论文总字数：23926字

目 录

1 引言 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文研究内容和安排 2

2 数字水印的典型算法及性能评价 2

2.1 数字水印的基本原理 2

2.2 数字水印的特点 4

2.3 数字水印的分类 4

2.3.1按特性划分 5

2.3.2按检测过程划分 5

2.3.3按内容划分 5

2.3.4按水印嵌入的位置划分 6

2.4 数字水印的典型算法 6

2.4.1时空域算法 6

2.4.2变换域算法 7

2.5 数字图像水印的典型攻击 7

2.5.1去除攻击 7

2.5.2表达攻击 7

2.5.3解释攻击 7

2.5.4合法攻击 8

2.6 数字水印算法的性能评价 8

2.7 数字水印技术的应用 8

3 基于混沌置乱的DCT域数字图像水印算法 9

3.1 离散余弦变换(DCT) 9

3.2 混沌的基本定义及初步应用 9

3.3 混沌置乱在数字水印中的具体应用 10

3.4 水印与载体图像的选取 11

3.5 水印预处理 11

3.6 水印的嵌入 12

3.7 传输前置乱加密 12

3.8 水印提取 13

4 实验结果与分析 14

4.1 椒盐噪声攻击测试 16

4.2 剪切攻击测试 18

4.3压缩攻击测试 19

4.4 其他类型攻击测试 20

4.4.1高斯噪声攻击测试 21

4.4.2滤波攻击测试 21

4.4.3缩放攻击测试 22

4.4.4旋转攻击测试 23

4.4.5直方图均衡化 24

5 总结和展望 24

参考文献 25

致谢 27

附录 28

基于混沌置乱的DCT域数字图像水印算法的研究

潘波

, China

Abstract：Based on the simple analysis and overview of the theory of digital image watermarking, a digital image watermarking algorithm based on chaotic scrambling in DCT domain is proposed. The algorithm uses the Arnold transform to preprocess the watermark, and the watermark embedding process uses the classical 8*8 block DCT transform. In addition, the digital image watermarking algorithm is considered to be transmitted in the practical application. Before the digital image transmission, the image of the embedded watermark is encrypted with the Logistic chaotic sequence. In the overall scheme, multiple keys are used to ensure the security of the scheme. Finally, the experiment simulation is carried out through programming in MATLAB, and various attack tests are carried out to the digital image embedded in the watermark, and the performance evaluation is carried out to verify the feasibility of the algorithm. The results show that the watermarking algorithm has good performance in resisting noise, filtering, shearing and scaling attacks on the basis of ensuring the security of the watermarking algorithm.

Key words：digital watermarking; discrete cosine transform (DCT); Arnold transform; Logistic chaotic sequence

1 引言

1.1 研究意义

随着时代的快速发展，数字化使得信息传输更加便捷，但同时也带来了一些隐患。由于数字信息可以轻易被拷贝，不法分子只需轻轻点击鼠标，便可以大量窃取他人的知识成果，这样带来的不仅仅是不可估量的经济损失，更对知识产权领域带来了严峻的挑战。另一方面，对于一些含有特殊意义的数字信息，如运用于法院证据的一些图片，很容易遭到恶意篡改和伪造。

由于传统的加密技术对数据的保护有限，已不足以解决数字信息在知识产权鉴定方面的问题，在这种情况下，数字水印技术成为了解决相关问题的得力方法。

数字水印技术^[1-3]就是在不损坏初始数据的情况下，将不可见的水印嵌入到数字产品中，同时不会影响数字产品的正常使用。

数字水印是一门新兴的学科，无论是理论还是实践，还处于起步阶段，这也就意味着还有很大的发展前景。开展数字水印技术的研究，不仅对学术界意义非凡，而且还能带来经济收益。

1.2 研究现状

数字水印技术脱胎于信息隐藏学，是对信息隐藏技术的有效补充。它萌芽于1994年的图像处理国际会议（ICIP），题为《A Digital Watermark》的文章勾勒出数字水印的基本框架和应用版图。之后，数字水印技术的出现，吸引了人们的目光，无数研究人员开始投入到这一领域，数字水印技术展现出无限的发展潜力。而目前数字水印的研究内容主要有以下四种:数字水印基础理论研究；数字水印的标准化研究；数字水印的应用研究；数字水印新算法研究。

我国的数字水印技术也在积极发展，尽管和国外的水平还有差距，但国家对此方向研究十分重视，很多国家相关基金也给以了大力支持，比如“973（国家重点基础研究发展规划）”、“863（国家高技术研究发展计划）”和国家自然科学基金等，积极鼓励研究机构和个人进行理论和应用上的创新。此外，国内的很多学者在数字水印领域做出了许多开拓性的工作，比如北京邮电大学的杨义先、钮心忻教授等，哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明教授等以及中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人，他们都是国内最早一批投身相关研究的科研人员。

全国信息隐藏学术研讨会一直是国内数字水印的研究活动中最具代表性的一项会议。时至今日，该会议已经成功举办了十四届，全国各地的研究人员在会议上互相交流学习，从而推动了数字水印研究的不断进步。而最新一届全国信息隐藏学术大会（CIHW2018）也于今年在华南理工大学大学成功召开。在高校方面，清华大学、哈尔滨工业大学以及一些军队院校已经将数字水印投入应用，应用领域包括侦查、通信、反跟踪等，其研究水平已不弱于国际水平。

目前对于水印技术的研究，主要分为两个方向：（1）水印信息的生成；（2）水印的嵌入和提取算法。随着数字水印研究的深入，对于水印的鲁棒性要求越来越高，一般的数字水印已不能满足实际的要求，混沌数字水印在这个时候，进入了研究者的视线中。混沌数字水印的优点是保密性好且防攻击性强，而且本身是无意义的水印，要有专门的检测器才能检测出水印信息。

数字水印技术作为一个新兴的领域，其相关理论和应用正在不断更新，但是数字水印技术的相关理论有待补充，现有的技术也有很多不足之处要进行改进。相信在研究人员的不懈努力下，数字水印技术会得到进一步的完善。

1.3 本文研究内容和安排

本文研究了基于混沌置乱的DCT域数字图像水印算法。本文先是简述了数字水印的相关原理，重点介绍了DCT（离散余弦变换）和混沌置乱的相关理论。在此基础上，建立了基于混沌置乱的DCT域数字图像水印算法，并考虑到该算法的应用背景，即嵌水印的图片要经过网络传输，本文算法对传输前的数字图像又进行了一次混沌置乱加密。本文算法的仿真实验基于MATLAB工具进行，并对该算法进行了各种常见的攻击测试来进行性能评价。

本文的安排共分为五章。具体结构如下：

第一章 引言。对数字水印发展过程和研究现状做了简单的介绍，描述了本文的研究内容和安排。

第二章 数字水印的典型算法及性能评价。第二章主要就是简单介绍数字水印的相关内容，包括数字水印的基本特点和数字水印的分类，同时总结了数字水印的典型算法和评价数字水印方案的典型攻击和性能评价指标。

第三章 基于混沌置乱的DCT域数字水印算法。本章节主要介绍了DCT（离散余弦变换）和混沌的相关理论，重点提及了本文所使用的Arnold变换和Logistic混沌序列置乱加密。在此基础上，提出了一种基于混沌置乱的DCT域数字图像水印算法，并对该算法的整体过程进行了介绍。

第四章 实验结果与分析。对水印方案进行了一系列常见的攻击测试，得到一系列的对比图和相关对比数据，对本文算法进行性能评价。

第五章 总结和展望。对本文的算法进行总结，并指出其不足之处，对可优化的地方进行了展望。

2 数字水印的典型算法及性能评价

2.1 数字水印的基本原理

数字水印技术的主要思想就是将特定的水印信息直接嵌入目标载体中，但并不会破坏原载体的使用价值。同时这些水印信息人类肉眼无法感知到，只能通过专用的检测器才能提取。一般来说，将水印信号嵌入到载体数据，可视为在强背景下叠加一个弱信号。通常，一个完整的数字水印方案包括三个步骤：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测。

生成的数字水印可以是随机序列，也可以是图片等数据。

水印的嵌入是指将水印信息嵌入到目标载体数据中的过程。其基本流程是是指将初始水印信息W通过水印嵌入算法F嵌入到原始载体数据I中，得到含水印图像J，通常为了保证水印信息的安全性，会在嵌入算法中加入密钥K。则水印嵌入公式描述为：

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