W-SVD数字水印实验 李鑫 20103277

【实验目的】：
了解图像小波变换。

掌握W-SVD 数字水印生成，嵌入，检测的方法。

了解数字水印基本模型。

学会用stirmark 攻击W-SVD 的方法。

【实验内容】：（请将你实验完成的项目涂“■”）
□Windows+Matlab□其它：（请注明）
【实验分析】：
1、请尽量使用曲线图、表等反映你的实验数据及性能
2、对照实验数据从理论上解释原因
3、如无明显必要，请．不要
．．．．实验效果图
．．大量粘贴
4、说明你在以下栏目中分析所使用的方法，给出实验数据，最后总结结论
【实验效果】：
说明：本实验使用”db6”小波函数进行实验，可以适应不同大小的RGB图或灰度图以下是水印效果图：
图1 载体为256*256的RGB图
图2 载体为512*512的灰度图
1、水印强度参数α对水印鲁棒性的影响：
（如果完成了本部分实验请写明你的方法、实验数据及结论）
方法是将α分别取0.01,0.05,0.1,0.5得到四张不同的嵌入水印图象（保持其他参数不变），再对这些图象做jpeg压缩，计算出相应的相关值，用matlab编程实现，得到下面四幅曲线图。

由上图可以看出，水印强度参数α越大，水印鲁棒性越好。

实验时d/n=0.99，所以检测的阈值取0.1，随着α的增大，误检率降低。

2、水印强度参数α对水印不可见性的影响：
（如果完成了本部分实验请写明你的方法、实验数据及结论）
(1)方法：
Watson的感知质量度量方法可以用来评估水印强度对水印不可见性的影响，只需将用此度量方法计算所得的结果进行比较。

本实验在256*256的彩色图中按照不同的alpha值嵌入相同的水印，其中d/n=0.5，密钥为429，小波尺度为2，所得效果图及计算所得Watson质量如下：
（2）结论：
除了(a)为原始图外，其余五幅图分别按顺序嵌入的水印强度alpha为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9。

直观的看，随着alpha的值的增大，图像的不可见性越来越差，相应的Waston质量的值也越来越大。

因为Waston质量的求解，是建立在原图像和含水印图像的差值的基础上的，不可见性越差，差值就越大，相应Waston质量就越大。

所以我们可以利用对含水印图像求Waston 质量，来评估水印的不可见性；
对于参数alpha，由于其值越大，通过它相乘得到的随机对角矩阵Σ就越大，因而得到的水印模板的数据量就越大，所以对原始图像低频系数的改变得就越多；而低频部分是图像能力最集中的地方，若低频系数改变大，则逆变换后图像改变程度就越大。

这就是alpha值越大，水印不可见性越差的原因。

3、水印容量参数d/n对水印鲁棒性的影响：
（如果完成了本部分实验请写明你的方法、实验数据及结论）
（1）方法：这里取d/n=0.9，再分别取alpha为0.1, 0.3, 0.5, 0.7四个值进行实验，对图像进行不同程度和不同种类的攻击之后，通过常规检测方法（余弦定理）和经DCT变换后的检测方法得到的相关系数曲线（图中a表示alpha值）：
图1 d/n=5时水印性能曲线
图2 d/n=0.5 密钥为429
图3 d/n=0.1 密钥为429 （2）结论：
d/n表示随机序列的替换率，d/n越大则替换率越大。

图2和图3分别为d/n=0.5和d/n=0.1的SC图，通过他们之间的比较可以发现，如果替换率越小，检测就越难实现，因为0.5时的阈值可以定在0.1左右，而0.1时阈值则需定在0.6以上，这大大增加了检测的难度，容易发生漏警现象。

因此对于d/n值，越大则水印检测的效果越好，对检测越有利；
不同的d/n值相应的JPEG压缩相关系数曲线进行比较，可以发现几条曲线大部分重合，即对于同样JPEG压缩强度的相关系数都差不多，所在此报告中只列出了一条曲线，d/n=0.5的情况下的。

d/n的增大单纯对于相关系数走势而言，变化不大；
但是在对受到攻击的图像进行水印检测时，是必须考虑阈值的，这就需考虑CS图中峰值数据与一般数据的差。

由于d/n的值越小则所需定的阈值越大（由图2和图3的对比可知），而阈值越大，检测的难度越大，所以d/n值间接的影响了检测难度，即影响水印的鲁棒性，因为对本算法而言鲁棒性表示在一定水印攻击下仍能检测出水印的能力。

综上所述，d/n值越小，需定的阈值越大，阈值越大则检测难度越大，所以取较大的d/n值，水印的鲁棒性较好。

4、水印容量参数d/n对水印不可见性的影响
（如果完成了本部分实验请写明你的方法、实验数据及结论）
(1)方法：
Watson的感知质量度量方法可以用来评估水印强度对水印不可见性的影响，只需将用此度量方法计算所得的结果进行比较。

本实验在256*256的彩色图中按照不同的d/n值嵌入相同的水印，其中alpha=0.3，密钥为429，小波尺度为2，所得效果图及计算所得Watson质量如下：
（2）结论：
除了(a)为原始图外，其余五幅图分别按顺序嵌入的d/n值为0.1,0.3,0.5,0.7,0.99。

从这六幅图可以看出，d/n值的增大并没有递减式地降低图像的不可见性，这几幅图均有瑕疵但程
度都差不多，有计算所得Waston质量也可看出，这五幅图在不可见性上的确差不多，Waston 质量值在40左右徘徊，幅度不超过4；
由于d/n值决定的是水印形态与原始图像的相似程度，对嵌入量的影响并不大，所以对水印的不可见性影响也不大。

5、水印其它参数（小波尺度、小波基等）对水印性能的影响
（如果完成了本部分实验请写明你的方法、实验数据及结论）
（1）方法：除小波基和尺度之外，令其他参数相同，比较不同小波基下含水印图像的效果，进而分析其对水印性能的影响。

现取alpha=0.5，d/n=0.5，key=429，level=1，在不同小波基下嵌入水印后的效果图如图1；再取alpha=0.3，d/n=0.8，key=429，小波基db6，在不同尺度下嵌入的水印形态图如图2；图3为图1相应的分析曲线；图4为图2的相应分析曲线。

（2）结论：
由图1可以明显看出，虽然其他参数都相同，在不同小波基下生成的含水印图像差异很大，且从db4到db1的效果越来越不好，db6是嵌入水印后不可见性最好的；由图2可见，当分解尺度越大时，水印形态与原始图像越相近，因为水印模板的信息越来越少了，但含水印图
像不可见性越差；
由图3可知，采用db6小波基的水印性能最好，抗攻击能力最强，其他的小波基，在任何强度的JPEG压缩下其相关性值都在0.1到-0.1之间徘徊，鲁棒性很差，这与不同小波基的性质有关，采用db6进行水印的嵌入比较合适；
由图4可知，从尺度1到尺度3，小波分解的尺度越大，水印的性能越好，抗攻击能力越强，这是因为水印嵌入到图像的高能量部分(低频)，逆变换后对图像影响最大，所以不易受到攻击，鲁棒性越强。

但是当尺度增加到4和5时，水印性能下降了，无论压缩率是多少相关值都徘徊在0.2至0.3左右。

所以综合考虑，小波分解尺度选择2或3较为合适。

【实验结论】：
1、请绘制W-SVD水印对应的理论模型图（参照《实验教程》P213-215面）。