MATLAB在图像数字水印技术研究中的运用_图文


计算机技术



并给出了实例及实验结果 。 关键词

中图法分类号  TP309;    文献标识码  A

展 ,数字产品的版权保护问题以及数字信息的安全 由于单纯依靠密码学技术有其局限性 , 即它对解密 后的数字产品失去保护意义 ,因此 ,在 20 世纪 90 年
W ater marking)作为信息隐藏的一个重要分支 , 可以

传输就成为摆在人们面前迫切需要解决的问题 。

代初期 , 产生了数字水印技术 。数字水印 ( D igital 有效地实现网络环境中数字产品的版权保护 , 它是 解决这类问题的一种极具潜力的技术 。 由于数字水印技术本身涉及多种学科领域 , 导 致其研究的难度和复杂性较大 ; 水印算法也大量用 到图像处理 、 数学计算等 , 因此选用合适的编程工 具非常必要 。目前 , 在工程计算上被广泛应用的
MATLAB 软件以其强大的图像处理和数值计算功

能脱颖而出 ,它可以通过本身集成的图像处理函数 把水印算法实现变得简洁 、 高效 。MATLAB 将 计 算、 图示和编程集成到一个交互式的环境中 , 计算 结果和编程过程实现了可视化 , 另外 MATLAB 语言
2006 年 4 月 5 日收到   

第 6 卷   15 期  2006 年 8 月 第 1671 21815 (2006) 15 22264 204   要

科            学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering

 Vol. 6  No. 15   Aug. 2006
Ζ  2006  Sci Tech. Engng . . 功能 功能

M ATLAB在图像数字水印技术研究中的运用
梁    欣 谭月辉   张俊萍     刘 凯
(中国人民解放军军械工程学院计算机教研室 ,石家庄 050003; 西安卫星测控中心 1 ,西安 710038 )
3
1

介绍了数字水印技术涉及的 MATLAB 的基本图像处理函数 ,研究了 MATLAB 在水印预处理和水印嵌入过程的运用 , 数字水印   MATLAB    置乱技术    离散小波变换

   随着网络交流日益普及和电子商务的蓬勃发

的语法规则容易熟悉掌握 。

1   ATLAB 图像处理函数介绍 M

由于着重讨论图像数字水印 , 所以以表格形式 只给出二维信号 (语音为一维信号 、 图像为二维信 号 )处理函数 ,见表 1 至表 4。

表 1  图像显示和输入输出函数 函数
I read m I show m I w rite m Truesize I finfo m Subim age Load Save

从图形文件中读取图像 显示图像 将图像写入图形文件中 调整图像显示尺寸 返回图形文件信息

在一幅图中显示多幅图像

函数
Fft2 Ifft2 Dct2 Idct2 Dw t2 Idw t2

第一作者简介 : 梁欣 ,军械工程学院计算机工程系 2004 级研究 生 ,研究方向 : 计算机信息安全理论 、 信息隐藏和数字水印 。 E mail: suxueyu_lk@126. com。

算机信息安全理论 。

3 通讯作者简介 : 谭月辉 , 军械工程学院 : 副教授 , 研究方向 : 计

将 3 . mat的图像文件调入到内存 表 2  图像变换函数 计算二维快速傅里叶变换 进行二维离散余弦变换 一层二维离散小波变换 计算二维傅里叶变换的反变换 计算二维离散反余弦变换 一层二维离散小波反变换

保存工作区中的变量到 3 . mat格式的图像文件中

15 期

梁   ,等 : MATLAB 在图像数字水印技术研究中的运用 欣 续表

22  65

函数
W avedec2 W averec2 Detcoef2 Appcoef2 Upw lev2 W rcoef2 Upcoef2 Radon

功能 多层二维小波分解 多层二维小波重构 提取二维小波分解高频系数 提取二维小波分解低频系数 二维小波分解的单层重构 二维小波分解系数单层重构 二维小波分解的直接重构 计算图像在指定角度的 radon变换 表 3  图像类型转换和颜色空间转换

2   ATLAB 在水印预处理中的运用 M
置乱技术是一种图像加密技术 , 它利用数字图 像具有的数字阵列的特点 , 搅乱图像中像素的位置 或颜色使之变成一幅杂乱无章的图像
[1]

, 从而达到

无法辨认出原图像的目的 , 可用于数字图像水印的 预处理和后处理过程 。对水印进行置乱变换可以 提高水印信息的安全性 , 增强水印的鲁棒性 。 置 乱过程不仅可以在数字图像的空间域上进行 , 还可 以在其频率域上进行
[2]

。常见置乱方法有 A rnold
[3]

函数
Gray2 ind Ind2gray Rgb2gray I 2bw m M at2gray I 2unit16 m I 2double m i 2uint8 m Isbw Isgray Isind Isgrb Rgb2hsv H sv2 rgb Rgb2ycbcr Ycbcr2 rgb rgb2ntsc ntsc2 rgb

功能 将灰度图像转换为索引图像 将索引图像转换为灰度图像 转换 RGB 图像或颜色映像表为灰度图像 将图像转换为二进制图像 将矩阵转换为灰度图像 转换图像阵列为 16 位无符号整型 转换图像矩阵为双精度型 转换图像阵列为 8 位无符号整型 判断是否为二进制图像 判断是否为灰度图像 判断是否为索引图像 判断是否为 RGB 图像 转换 RGB 值为 HSV 颜色空间 转换 HSV 值为 RGB 颜色空间 转换 RGB 的值为 YcbCr 颜色空间 转化 YcbCr 值为 RGB 颜色空间 转换 RGB 的值为 NTSC颜色空间 转换 NTSC的值为 RGB 颜色空间

变换 、 方 变 换 、 ilbert 曲 线 、 幻 H Conway 游 戏 、 义 广
Gray码变换 、 仿射变换 、 正交拉丁方变换等



置乱技术具有以下特点 : 置乱技术一般来说具 有周期性 ; 置乱变换之后的图像大小不发生改变 , 直方图不变 , 只是打乱图像各像素的次序 ; 置乱技 术是可逆变换 的逆变换 。 对水印进行置乱处理的优点如下 。
1 )采用置乱技术的合法使用者可以自由控制
[4]

,水印在提取后需要进行置乱变换

算法的选择 、 参数的选择以及使用随机数技术 , 从 而使非法使用者难以破译图像内容 , 即可以提高水 印信息的安全性
[5]


[6]

2 )置乱技术可以分散错误比特的分布 , 提高数

字水印的视觉效果 ,从而增强其鲁棒性



以 A rnold变换为例 ,可用下面给出的 M atlab 程 序计算出任意大小的图像恢复至原图时所需的迭 代周期 。如大小为 128 × 的图像迭代 96 次后将 128 回到原图 。
function Period = A rnoldPeriod (N ) % 求周期 , N 为待求图像的像素尺寸 if ( N < 2 )  Period = 0; % 如果 N < 2,即只有一个像素的情况下 ,周期为 0 return; end n = 1; x = 1; y = 1;    %初始位置 %通过循环寻找周期 while ( n = 0) xn = x + y; yn = x + 2 3 y;

表 4  攻击测试函数 函数
I crop m I rotate m I resize m H isteq I adjust m I noise m I resize m D ither Corr2 Sim ilar

功能 剪切图像 旋转图像 改变图像大小 实现对输入图像的直方图均衡化 调整图像灰度值或颜色映像表 给图像加入噪声 改变图像大小 通过抖动增加外观颜色分辨率 计算两个矩阵的二维相关系数 计算两个矢量的相似度

%A rnold 变换公式

if ( mod ( xn, N ) = = 1 & mod ( yn, N ) = = 1 )

2266
%再次的回到原来的位置 ,完成一次的周期 Period = n; return; end x =mod ( xn, N ) ; y =mod ( yn, N ) ; n = n + 1; end

科            学 技 术 与 工 程
% perfor I W T m D watermarked_im age _ uint8 = uint8 ( watermarked _ im age ) ; back to uint8

6卷

% convert

imwrite (watermarked_im age_uint8, ′ t_watermarked. bmp ′′ ′; dw , bmp ) p snr = p snr( cover_object, watermarked_ im age_uint8, Mc, Nc) , culate the PSNR subp lot( 2, 2, 1) ; A = im read ( ′ copyright′′ ′; , bmp ) ) im show (A ) ; title ( ′ mark : A ′; water subp lot( 2, 2, 2) ; I = im read ( ′ ′′ ′; lena , bmp ) ) im show ( I) ; title ( ′ origine im age: I′; ) BW = edge ( I, ′rewitt′; p subp lot( 2, 2, 3) ; im show (BW ) ; ) title ( ′ of origine im age′; edge subp lot( 2, 2, 4) ; % cal2

原图像青椒     置乱变换 2 次     置乱变换 40 次 图 1  A rnold变换实现效果图

im show (watermarked_im age_uint8, [ ] ) ; ) title ( ′ ater W marked I age′ m

运行结果 :
p snr = 1. 8303e + 003 s = 10 3 log10 ( p snr) s = 32. 6253 dB

3  M ATLAB 在数字水印实现中实用 、 高效

的体现
   这里给出一个实例来说明 。 (鉴于篇幅有限只 给出水印嵌入程序 )
k = 2;    % set the gain factor for embeding file_name = ′ lena. bmp ′  % read in the cover object ; cover_object = double ( im read ( file_name) ) ; Mc = size ( cover_object, 1) ; Nc = size ( cover_object, 2 ) ; size of watermarked im age file_ name = ′ copyright bmp ′ % read in the message im age and re2 . ; shape it into a vector size (message, 2) ; state′ ; , 16) [ cA1, cH1, cV1, cD1 ] = dwt2 ( cover _ object, ′ ′; haar ) % % add pn sequences to H1 and V1 componants when message = 0 for ( kk = 1: length (message_vector) ) cV1 = cV1 + k 3 pn_sequence_v; end end pn_sequence_h = round ( 2 3 ( rand (Mc /2, Nc /2) - 0. 5 ) ) ; pn_ se2 if (message ( kk ) = = 0) cH1 = cH1 + k 3 pn _ sequence _ h; % determ ine

message = double ( im read ( file_name) ) ; Mm = size (message, 1) ; Nm =

图 2  MATLAB 仿真试验结果

message_vector = round ( reshape (message,Mm 3 Nm , 1) . /256) ; rand ( ′ perfor DW T m water marked_im age = idwt2 ( cA1, cH1, cV1, cD1, ′ ′ haar , [Mc,Nc ] ) ; quence_v = round ( 2 3 ( rand (Mc /2, Nc /2) - 0. 5) ) ;

显然 ,MATLAB 实现数字水印所需编程比较简

练 ,并能给出可视化结果 , 说明适合选用 MATLAB 来解决水印算法实现问题 。

4  结论

本文着重探讨了 MATLAB 在数字水印实现中

的运用 ,并详细介绍了水印置乱处理 、 水印嵌入的
LAB 在解决数字水印问题中发挥的重要作用 , 同时

也体现出其以下优点 。

MATLAB 实现仿真结果 。旨在通过试验说明 MAT2

15 期

梁   ,等 : MATLAB 在图像数字水印技术研究中的运用 欣

22  67

( 1) MAT LAB 提供了图像处理工具箱、 小波分析

计算机辅助设计与图形学学报 , 2001, 13 ( 4) : 338 —341
2  许红山 . 置乱技术在信息隐藏中的应用 . 广州大学学报 (自然科

工具箱、 数字信号处理工具箱 , 集成的丰富的 DCT、
DW T等图像处理函数 ,使源程序简洁明了、 易于实现。

学版 ) , 2004; 3 ( 2) : 134 —136
3  高守平 . 数字图像的置乱技术 . 彬州师范高等 专科学 校学报 , 2002; 23 ( 2) : 69 —73 4  李晓梦 . 基于静态图像的数字水印技术研究 . 西北工业大学硕士

使用 MAT LAB 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
[7]



( 2 ) MATLAB 具备强大的数学运算功能 , 并与

学位论文 . (内部资料 ) , 2004 年 3 月
5  王文君 . 基于小波包的遥感图像半脆弱性数字水印 . 燕山大学硕

目前最强大的编程工具 ——V isual C + +具有良好 — 的接口
[7]


[8]

士学位论文 . (内部资料 ) , 2004 年 3 月
6  刘建华 ,李   ,张昌年 . 数字图像置乱技术及 Matlab 实现 . 桂林 燕

但 MATLAB 也不是十全十美的 , 例如由于它是 解释性语言 ,所以其执行速度并不是很理想
,在编

航天工业高等专科学校学报 , 2002; ( 4) : 9 —12
7     ,田红鹏 ,郝重阳 . 一种高效的数字水印研究工具 % % MA 2 马 苗 TALB. 信息与控制 , 2002; 31 ( 5) : 461 —465 8  董长虹 ,赖至国 ,余啸海 . Matlab 图像处理与应用 . 北京 : 国防工

程时需要使用一些技巧和经验来尽量获得好的性能。
参      考 文 献
1  丁

业出版社 , 2004, 24 —25

玮 ,闫伟齐 ,齐东旭 . 基于 A rnold变换的数字图像置乱技术 .

Applica tion of MATLAB i the D ig ita l W a termark Techn ica l Research of P icture n
L I NG Xin, TAN Yuehui , ZHANG Junp ing, L I Kai A U
Xi’ satellite control center1 , Xian 710038) an
3
1

( Computer Teaching and Researching Section, O rdnance Engineering College, Shijiazhuang 050003;

mark are studied . Finally the examp le and experim ental result are p rovided.

gy is im troduuced1 The app lication of MATLAB in the watermark p retreatm ent and the course of im bedding water2 [ Key words]  digital water arking  MATLAB   orderless technology  discrete wavelet transform m (上接第 2259 页 )

cient of t o flat elastic surfaces The studies reveal the relationship s betw een friction coefficient and param eters of a w .

creases rap idly to a critical value, which is close to the calculation results of Bowden ’ adhesion equation. s

[ Abstract]  The basic im age p rocessing functions related to MATLAB , which com es down to water ark technolo2 m

Study on the Energy M ethod of Ca lcula tin g Fr iction Force
XU Zhongm ing, HUANG Ping

( College of Mechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640)

[ Abstract]   An energy p rincip le m ethod is used to calculate and research the friction force and friction coeffi2 [ Key words]  energy p rincip le    sliding friction   friction coefficient  energy dissipation mechanis m tribo 2system. The research suggests that the oscillation of interfacial atom s in the new balance position after jump ing is the key of energy dissipation. W hen the height of an asperity increases in the model, the friction coefficient in2


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