基于DWT的小波图像水印嵌入与提取系统

资 源 简 介

本系统基于MATLAB平台开发，利用二维离散小波变换（DWT）技术实现数字图像水印的隐秘嵌入与鲁棒提取。系统首先将原始载体图像进行多级小波分解，利用小波系数的特性选择合适的频率子带（如低频或中高频子带）来嵌入经过预处理的水印信息，确保水印在不可见性与稳健性之间达到最佳平衡。在水印嵌入阶段，系统通过修改小波系数的量化值或加权系数将水印信号融入载体中，并生成含水印图像。为了验证该水印方案的鲁棒性，系统集成了四种典型的图像攻击测试模块，涵盖了加性噪声（如高斯、椒盐噪声）、图像滤波（如中值滤波）、几何失真或有损压

详 情 说 明

基于DWT离散小波变换的数字图像水印系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB环境开发的实验性数字图像水印处理平台。通过应用二维离散小波变换（DWT）技术，系统能够将特定的二值化标识信息（水印）隐蔽地嵌入到载体图像的深层频率分量中。该方案不仅关注水印的不可见性，还通过集成多种攻击模拟环境，定量分析了水印在面对噪声干扰、滤波处理及几何破坏时的稳健性，为数字版权保护和多媒体信息安全提供了典型的技术实现参考。

功能特性

• 多级小波分解应用：采用二维二层离散小波变换，深入图像频域进行特征提取与修改。
• 鲁棒性嵌入策略：在第二层低频近似分量（LL2）中实施基于强度因子的权值相加算法，平衡图像质量与水印的稳健性。
• 综合攻击模拟方案：系统内置了四类具有代表性的图像处理攻击，包括加性高斯噪声、脉冲盐椒噪声、非线性中值滤波以及局部区域裁剪。
• 闭环提取与校验：支持从遭受破坏的图像中逆向恢复水印，并提供标准化的定量评价指标。
• 全过程可视化监测：自动生成包含原始图、含印图、攻击后图及各阶段提取结果对比的多画面视图，直观展示算法性能。

系统逻辑与实现流程

系统的运行逻辑遵循标准的载体分析、水印嵌入、攻击模拟、提取恢复及数据评价流程：

1. 载体与水印初始化：系统预设512x512像素的载体空间（优先读取特定图像文件，若缺失则生成合成正弦纹理图），并动态生成一个64x64像素的二值化字符“W”作为水印模式。
2. 二级小波分解：利用Haar小波基函数对原始载体图像进行两次连续的二维离散小波变换，依次获得从第一层到第二层的低频近似子带及水平、垂直、对角高频子带。
3. 线性加权嵌入：选取第二层低频系数（LL2），根据预设的嵌入强度因子，将缩放后的水印信息叠加到该系数矩阵中。随后，通过两级逆变换（IDWT2）重构出包含水印的图像信号。
4. 攻击干扰模拟：对生成的含水印图像执行四种实验测试：增加0.01方差的高斯噪声、2%密度的椒盐噪声、3x3像素掩模的中值滤波处理，以及左上角100x100像素范围的区域置零裁剪。
5. 差值提取还原：系统对受损图像再次执行二级小波分解。基于半盲提取逻辑，计算受损图像LL2分量与原始参考分量之间的差异，并结合嵌入强度因子逆推水印信号。
6. 结果后处理：对提取出的连续数值信号进行重采样至原始水印尺寸，并通过0.5阈值判定进行二值化重构。

关键算法与技术指标分析

• 离散小波变换 (DWT)：系统核心算法。通过小波变换将图像能量集中在低频系数中。在LL2子带嵌入水印可使信息隐藏在图像的骨架中，从而有效抵御低通滤波和有损压缩。
• 嵌入强度控制：通过Alpha因子统一调节。代码中Alpha设置为0.1，并结合LL2分量的最大值进行动态缩放，确保水印强度与载体内容自适应。
• 峰值信噪比 (PSNR)：用于定量衡量含水印图像相对于原始图像的失真度。系统通过计算均方误差（MSE）来得出该值，用以评估水印的不可见性（透明性）。
• 归一化相关系数 (NC)：作为评价水印鲁棒性的核心指标。通过计算原始水印序列与提取水印序列之间的向量积与模长之比，定量反馈水印在经历攻击后的恢复准确度。
• 阈值判定：在提取阶段使用二值化技术，将受扰动的浮点型水印信号重新映射为0和1，提高视觉辨识度。

使用方法

1. 环境配置：启动MATLAB，并确保已安装图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）。
2. 初始化环境：启动主程序逻辑，系统将自动清理先前的变量环境并重置图形窗口。
3. 执行仿真：

- 系统将自动加载或生成测试载体与水印。 - 自动完成小波分解、水印叠加与图像重构。 - 顺序触发四种攻击模块。 - 逆向提取水印并计算PSNR与NC数值。

1. 结果观测：

- 观察弹出的图形界面，第一行展示基础嵌入效果，下两行展示不同攻击条件下的图像受损状况及对应的水印恢复质量。 - 在控制台窗口查看各项定量的性能分析数据。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 依赖项：需要具备二维小波变换（dwt2/idwt2）、图像噪声模拟（imnoise）及滤波处理（medfilt2）等内置函数支持。
• 硬件环境：普通的计算设备即可，系统运行内存占用较低，处理时间为秒级。