基于MATLAB的数字水印嵌入与检测系统

资 源 简 介

该项目旨在利用MATLAB平台实现对数字图像的水印嵌入与提取检测功能。系统支持将特定文本信息或二值图像作为盲水印嵌入到彩色或灰度载体图像中。核心实现基于离散小波变换（DWT）和离散余弦变换（DCT）等频域算法，通过对图像频域系数的量化处理或修改来实现信息的隐蔽嵌入。该系统不仅确保了水印在常规视觉察觉下的不可感知性，即嵌入水印后原始载体图像的视觉质量无明显下降，同时具备较强的鲁棒性，能够有效抵抗常见的图像处理攻击，如JPEG压缩、高斯噪声干扰、中值滤波、图像裁剪及缩放旋转等。在检测阶段，系统能够通过预设的解

详 情 说 明

基于MATLAB的数字水印嵌入与检测系统

项目介绍

本项目实现了一个基于MATLAB平台的数字图像水印嵌入与提取系统。该系统采用了集成离散小波变换（DWT）、离散余弦变换（DCT）和奇异值分解（SVD）的复合频率域算法。通过对载体图像频域系数的精细修改，实现了将加密后的二值水印信息隐藏于图像中。该系统主要用于研究数字媒体版权保护、内容完整性认证以及评估算法在各种攻击环境下的鲁棒性。

功能特性

1. 多重频率域变换：结合了DWT的空间分频、DCT的能量集中以及SVD的稳定性特征，提高了水印的隐蔽性和抵抗几何攻击的能力。
2. 安全性加密：内置Arnold置换算法，通过对原始水印进行坐标置乱，确保了水印信息的安全性，即使被非法提取也难以直接识别。
3. 鲁棒性测试：系统集成了多种模拟攻击模块，包括高斯噪声、JPEG压缩（质量因子为50）、中值滤波以及图像裁剪攻击。
4. 性能定量评估：自动计算峰值信噪比（PSNR）以衡量含水印图像的视觉质量，同时计算归一化相关系数（NC）以定量分析提取水印的准确度。
5. 动态水印生成：支持手动构造特定形状的二值矩阵作为水印信号。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 工具箱需求：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。
3. 硬件要求：标准桌面或笔记本电脑，建议至少 4GB 内存。

实现逻辑与流程

1. 预处理阶段 系统首先读取或生成 256x256 分辨率的灰度载体图像。水印信息为一个 32x32 的二值矩阵，通过预定义的字符形状（如代码中模拟的“H”字符）生成。为了增加安全性，水印在嵌入前会经过 5 次 Arnold 置乱迭代。

2. 水印嵌入过程

• 空间分解：利用 Haar 小波对原图进行一级分解，提取 LL 子带（低频部分）。
• 分块变换：将 LL 子带划分为 4x4 的不重叠小块。
• 频域映射：对每个块执行 DCT 变换，随后对 DCT 系数矩阵进行奇异值分解（SVD）。
• 系数修改：将置乱后的水印位信息嵌入到最大奇异值 $S(1,1)$ 中，嵌入强度由因子 $alpha$（默认 0.05）控制。
• 逆变换重构：依次执行逆 SVD、逆 DCT 和逆 DWT，最终合成含水印的图像。

3. 攻击模拟 系统对含水印图像施加五种不同的环境模拟：

• 无攻击：作为对照基准。
• 高斯噪声：添加均值为 0，方差为 0.01 的噪声。
• JPEG压缩：模拟图像经网络传输后的有损压缩处理。
• 中值滤波：使用 3x3 模板进行平滑处理。
• 图像裁剪：将图像左上角 64x64 区域置零，模拟局部遮盖攻击。

4. 提取与验证过程 提取过程是嵌入的逆过程。系统对受攻击后的图像进行 DWT 分解，针对 LL 子带的 4x4 分块进行 DCT-SVD 变换。通过对比受攻击图像与原始载体图像在频域上的奇异值差异，判定水印位是 0 还是 1。提取出的码流经过逆 Arnold 变换恢复原始水印形状。

关键函数与算法分析

Arnold 变换算法 系统通过自定义函数实现了二值图像的空域坐标置乱。利用线性同余映射对像素坐标 $(x, y)$ 进行重新排列，打破了原始水印的统计规律和视觉特征，增强了抗攻击后的鲁棒性。

DWT-DCT-SVD 混合架构

• DWT：负责将图像能量集中在低频区域，确保水印嵌入在图像的主干部分。
• DCT：进一步增强能量压缩，提升抵御压缩攻击的能力。
• SVD：利用奇异值的稳定性，即当图像遭受微小扰动时奇异值变化较小的特性，确保水印提取的准确性。

评估指标说明

• PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio)：单位为 dB。PSNR 值越高，表示含水印图像与原图差异越小，透明性越好。
• NC (Normalized Correlation)：取值范围 [0, 1]。NC 值越接近 1，表示提取出的水印与原始水印越一致，证明算法在该种攻击下越稳定。

使用方法

1. 将所有相关代码保存在 MATLAB 当前工作目录下。
2. 直接在命令行窗口输入 main 并回车，或在编辑器中点击“运行”按钮。
3. 系统将自动执行嵌入、攻击测试及提取全过程。
4. 运行完成后，系统会弹出可视化界面展示各阶段图像，并在命令行窗口输出详细的 PSNR 和 NC 评估报告。