整数小波变换的可逆图像水印算法研究(源码)
对于载体信息完整性和有效性的重视日益提高，针对可逆水印在存储容量和不可见性上的不足，提出了基于整数小波变换的可逆水印算法。先通过整数小波变换对原始图像三层分解后，再将水印信息利用空域的直方图平移算法嵌入到经过整数小波变换之后图像的第三层高频子带的系数中，最后通过算法的可逆进行提取。该算法通过溢出处理来提高图像的视觉质量，使得算法具有存储容量高及不可见性好的优点。在对于保证鲁棒性的前提，提高嵌入容量时能控制住不可见性的情况下（如在医学图像中进行个人信息嵌入），有着较好的应用前景。关键词 整数小波变换，多层分解，高频子带，高存储容量
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 意义 1
1.3 发展历程 1
1.4 可逆水印介绍 2
1.5 算法框架 3
1.6 本章小结 4
2 算法介绍 4
2.1 整数小波变换 4
2.2 直方图平移算法 5
2.3 溢出处理 6
2.4 参数选择嵌入 7
2.5 本章小结 8
3 算法的实现 8
3.1 水印的嵌入 8
3.2 提取 9
4 预分析结果 10
4.1 时间复杂度 11
4.2 视觉质量 11
4.3 嵌入容量 12
4.4 本章小结 13
总结 14
致谢 15
参考文献 16
1 绪论
1.1 研究背景
随着互联网技术的不断发展，“互联网+”理念的提出之后，文档，图像，视频和音频的传播更为便捷，同样我们也可以很方便地通过网络来找到和处理及储存各种各样的多媒体作品，这样虽然能给我们带来方便，但同时会存在着一系列的网络安全问题。例如，如何能够保护多媒体产品的版权问题，如何安全地传递某些信息而避免信息被窃取，那么数字水印信息隐藏技术就是解决这些问题的有效方法之一[1]。
数字水印技术通过在多媒体产品中嵌入一种不易被常规信号处理去除并且具有一定意义的标记，来证明作者对作品的所有权，可以用作鉴定或者起诉侵权的证据 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
[2]。也可以通过水印来检测多媒体产品的完整性以及传递信息的可靠性，为多媒体产品的信息安全提供了有效的方法。数字水印不像常规的密码加密方法进行加密，在不破坏多媒体内容的完整性将信息进行伪装或掩藏[3]。所以，数字水印技术已经成为当前信息安全研究方向迅速发展的热门技术，是一种维护知识产权以及保证信息安全的重要技术[4]。
1.2 意义
鲁棒性强，不可见性好，嵌入容量高是信息隐藏技术一直向往和追求的完美状态，但是在实际的情况下，一旦将信息隐藏的算法确定下来，这三者就会相互制约。在数字水印算法相同的情况下，如果一旦提高其嵌入容量，那么它的鲁棒性和不可见性在一定程度上就会下降；在嵌入容量不变的情况下，如果提高其鲁棒性，就会对载体中的数据进行过分的修改，那么图像的视觉质量就会下降；同理，保持水印图像的鲁棒性不变，如果图像质量高，那么对载体的修改就会变少，嵌入容量就会自然而然地降低。本文将会采用整数小波变换的可逆图像水印算法结合算法在灰度图像其鲁棒性不变的前提下，改善其不可见性和其存储容量。
1.3 发展历程
自从1990年第一篇关于数字水印问题的文章发表以来，信息隐藏技术一直是国内外最热门的研究课题，信息隐藏技术的方法种类也越来越多。早期的数字水印算法大都针对图像进行研究的[5]。1993年，Tirkel等发表了一篇文章，他们首先提出了一种说法：电子水印，而随后发表的另一篇文章则提出了“数字水印”这一概念。意识到数字水印的重要性后，他们对于一些应用提出了针对灰色图像的两种在图像的最低有效位中添加水印的方案[68]。在1993年，Cox等提出了一种扩频通信思想的水印方案，该方法具有较好的鲁棒性，成为了数字水印技术中较为经典的方案，存在一定的劣势就是再提取水印信息的过程中必须有原始图像的参与，有着一定的限制[9]。1998年提出的一类盲水印方案中采用量化器来实现嵌水印信息的嵌入，该方案有着嵌入容量高，鲁棒性强等优点[10]。在2006年顾洪峰先生提出的基于图像特征的技术研究，充分的利用了人类视觉模型，对不可见性的提高提供了很好的研究方向[11]。2017年，徐江锋和张守强先生提出了利用混沌系统产生的混沌序列对快速响应码进行加密的算法，大大地提高了水印的鲁棒性[12]。目前世界上有很多的国家都非常重视数字水印技术的研究，许多知名的研究机构和公司，例如日本的索尼公司，美国的麻省理工学院多媒体实验室和空军研究院以及荷兰的飞利浦公司等都在从事这一领域的研究工作，也提出了许多先进的算法。国内的上海阿须数码技术有限公司也致力于数字水印方面的研究，同样也取得了一定的成绩，申请了多项国内外的技术专利。
1.4 可逆水印介绍
将秘密信息嵌入载体信息中，从而实现版权保护的需求。可正因为这种需求，决定了人们将焦点聚于嵌入的秘密信息，因此忽略了载体信息的重要性。一般来说，绝大多数的数字水印技术中，嵌入秘密信息的操作都会对原始载体的数据信息造成一定的损坏，然而这种损坏往往是永久的[13]。
在现实中，某些比较敏感的领域中，例如珍贵的文史资料图，医学图像，遥感图等等，这些信息往往来之不易而且要多次重复使用，所以人们对这些作为载体的数据信息应比较关注[14]。因此，要寻找一种新颖的水印技术，即重视水印信息也关注载体信息。所以对作品的完整性和有效性的可逆水印技术得以发展。要实现将含有水印的载体信息传送给检测方后，先提取出水印的信息，并确定载体信息的可靠性和完整性后，按照嵌入水印过程的逆操作提取水印时，实现原始载体信息的精确恢复[15]。可逆水印主要从三个方面来衡量：嵌入信息量，视觉质量和算法复杂度。
1.5 算法框架
根据嵌入水印和提取水印的过程是否下对图像的需要做变换，数字水印可以分为变换域和空间域这两种水印。从综合方面来看，变换域水印具有一定的优势，也占据了目前水印的主导地位，变换域水印也将成为主流水印[16]。变换域水印中较为出名的是离散余弦变换（DCT），但是相比而言，小波变换在很多方面更具有优势。在小波系数之中嵌入水印，则会同时具有空域上的局部性和全局性两种特性，局限性可以让水印对一些类似于剪切的局部操作会有不错的鲁棒性，全局性则使低通滤波或高通滤波之类全局操作有着良好的鲁棒性，相比于离散余弦变换，则在鲁棒性上有着显著的优越性[17]。在确定原始信号修改的位置和性质上，小波变换的特殊结构也能提供一定的帮助。
离散余弦变换中涉及了余弦计算，则会从整数集或者浮点数集变换到浮点数集，小波变换也是如此，所以其反变换则不能完整地重新构成原始信号。然而，整数小波变换则可以解决这个问题，因为它是从整数集转换到整数集，所以其反变换可以构成原始信号，没有数据的丢失，达成完全的可逆。对于可逆水印的嵌入和提取，整数小波变换无疑是较好的方法[18]。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 意义 1
1.3 发展历程 1
1.4 可逆水印介绍 2
1.5 算法框架 3
1.6 本章小结 4
2 算法介绍 4
2.1 整数小波变换 4
2.2 直方图平移算法 5
2.3 溢出处理 6
2.4 参数选择嵌入 7
2.5 本章小结 8
3 算法的实现 8
3.1 水印的嵌入 8
3.2 提取 9
4 预分析结果 10
4.1 时间复杂度 11
4.2 视觉质量 11
4.3 嵌入容量 12
4.4 本章小结 13
总结 14
致谢 15
参考文献 16
1 绪论
1.1 研究背景
随着互联网技术的不断发展，“互联网+”理念的提出之后，文档，图像，视频和音频的传播更为便捷，同样我们也可以很方便地通过网络来找到和处理及储存各种各样的多媒体作品，这样虽然能给我们带来方便，但同时会存在着一系列的网络安全问题。例如，如何能够保护多媒体产品的版权问题，如何安全地传递某些信息而避免信息被窃取，那么数字水印信息隐藏技术就是解决这些问题的有效方法之一[1]。
数字水印技术通过在多媒体产品中嵌入一种不易被常规信号处理去除并且具有一定意义的标记，来证明作者对作品的所有权，可以用作鉴定或者起诉侵权的证据 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
[2]。也可以通过水印来检测多媒体产品的完整性以及传递信息的可靠性，为多媒体产品的信息安全提供了有效的方法。数字水印不像常规的密码加密方法进行加密，在不破坏多媒体内容的完整性将信息进行伪装或掩藏[3]。所以，数字水印技术已经成为当前信息安全研究方向迅速发展的热门技术，是一种维护知识产权以及保证信息安全的重要技术[4]。
1.2 意义
鲁棒性强，不可见性好，嵌入容量高是信息隐藏技术一直向往和追求的完美状态，但是在实际的情况下，一旦将信息隐藏的算法确定下来，这三者就会相互制约。在数字水印算法相同的情况下，如果一旦提高其嵌入容量，那么它的鲁棒性和不可见性在一定程度上就会下降；在嵌入容量不变的情况下，如果提高其鲁棒性，就会对载体中的数据进行过分的修改，那么图像的视觉质量就会下降；同理，保持水印图像的鲁棒性不变，如果图像质量高，那么对载体的修改就会变少，嵌入容量就会自然而然地降低。本文将会采用整数小波变换的可逆图像水印算法结合算法在灰度图像其鲁棒性不变的前提下，改善其不可见性和其存储容量。
1.3 发展历程
自从1990年第一篇关于数字水印问题的文章发表以来，信息隐藏技术一直是国内外最热门的研究课题，信息隐藏技术的方法种类也越来越多。早期的数字水印算法大都针对图像进行研究的[5]。1993年，Tirkel等发表了一篇文章，他们首先提出了一种说法：电子水印，而随后发表的另一篇文章则提出了“数字水印”这一概念。意识到数字水印的重要性后，他们对于一些应用提出了针对灰色图像的两种在图像的最低有效位中添加水印的方案[68]。在1993年，Cox等提出了一种扩频通信思想的水印方案，该方法具有较好的鲁棒性，成为了数字水印技术中较为经典的方案，存在一定的劣势就是再提取水印信息的过程中必须有原始图像的参与，有着一定的限制[9]。1998年提出的一类盲水印方案中采用量化器来实现嵌水印信息的嵌入，该方案有着嵌入容量高，鲁棒性强等优点[10]。在2006年顾洪峰先生提出的基于图像特征的技术研究，充分的利用了人类视觉模型，对不可见性的提高提供了很好的研究方向[11]。2017年，徐江锋和张守强先生提出了利用混沌系统产生的混沌序列对快速响应码进行加密的算法，大大地提高了水印的鲁棒性[12]。目前世界上有很多的国家都非常重视数字水印技术的研究，许多知名的研究机构和公司，例如日本的索尼公司，美国的麻省理工学院多媒体实验室和空军研究院以及荷兰的飞利浦公司等都在从事这一领域的研究工作，也提出了许多先进的算法。国内的上海阿须数码技术有限公司也致力于数字水印方面的研究，同样也取得了一定的成绩，申请了多项国内外的技术专利。
1.4 可逆水印介绍
将秘密信息嵌入载体信息中，从而实现版权保护的需求。可正因为这种需求，决定了人们将焦点聚于嵌入的秘密信息，因此忽略了载体信息的重要性。一般来说，绝大多数的数字水印技术中，嵌入秘密信息的操作都会对原始载体的数据信息造成一定的损坏，然而这种损坏往往是永久的[13]。
在现实中，某些比较敏感的领域中，例如珍贵的文史资料图，医学图像，遥感图等等，这些信息往往来之不易而且要多次重复使用，所以人们对这些作为载体的数据信息应比较关注[14]。因此，要寻找一种新颖的水印技术，即重视水印信息也关注载体信息。所以对作品的完整性和有效性的可逆水印技术得以发展。要实现将含有水印的载体信息传送给检测方后，先提取出水印的信息，并确定载体信息的可靠性和完整性后，按照嵌入水印过程的逆操作提取水印时，实现原始载体信息的精确恢复[15]。可逆水印主要从三个方面来衡量：嵌入信息量，视觉质量和算法复杂度。
1.5 算法框架
根据嵌入水印和提取水印的过程是否下对图像的需要做变换，数字水印可以分为变换域和空间域这两种水印。从综合方面来看，变换域水印具有一定的优势，也占据了目前水印的主导地位，变换域水印也将成为主流水印[16]。变换域水印中较为出名的是离散余弦变换（DCT），但是相比而言，小波变换在很多方面更具有优势。在小波系数之中嵌入水印，则会同时具有空域上的局部性和全局性两种特性，局限性可以让水印对一些类似于剪切的局部操作会有不错的鲁棒性，全局性则使低通滤波或高通滤波之类全局操作有着良好的鲁棒性，相比于离散余弦变换，则在鲁棒性上有着显著的优越性[17]。在确定原始信号修改的位置和性质上，小波变换的特殊结构也能提供一定的帮助。
离散余弦变换中涉及了余弦计算，则会从整数集或者浮点数集变换到浮点数集，小波变换也是如此，所以其反变换则不能完整地重新构成原始信号。然而，整数小波变换则可以解决这个问题，因为它是从整数集转换到整数集，所以其反变换可以构成原始信号，没有数据的丢失，达成完全的可逆。对于可逆水印的嵌入和提取，整数小波变换无疑是较好的方法[18]。
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