与变换域相对，就是说不需要对图像进行任何变换而是直接在图像的每个象素上进行水印的嵌入，本文论述的LSB法就是空域法中较基础也是最重要的方法之一。一般来讲，此法的健壮性不是特别的满意，但它的最大优点是简单易行，影藏的信息量比较大，因此仍然受到重视。4.2 变换域算法 变换域算法，一般来讲，在图像通过离散傅立叶变换，余弦变换，沃尔什变换或小波变换等其中任何一种后，再加入水印，就称其为变换域法，由此来看，只要有一种变换就有一种水印嵌入的方法。另外变换域法中，水印是嵌在变换后的系数上的，因此可以有一定的健壮性，例如，离散余弦变幻的水印可以抵抗JEPG压缩，小波变换

11、的水印可以抵抗JEPG2000压缩，这就是变换域法现在比较流行的原因。5基于空域最低位算法实现对彩色和灰度图像的隐藏5.1 最低有效位方法LSB算法也叫做最低有效位，是一种较为基础的信息隐藏算法。在位图图像数据中，每8位称作一个位面。通常，5个最高位面含有人眼可见的有意义的信息，在其他的位面中几乎没有视觉信息，它们表示图像中很细小的局部，在图像学的范畴中，它们称作噪声。利用位图格式位面的这种特性，我们可以将水印的数据嵌入到人眼不易察觉的位置，这种方法就是LSB算法。一般的LSB算法中，信息嵌入在图像的后4位。5.2 数字水印图像LSB空域法的原理 LSB翻译成中文就是最不重要位，顾名思义，就是

12、要把水印图像嵌入到载体图像的最不重要位上。大家都知道一副256级灰度图中每一个象素是有8位二进制构成，例如111111（255），其中每一位在这个象素所起到的作用是不一样的，最高位就代表10000000（128），而最低位1却只代表1，这就给水印提供了最直接的提示，可以通过改变一幅图像的最低位来嵌入数据。因为即使载体图像的所有最低位都改变了，图像本身也基本不会发生任何变化，即满足了水印的性质之一透明性。5.3 LSB的算法实现 按照上述原理，我们可以由一下几步来完成水印的嵌入和提取：（1） 将一副256级灰度图像的部分或所有的最低位置零（部分还是所有取决于嵌入水印的大小），在这个过程中要明确，

13、虽然图像的最低位已经被修改过了，但由于人的生理涂点即人的眼睛只能识别大概40级灰度，所以这一点点的修改对人的视觉没有任何影响，在置零时采用的主要是判断这个象素灰度级是否被2整除，可以的就不变，不可以的就减1这样的算法比较简单易行。（2） 将一副二值的图像按照一定的算法嵌入到原图像中，这个算法一般是保密的，一般情况可以称这个算法为密钥，在这里为了介绍简单只采用了按顺序嵌入，即如果水印图像的值为0，则把原图像的相应最低位设为0；同样如果水印图像的值为1 ，则把原图像的最低位设为1；这样就完成了图像的嵌入。（3） 水印的提取，即在得到带有水印的图像后，只要按照嵌入的算法即密钥去把图像的最低位的象素值

14、提取出来那么就可以真正的得到想要的水印图像。6调试和测试分析6.1是否嵌入水印图像成功的判断嵌入水印后的效果，现有载体图像如图3所示（灰度级图像），大小为200*200。水印信息为随机生成的秘密信息，LSB算法选用最低位平面来嵌入秘密信息。最低位平面对图像的视觉效果影响最轻微，但很容易受到噪声影响和攻击，可采用在一个区域中嵌入相同的信息。 图3 载体图像 图4 嵌入水印后的图像6.2测试判断是否嵌入水印的依据通过提取水印算法提取水印，可得到随机的10位秘密信息：0100110010。由此可以判断该图像已嵌入了水印，若没有提取到这样随机的10位秘密信息，那么则可以说明没有嵌入水印。.7总结与心得

15、LSB算法简单，实现容易，同时可以保证数字水印的不可见性，由于可以在最低位的每个像素上都插入数字水印信息，因此有较大的信息嵌入量。LSB算法一般嵌入图像的最低一位或者两位，如果嵌入的位数太多，则会被人眼察觉到。但是由于数字水印位于图像的不重要像素位上，因此很容易被图像过滤、量化和几何型等操作破坏，以致无法恢复数字水印。针对基本的LSB算法的缺点，一些研究者也提出了一些改进的算法，如奇偶标志位隐藏算法、索引数据链隐藏算法等，这些算法能增强数字水印的隐蔽性。数字水印技术是近年来兴起的一门较前沿的技术，还处在发展阶段，没有统一的国际标准，缺乏完整的软件系统。但是数字水印技术作为信息加密技术的分支，在知识产权的保护方面有着广发的应用前景。LSB数字水印算法作为最早提出的数字水印算法，特点是原理简单，实现容易，掌握这以算法对于深入研究学习数字水印技术很有必要。参考文献：1刘振华，尹萍. 信息隐藏技术和应用. 北京科海电子出版社, 20022杨义先, 数字水印基础教程 北京人民邮电出版社, 20073杨义先. 数字水印理论与技术. 北京高等教育出版社, 20054杨榆 北京国防工业出版社, 20105张建伟，方欣欣，闫俊红 数字图像水印LSB的实现. 微计算机信息, 2006致谢本次毕业设计是经过 谌志鹏 老师的指导顺利完成的