基于MATLAB的数字水印算法研究实现

淡淡的烟草味﹌ 2022-09-11 10:10 369阅读 0赞

基于MATLAB的数字水印算法研究实现

一、课题背景

随着图像、音频、视频等多媒体信息以及Internet的迅速发展，多媒体信息在互联 网上的广泛传播变得及其便利，数据的交换和传输过程变得相对简单。多媒体技术的高 速发展带来方便的同时也带来一系列的问题，如此一来使得版权问题日显突出，数据文 件和作品等等容易在没有授权和许可的情况下被拷贝和传播，盗版者只需经过简单的步 骤就可以盗取与原版一致的文件作品并以此牟利。长此以往，盗版的猖獗将会给我国的 信息产业市场带来极大的负面效应，将极大阻碍该产业的健康发展。

传统多媒体保护技术使用的是密码技术，是一种基于香农理论和密码学理论的技 术。然而这种方法不能完全解决实际问题，一方面是文件加密以后由于不可解行而不利 于多媒体信息的传播，另一方面是攻击者容易注意到被加密过的多媒体信息，并进一步 去破解加密过的多媒体信息。因此，密码学通常用于保护传输中的内容，而无法保护解 密过的信息。

二、数字水印技术简介

因此，由于密码学的不完善，我们需要一种更加可靠的技术来解决上述问题。因而 数字水印技术将能满足我们的需求。数字水印技术是将一些标识信息直接嵌入数字载体 当中或是间接表示，且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改\[1\]o

数字水印技术是信息伪装技术中最重要的内容之一吐 它作为加密技术的补充，在 多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。文件拥有者利用数字水印 技术把水印（例如图片、文字、商标、序列号等等）以人无法感知的方式镶嵌入用于传 播的多媒体信息中，以防止一些传统的信息破解方法。

综合众多学者的定义和分析已有的数字水印方案，现给出数字水印的定义：数字水 印是永久镶嵌在其它数据（宿主数据）中具有可鉴别性的数字信号或模式，而且并不影 响宿主数据的可用性。作为数字水印技术基本上应当满足下面几个方面的要求：

（1） 安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低 的误检测率，当宿主内容发生变法时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据 的变更；

（2） 隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；

（3） 稳健性：数字水印必须难以被除去，如果只知道部分数字水印信息，那么试 图除去或破坏数字水印将导致严重降质或不可用。同时，数字水印在一般信号处理和几 何变换中应具有稳健性；

（4） 水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标 志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利 益。

**三、算法实现**

**3.1基于Mat l ab的数字水印嵌入**

在得到加密后的水印（图**3-2**）,利用**Matlab**进行水印嵌入，得到嵌入水印后的图 像，并可以从新图中提取加密后的水印（图**3-5**）。

![v2-fd1ffc8816253b7607c3daaa0010747c\_b.jpg][v2-fd1ffc8816253b7607c3daaa0010747c_b.jpg]

图 3-5 Figure3

3.2嵌入水印图像与原图的比较

把新图和原图的直方图进行比较

![v2-a4436ccdcf08b7f9973835fe6f043be4\_b.jpg][v2-a4436ccdcf08b7f9973835fe6f043be4_b.jpg]

![v2-c30c1bf58b9e78e24b249fbf9c53f517\_b.jpg][v2-c30c1bf58b9e78e24b249fbf9c53f517_b.jpg]

![v2-d428cadc20f411ab4dcbc9a68b380bf1\_b.jpg][v2-d428cadc20f411ab4dcbc9a68b380bf1_b.jpg]

原图直方图（图**3-6**）：

图3-6原图直方图

新图直方图（图**3-7**）：

图3-7新图直方图

原图与新图的频谱比较（图**3-8**）：

图3-8频谱图比较

可以看出，原图与新图在外观上几乎没有区别，但是通过直方图与频谱图的比较两

幅图片是存在区别的。那么我们就需要对一张未知的图片进行检测是否含有水印。

3.3检测图像中是否含有水印

对一幅未知的图片，我们要对其进行判断是否含有水印，则需要先从该图像中提取 水印，若存在水印，则提取的水印是基于混沌序列加密过的，用该提取的水印与生成的 混沌序列再进行一次异或运算，看是还原出来的水印（图3-9）是否与原始水印（图3-1） 一致。

![v2-b0fb89025863057cd1ed9657da933ccc\_b.jpg][v2-b0fb89025863057cd1ed9657da933ccc_b.jpg]

图3-9还原水印

原图（图**3-10**）不含有水印的情况下，还原水印的结果（图**3-11**）：

![v2-09e476b3837c38d1353788580d9209dc\_b.jpg][v2-09e476b3837c38d1353788580d9209dc_b.jpg]

![v2-6fb9d2f0085660a31c9ff64e51c1ee7c\_b.jpg][v2-6fb9d2f0085660a31c9ff64e51c1ee7c_b.jpg]

图3-10原图

图3-11空白图

从一副未知图像（图**3-12**）中提取水印（图**3-13**）并还原（图**3-14**）

![v2-36bf0066ceebbb85d2aebe10762ceef1\_b.jpg][v2-36bf0066ceebbb85d2aebe10762ceef1_b.jpg]

![v2-80119deb9f4087107c5aa6284bde88c6\_b.jpg][v2-80119deb9f4087107c5aa6284bde88c6_b.jpg]

![v2-d633754e444d73f09226a7b7801deffe\_b.jpg][v2-d633754e444d73f09226a7b7801deffe_b.jpg]

图3-12未知图像

图3-13未知图提取水印

图3-14未知图还原水印

四、参考代码附录:

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>clear all;</td> 
   <td>subplot(2,2,3);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%logistic序列生成算法</td> 
   <td>imshow(f);title('混沌加密水印图像');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>figure(1);</td> 
   <td>imwrite(f,'c:\new\0.BMP');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>an=linspace(3.1,3.99,400);</td> 
   <td>subplot(2,2,4);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>hold on;box on;axis([min(an),max(an),-1,2]);</td> 
   <td>imshow(g);title('水印图像恢复');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>N=64*64;</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>xn=zeros(1,N);</td> 
   <td>M=256;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>for a=an;</td> 
   <td>N=64;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>x=rand;</td> 
   <td>[filename1,pathname]=uigetfile('*.*,,,select the image');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fork=1:20;</td> 
   <td>image1=imread(num2str(filename1));</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>x=a*x*(1-x);</td> 
   <td>figure(3);subplot(2,2,1);imshow(image1);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end</td> 
   <td>title('original image');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fork=1:N;</td> 
   <td>image1=double(image1);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>x=a*x*(1-x);</td> 
   <td>subplot(2,2,2);imshow(f);title('original watermark');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>xn(k)=x;</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>b(k,1)=x;</td> 
   <td>%嵌入水印</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end</td> 
   <td>[ca,ch,cv,cd] = dwt2(image1,'db1');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>plot(a*ones(1,N),xn,'k.,,,markersize,,1);</td> 
   <td>[cas,chs,cvs,cds] = dwt2(ca,'db1');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>fori=1:N</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end</td> 
   <td>forj=1:N</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>c=reshape(b,64,64);</td> 
   <td>iff(i,j)==0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%二维矩阵调制</td> 
   <td>a=-1;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fora1=1:64;</td> 
   <td>else</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fora2=1:64;</td> 
   <td>a=1;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>if c(a1,a2)&gt;=0.5;</td> 
   <td>end</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>d(a1,a2)=1;</td> 
   <td>Ca(i,j)=cas(i,j)*(1+a*0.03);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>else d(a1,a2)=0;</td> 
   <td>end</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end;</td> 
   <td>end</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end;</td> 
   <td>IM= idwt2(Ca,chs,cvs,cds,'db1');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>end</td> 
   <td>markedimage=double(idwt2(IM,ch,cv,cd,'db1'));</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>subplot(2,2,3);colormap(gray(256));image(markedimage);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%水印加密</td> 
   <td>title('marked image');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>e=imread('c:\new\123.BMP');</td> 
   <td>imwrite(markedimage,gray(256),'c:\new\watermarked.bm</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>e=double(e);</td> 
   <td>p','bmp');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>f=bitxor(d,e);%mm=imread('c:\new\0.BMP');nn=double(m</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>m);%h=bitxor(d,mm);</td> 
   <td>%提取水印</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>g=bitxor(d,f);</td> 
   <td>image1=imread(num2str(filename1));image1=double(imag</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>figure(2);</td> 
   <td>e1);</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>subplot(2,2,1);</td> 
   <td>imaged二imread('c:\new\watermarked.bmp');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>imshow(d);title('混沌序列矩阵,);</td> 
   <td>[ca,ch,cv,cd] = dwt2(image1,'db1');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>subplot(2,2,2);</td> 
   <td>[cas,chs,cvs,cds]=dwt2(ca,'db1');</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>imshow(e);title('水印图像');</td> 
   <td>[caa,chh,cvv,cdd]=dwt2(imaged,'db1');</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

end

\[caas,chhs,cvvs,cdds\]=dwt2(caa,'db1,);

for p=1:N

forq=1:N

a=caas(p,q)/cas(p,q)-1;

if a<0

W(p,q)=0;

else

W(p,q)=255;

end

**%**频谱

pic1= imread('c:\\new\\3.jpg'); %pic=rgb2gray(pic);

subplot(2,2,1);

imshow(pic1);

title('原图');

pic\_fft1=fft2(double(pic1)); pic\_fft1=fftshift(pic\_fft1);

subplot(2,2,2);

imshow(log(abs(pic\_fft1)),\[\]); title('原图频谱图');

end

subplot(2,2,4);

colormap(gray(256));image(W);title('从含水印图像中提取 的水印')；

imwrite(W,gray(256),'watermark.bmp,,,bmp,);

%figure(4);

h=bitxor(d,W);figure(7);subplot(2,2,1);imshow(h);

pic2= imread('c:\\new\\watermarked.BMP'); %pic=rgb2gray(pic);

subplot(2,2,3);

imshow(pic2);

title('新图');

pic\_fft2=fft2(double(pic2));

pic\_fft2=fftshift(pic\_fft2);

subplot(2,2,4); imshow(log(abs(pic\_fft2)),\[\]);

title('新图频谱图’

[v2-fd1ffc8816253b7607c3daaa0010747c_b.jpg]: /images/20220828/95b8104d798240b09835e64e06b8b695.png
[v2-a4436ccdcf08b7f9973835fe6f043be4_b.jpg]: /images/20220828/492aae9fec1441bda7bf4a1db3801932.png
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[v2-36bf0066ceebbb85d2aebe10762ceef1_b.jpg]: /images/20220828/32a8d2838d3a464d97c2f19dbb914c81.png
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[v2-d633754e444d73f09226a7b7801deffe_b.jpg]: /images/20220828/6d88b8a433e242918b399b64d50d5a65.png