信息隐藏与数字水印实验教程教学系统

资 源 简 介

本系统是配套《信息隐藏实验教程》的完整MATLAB源代码实现方案，旨在为信息安全、电子信息及相关专业的教学与科研提供实践参考。系统深入实现了多种主流的信息隐藏与数字水印技术，核心功能包括基于空域的LSB（最低有效位）置换算法及其改进版，能够将秘密文本或图像数据嵌入到载体图像的像素中。在变换域技术方面，项目涵盖了基于离散余弦变换（DCT）的盲提取和非盲提取算法，以及利用离散小波变换（DWT）实现的具备高度鲁棒性的水印方案。为了增强安全性，系统集成了水印预处理模块，支持Arnold置乱等加密操作。此外，项目内

详 情 说 明

信息隐藏实验教程源代码系统

本系统是配套《信息隐藏实验教程》的完整MATLAB源代码实现方案，旨在为信息安全、电子信息及相关专业的教学与科研提供一个直观、透明的算法实践平台。系统集成了从数据预处理、水印嵌入与提取，到鲁棒性攻击测试及性能评估的全流程功能，涵盖了空域与变换域的主流技术手段。

功能特性

1. 多算法集成：系统在一个统一框架下实现了LSB、DCT和DWT三种经典的信息隐藏算法，支持对比分析不同域下算法的优劣。
2. 水印预处理机制：内置Arnold置乱加密功能，通过置乱水印图像的像素位置，增强秘密信息的抗剪切能力防御及安全性。
3. 变换域深度应用：DCT算法采用中频系数关系控制嵌入，DWT算法基于Haar小波变换的LL分量进行加性嵌入。
4. 自动化攻击模拟：提供包括加噪、滤波、剪切、压缩在内的多种模拟攻击环境，用于测试算法的稳健性。
5. 多维性能评价：系统自动计算PSNR（峰值信噪比）衡量含密图像的不可感知性，计算NC（归一化相关系数）衡量提取水印的准确性。
6. 可视化结果呈现：通过多维子图展示原始图像、含密图像、攻击后图像及提取的水印，直观反映实验结果。

系统实现逻辑

1. 实验数据初始化

系统自动构造实验环境：

• 载体图像：生成512x512的合成灰度图像，利用正弦函数与随机噪声模拟复杂背景。
• 水印图像：生成64x64的二值图像，包含特定的几何图案作为秘密信息。

2. 水印预处理

在嵌入前对水印进行Arnold置乱。该过程通过迭代坐标变换（加密密钥为迭代次数）将有意义的图像变为混乱的噪声状图像。在提取环节，使用逆变换恢复原始水印。

3. LSB（最低有效位）置换

• 嵌入逻辑：将二值化的水印像素直接替换到载体图像像素的第1个比特位（LSB）。
• 特点：对载体图像视觉质量影响极小，计算开销最低。

4. DCT（离散余弦变换）域算法

• 嵌入逻辑：对载体进行8x8分块DCT变换。通过调整每一块中两个特定中频系数（(4,3)与(3,4)位置）的大小关系来记录水印位。
• 提取逻辑：通过比较对应位置系数的大小直接判定水印比特位。

5. DWT（离散小波变换）域算法

• 嵌入逻辑：利用Haar小波对图像进行一级分解。将水印信息以一定的嵌入强度（alpha）叠加到低频近似分量（LL分量）中。
• 提取逻辑：采用盲提取简化方案，通过对LL分量中嵌入强度的分量进行估计和硬阈值判定来重构水印。

6. 鲁棒性模拟攻击

系统针对DWT算法生成的含密图像进行以下五类攻击测试：

• 高斯噪声：模拟信号传输中的随机电子噪声。
• 椒盐噪声：模拟图像传感器或受损信道产生的突发脉冲干扰。
• 中值滤波：模拟常见的图像平滑处理手段。
• 图像剪切：将图像左上角区域强制清零，测试算法对数据丢失的抵抗能力。
• JPEG压缩模拟：通过DCT系数的舍入运算模拟有损压缩导致的信息丢失。

关键性能指标说明

• PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio)：单位为dB。值越高表示含密图像与原图差异越小，透明性越好。
• NC (Normalized Correlation)：取值范围[0, 1]。值越接近1表示提取出的水印与原始水印越相似，算法的稳健性越强。

使用方法

1. 环境准备：启动MATLAB（建议版本R2016b及以上），确保已安装Image Processing Toolbox。
2. 运行主程序：在MATLAB命令行窗口输入该主函数名称并回车。
3. 交互观察：

- 程序将依次输出LSB、DCT、DWT算法的执行日志。 - 自动弹出“原始数据”窗口，展示实验背景。 - 自动弹出“不同算法嵌入效果对比”窗口，呈现三种算法在相同载体下的视觉偏差及提取效果。 - 自动弹出“DWT鲁棒性测试展示”窗口，展示攻击后的图像质量及对应提取出的水印。

1. 报表分析：在MATLAB终端查看“算法性能分析报告”，获取详细的PSNR与NC量化指标。

系统要求

• 软件支持：MATLAB R2014a 或更高版本。
• 硬件要求：标准PC环境，无需特殊计算卡加速。
• 依赖项：需要图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）支持二值化、噪声添加、滤波及小波变换等函数。