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?一、DCT數(shù)字水印簡(jiǎn)介

1 前言
隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)節(jié)奏的加快，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟，需求也開始發(fā)生改變，人們對(duì)便利的需求也越來(lái)越大，通過(guò)將媒體信息數(shù)字化，使得信息表達(dá)的精準(zhǔn)和效率得到了明顯提升。數(shù)字化也可以實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的便利性，同時(shí)數(shù)字信息也能方便和快速地通過(guò)電子設(shè)備進(jìn)行傳輸。因此，數(shù)字交換傳輸過(guò)程越來(lái)越簡(jiǎn)易。

這樣的便利固然舒適，但是伴隨的副作用也快速被發(fā)現(xiàn)，急切需要一種技術(shù)對(duì)密碼學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充?，F(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)中時(shí)常出現(xiàn)的產(chǎn)權(quán)問(wèn)題也被得到了重視。數(shù)字水印技術(shù)的出現(xiàn)大大緩解了這一情況，如若內(nèi)容被進(jìn)行了解密處理，這種新的信息技術(shù)仍能發(fā)揮它的效用，繼續(xù)起到對(duì)信息的保護(hù)作用。

2 數(shù)字水印算法的基本要求
2.1 數(shù)字水印的定義
數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行工作的前提是，原始載體不能受到影響。默默保護(hù)信息不被打擾不被發(fā)現(xiàn)是它的優(yōu)勢(shì)。所謂的數(shù)字水印是需要在載體文件中鑲嵌一些保護(hù)信息，數(shù)字化的圖像、影像、文字都是載體文件。也可以這樣認(rèn)為，數(shù)字水印是采用擴(kuò)頻通信手段在寬窄信道之間傳輸?shù)囊环N水印信號(hào)。使用者可以通過(guò)識(shí)別載體文件中的保護(hù)信息來(lái)推斷初始信息有沒有被篡改，還可以從中得到其中的隱含信息。因此可以將水印信號(hào)表示為：

我們能夠利用序列來(lái)表示水印信息，簡(jiǎn)單和復(fù)雜的水印信號(hào)都有對(duì)應(yīng)序列；其中一維和二維序列表示較為簡(jiǎn)單的水印信號(hào)，三維或者多維的數(shù)組來(lái)表示比較復(fù)雜的水印信號(hào)。在式中A表示整個(gè)公式的一個(gè)取值范圍、M表示水印信號(hào)的長(zhǎng)度。水印信息一樣也可以使用數(shù)組來(lái)表示，數(shù)組的維數(shù)的多少代表信息的復(fù)雜程度，一般一維序列是用來(lái)表示音頻文件的；如果載體是圖像，那對(duì)應(yīng)的水印就是二維數(shù)組；載體是動(dòng)畫，相應(yīng)的水印就是三維信號(hào)。

2.2 數(shù)字水印技術(shù)有以下四個(gè)方面的特點(diǎn):
(1）安全性

信息一定是需要安全來(lái)保證的，不管在任何應(yīng)用領(lǐng)域中，這都會(huì)是最重要的需求之一。而數(shù)字水印不僅能夠保證信息的安全還能保障信息不被篡改和偽造。信息的安全不僅體現(xiàn)在不被偷竊還體現(xiàn)在誤檢測(cè)率要較低。數(shù)字水印的信息應(yīng)該隨著初始內(nèi)容的改變而實(shí)時(shí)變化；數(shù)字水印的安全性越強(qiáng)則抵抗性越強(qiáng)。

(2）隱蔽性

數(shù)據(jù)在符合規(guī)則的使用情況下，不會(huì)使原本的保護(hù)的文字、圖像、音頻等得到降質(zhì)，保證質(zhì)量同時(shí)還很難被察覺，具有不可察覺的優(yōu)勢(shì)。

(3）魯棒性

經(jīng)過(guò)多次信號(hào)處理或者攻擊之后，水印信息中的數(shù)據(jù)不被破壞，且識(shí)別結(jié)果也不會(huì)發(fā)生偏差，圖像很容易被攻擊就很容易將信息泄露。平移、旋轉(zhuǎn)、剪切、濾波、量化、采樣、轉(zhuǎn)換等都是信號(hào)的處理過(guò)程。數(shù)字水印是將一些不能被看見的信息嵌入到內(nèi)容數(shù)據(jù)中，通常情況下是使用在版權(quán)保護(hù)中，或者用于保護(hù)內(nèi)容數(shù)據(jù)的完整性。這也是數(shù)字水印保證信息不被篡改的方式。這樣可以掩蓋原本的信息將現(xiàn)有信息進(jìn)入到破壞者眼中，從而造成干擾。

(4）水印容量

考慮到整個(gè)通信領(lǐng)域?qū)τ陔[蔽性的要求偏高，并且需求不斷增長(zhǎng)，所以數(shù)字水印的水印容量也根據(jù)該情況做出了相應(yīng)的調(diào)整。在此調(diào)整的基礎(chǔ)上，水印容量也需要加強(qiáng)自身的能力，將自己承載信息的能力變強(qiáng)，只有這樣才能將圖像中所需要的信息都嵌入都水印中。正是因?yàn)橥ㄐ蓬I(lǐng)域的獨(dú)特性，數(shù)字水印在這方面的努力也使得數(shù)字水印在這個(gè)領(lǐng)域中非常受歡迎，并且水印容量中所承載的信息能夠?qū)⒊跏紙D像的所有信息都標(biāo)明。版權(quán)糾紛就是因?yàn)樗鶎僬邩?biāo)識(shí)不清晰才會(huì)產(chǎn)生，這種做法可以盡可能防止這種糾紛的發(fā)生，還能夠保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的合法權(quán)益。

數(shù)字水印具有以上四個(gè)基本特征。正是由于數(shù)字水印有安全性、隱蔽性、魯棒性和數(shù)字水印這些特征，才在各式各樣的水印設(shè)計(jì)方案中得到最優(yōu)解。一個(gè)理想的水印算法不但需要高隱蔽性，還需要有強(qiáng)抵御力來(lái)面對(duì)各種攻擊。優(yōu)秀的數(shù)字水印方案需要結(jié)合以上四點(diǎn)做出理性的選擇，只有充分考慮到這四個(gè)特征才能在設(shè)計(jì)水印方案的時(shí)候完美切合實(shí)際需求。

2.3 DCT變換的數(shù)字水印的應(yīng)用
DCT變換域算法在抵抗有損壓縮編碼和其他一些具有信號(hào)失真的數(shù)據(jù)處理過(guò)程有很好的表現(xiàn)，魯棒性和不可感知性是難以同時(shí)滿足的兩個(gè)要求，但是基于DCT變換的數(shù)字水印算法能更好地滿足這兩個(gè)基本要求。針對(duì)DCT變換的數(shù)字水印算法，在下文中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)解釋。并對(duì)版權(quán)保護(hù)問(wèn)題中利用DCT變換所需的方法及步驟做出介紹。

3 離散余弦變換（DCT）算法介紹
3.1 傅里葉變換緊密相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算是離散余弦變換
DCT變換的基礎(chǔ)是傅里葉變換，圖像信號(hào)需要通過(guò)二維數(shù)組的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

反離散余弦變換IDCT坐標(biāo)公式：

其中：

3.2 DCT域系數(shù)分析
根據(jù)上式的計(jì)算方法可以得到64個(gè)系數(shù)，左上方位置的式直流分量（DC分量）。去除左上角的位置坐標(biāo)的其他坐標(biāo)系數(shù)都稱為交流分量（AC分量）。只要加入大量的水印信息都不會(huì)使得水印之后的圖像與初始圖像對(duì)比之后在視覺上都不會(huì)產(chǎn)生較大差別，此時(shí)的感覺容量即為最大，這個(gè)位置也是最適合在這64個(gè)DCT系統(tǒng)中添加水印信息的位置，同時(shí)還能夠確保在經(jīng)過(guò)惡意攻擊之后，圖像依舊可以完整的提取水印信息。魯棒性較高的區(qū)域剛好位于人們視覺敏感區(qū)域，此時(shí)的信號(hào)在信息處理過(guò)程中很難被除掉。

4 基于DCT變換技術(shù)的數(shù)字水印算法的應(yīng)用步驟
對(duì)于彩色圖片，基本DCT算法的流程是，首先將RGB圖片轉(zhuǎn)成YUV格式，然后再將圖像矩陣分成互不重疊的8*8塊，DCT模塊對(duì)其中的Y分量，而后經(jīng)YUV2 RGB輸出嵌入后的RGB流。流程圖如圖1。

圖1 水印算法流程圖
具體嵌入方法為：讀取水印信息w(這里w取1或-1)，按公式更改s系數(shù)的值，其中T是選定的閾值。數(shù)字水印是將一些不能被看見的信息嵌入到內(nèi)容數(shù)據(jù)中，通常情況下是可以護(hù)內(nèi)容數(shù)據(jù)的完整性。

擴(kuò)頻原理的疊加使用，是水印技術(shù)保證并升級(jí)DCT算法的可靠性的優(yōu)質(zhì)方案，用來(lái)滿足數(shù)字水印設(shè)計(jì)方案的需求。DCT變換的最佳獨(dú)特之處就在于，普通的信息只能將塊狀的信息匯聚在少量的低頻DCT系數(shù)中，如此僅少量系數(shù)可以變換，還不會(huì)對(duì)圖像的質(zhì)量有危害。當(dāng)分塊的運(yùn)算出現(xiàn)時(shí)，使得圖像嵌入更為簡(jiǎn)易。因此DCT變換在低頻中更適用，高頻編碼是容易被各種處理方法破壞使用，不被使用。擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是比較簡(jiǎn)單的，目前人們正在研究的數(shù)字水印算法更多的是基于變換域的，而這些變換域主要以頻域?yàn)橹?，在空域算法方面，彌補(bǔ)了不足。

圖2 原圖與嵌入水印后的圖像

5 水印的提取
當(dāng)水印信息嵌入到圖像之后，需要通過(guò)DCT變換等比較系統(tǒng)的方式將水印提取出來(lái)。
(1）基于DCT變換對(duì)含水印信息的數(shù)字作品進(jìn)行變換。
(2）最佳嵌入?yún)^(qū)域需要根據(jù)嵌入算法來(lái)找到嵌入?yún)^(qū)域。
(3）按照水印嵌入時(shí)的基本規(guī)則將二元數(shù)組和三元數(shù)組兩者的數(shù)值對(duì)比之后，就可以確定水印信息值了。
(4）將確定的水印信息值經(jīng)過(guò)變換之后就可得到提取出的水印信息。

6 DCT水印攻擊實(shí)驗(yàn)分析
從直觀的角度觀察水印的感知透明度就是DCT水印的攻擊測(cè)試。
(1）本次分析主要對(duì)圖像嵌入水印序列，之后再對(duì)已經(jīng)加入水印的圖像進(jìn)行水印的提取。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出基于DCT變換后的數(shù)字水印算法的透明性有明顯改善。
(2）以惡意攻擊實(shí)驗(yàn)的方式，來(lái)驗(yàn)證數(shù)字水印算法在數(shù)字媒體當(dāng)中的作用。能否使得版權(quán)信息得到保護(hù)；能不能快速并且有效的將信息提取出來(lái)；嵌入的水印經(jīng)過(guò)攻擊后是否可以完整的提取。

?二、部分源代碼

clear;
clc;

disp(‘請(qǐng)選擇載體圖像：’);
[filename2, pathname2] = uigetfile(‘.jpg’, ‘讀取圖片文件’);
pathfile2=fullfile(pathname2, filename2);
image=imread(pathfile2);
disp(‘請(qǐng)選擇水印圖像：’);
[filename, pathname] = uigetfile('.jpg’, ‘讀取圖片文件’);
pathfile=fullfile(pathname, filename);
markbefore=imread(pathfile);

markbefore2=rgb2gray(markbefore);
mark=im2bw(markbefore2); %使水印圖像變?yōu)槎祱D
figure(1); %打開窗口
subplot(2,3,1); %該窗口內(nèi)的圖像可以有兩行三列
imshow(mark),title(‘水印圖像’); %顯示水印圖像
marksize=size(mark); %計(jì)算水印圖像的長(zhǎng)寬
rm=marksize(1); %rm為水印圖像的行數(shù)
cm=marksize(2); %cm為水印圖像的列數(shù)

I=mark;
alpha=30; %尺度因子,控制水印添加的強(qiáng)度,決定了頻域系數(shù)被修改的幅度
k1=randn(1,8); %產(chǎn)生兩個(gè)不同的隨機(jī)序列
k2=randn(1,8);
subplot(2,3,2),imshow(image,[]),title(‘載體圖像’); %[]表示顯示時(shí)灰度范圍為image上的灰度最小值到最大值
yuv=rgb2ycbcr(image); %將RGB模式的原圖變成YUV模式
Y=yuv(:,:,1); %分別獲取三層，該層為灰度層
U=yuv(:,:,2); %因?yàn)槿藢?duì)亮度的敏感度大于對(duì)色彩的敏感度，因此水印嵌在色彩層上
V=yuv(:,:,3);
[rm2,cm2]=size(U); %新建一個(gè)和載體圖像色彩層大小相同的矩陣
before=blkproc(U,[8 8],‘dct2’); %將載體圖像的灰度層分為8×8的小塊，每一塊內(nèi)做二維DCT變換，結(jié)果記入矩陣before

after=before; %初始化載入水印的結(jié)果矩陣
for i=1:rm %在中頻段嵌入水印
for j=1:cm
x=(i-1)8;
y=(j-1)8;
if mark(i,j)==1
k=k1;
else
k=k2;
end
after(x+1,y+8)=before(x+1,y+8)+alphak(1);
after(x+2,y+7)=before(x+2,y+7)+alphak(2);
after(x+3,y+6)=before(x+3,y+6)+alphak(3);
after(x+4,y+5)=before(x+4,y+5)+alphak(4);
after(x+5,y+4)=before(x+5,y+4)+alphak(5);
after(x+6,y+3)=before(x+6,y+3)+alphak(6);
after(x+7,y+2)=before(x+7,y+2)+alphak(7);
after(x+8,y+1)=before(x+8,y+1)+alphak(8);
end
end

?三、運(yùn)行結(jié)果

?四、matlab版本及參考文獻(xiàn)

1 matlab版本
2014a

2 參考文獻(xiàn)
[1]楊守義,姬留杰,穆曉敏,齊林.基于FRFT的數(shù)字水印算法分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件. 2009,26(01)

3 備注
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2 機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方面
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、LSTM、支持向量機(jī)（SVM）、最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）、極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）、核極限學(xué)習(xí)機(jī)（KELM）、BP、RBF、寬度學(xué)習(xí)、DBN、RF、RBF、DELM、XGBOOST、TCN實(shí)現(xiàn)風(fēng)電預(yù)測(cè)、光伏預(yù)測(cè)、電池壽命預(yù)測(cè)、輻射源識(shí)別、交通流預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、股價(jià)預(yù)測(cè)、PM2.5濃度預(yù)測(cè)、電池健康狀態(tài)預(yù)測(cè)、水體光學(xué)參數(shù)反演、NLOS信號(hào)識(shí)別、地鐵停車精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、變壓器故障診斷

3 圖像處理方面
圖像識(shí)別、圖像分割、圖像檢測(cè)、圖像隱藏、圖像配準(zhǔn)、圖像拼接、圖像融合、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮感知

4 路徑規(guī)劃方面
旅行商問(wèn)題（TSP）、車輛路徑問(wèn)題（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃、無(wú)人機(jī)協(xié)同、無(wú)人機(jī)編隊(duì)、機(jī)器人路徑規(guī)劃、柵格地圖路徑規(guī)劃、多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸問(wèn)題、車輛協(xié)同無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃、天線線性陣列分布優(yōu)化、車間布局優(yōu)化

5 無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面
無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃、無(wú)人機(jī)控制、無(wú)人機(jī)編隊(duì)、無(wú)人機(jī)協(xié)同、無(wú)人機(jī)任務(wù)分配

6 無(wú)線傳感器定位及布局方面
傳感器部署優(yōu)化、通信協(xié)議優(yōu)化、路由優(yōu)化、目標(biāo)定位優(yōu)化、Dv-Hop定位優(yōu)化、Leach協(xié)議優(yōu)化、WSN覆蓋優(yōu)化、組播優(yōu)化、RSSI定位優(yōu)化

7 信號(hào)處理方面
信號(hào)識(shí)別、信號(hào)加密、信號(hào)去噪、信號(hào)增強(qiáng)、雷達(dá)信號(hào)處理、信號(hào)水印嵌入提取、肌電信號(hào)、腦電信號(hào)、信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

8 電力系統(tǒng)方面
微電網(wǎng)優(yōu)化、無(wú)功優(yōu)化、配電網(wǎng)重構(gòu)、儲(chǔ)能配置

9 元胞自動(dòng)機(jī)方面
交通流 人群疏散 病毒擴(kuò)散 晶體生長(zhǎng)

10 雷達(dá)方面
卡爾曼濾波跟蹤、航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-400677.html

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