基于MATLAB的Arnold置乱与小波变换数字图像水印算法设计与实现

摘要：随着数字媒体的快速发展，数字图像在网络环境中的传播日益频繁，图像版权保护与信息安全问题愈发突出。数字水印技术作为一种有效的版权保护手段，能够在不明显影响图像视觉质量的前提下，将水印信息嵌入到载体图像中。针对传统空间域水印算法鲁棒性不足的问题，本文提出了一种基于 Arnold 置乱和小波变换的数字图像水印算法，并在 MATLAB 平台上进行了实现。

作者：Bob(原创)

项目概述

随着数字信息技术的迅速发展，数字图像在网络环境中的传播与共享日益频繁，图像版权保护和信息安全问题逐渐凸显。数字水印技术作为一种有效的版权保护手段，能够在不显著降低图像视觉质量的前提下，将特定标识信息嵌入到载体图像中，从而实现版权认证与内容保护。针对传统空间域数字水印算法鲁棒性较差、易受攻击的问题，本文提出了一种基于 Arnold 置乱和小波变换的数字图像水印算法，并在 MATLAB 平台上完成了算法实现与实验验证。

该算法首先对水印图像进行 Arnold 置乱加密，以增强水印信息的安全性；随后对载体图像进行二级小波变换，在低频子带中选取随机系数对加密水印进行嵌入，从而在保证水印不可感知性的同时提高其鲁棒性。水印提取过程中，对可能遭受攻击后的图像进行相同的小波分解，并依据嵌入规则提取水印信息，最后通过 Arnold 反置乱实现水印的有效恢复。实验结果表明，该算法在保持较高图像质量的同时，对椒盐噪声、滤波、几何变换以及 JPEG 压缩等常见攻击具有较好的鲁棒性和稳定性。

系统设计

采用 Arnold 置乱与小波变换相结合的方法，在保证水印不可感知性的前提下，实现对数字图像水印的安全嵌入、鲁棒提取与有效版权保护。

图1 系统整体流程图

硬件配置

该系统硬件配置如上，如果您的电脑配置低于下述规格，运行速度可能会与本系统的存在差异，请注意。

表1 惠普(HP)暗影精灵10台式整机配置(系统硬件配置)

软件环境

对本实验所需的各类软件及工具的基本信息进行了清晰汇总。

表2 系统软件配置(真实运行环境)

运行展示

运行PSO.m

图2 系统主界面与功能模块展示

该界面集成了图像读取、水印置乱、嵌入、攻击模拟、水印提取及性能评价等功能，实现了数字水印算法的可视化与交互式验证。

图3 无攻击情况下的水印嵌入与提取结果

在无攻击条件下，嵌入水印后的图像保持较高视觉质量，提取并还原的水印与原始水印基本一致，表明算法具有良好的不可感知性与正确性。

图4 噪声攻击下的水印提取结果

在椒盐噪声攻击作用下，虽然水印图像受到一定干扰，但仍可成功提取并识别主要水印信息，说明算法对噪声攻击具有一定鲁棒性。

图5 旋转攻击下的水印提取结果

经过旋转攻击后，水印提取结果仍保留主要结构特征，表明基于小波域嵌入的水印算法在几何攻击下具备一定的抗干扰能力。

图6 滤波攻击下的水印提取结果

在中值滤波攻击条件下，提取水印仍保持较高的可辨识度，说明水印嵌入于低频子带能够有效抵抗平滑类处理。

图7 剪切攻击下的水印提取结果

尽管剪切攻击破坏了图像的局部区域，提取水印仍可识别主要信息，表明该算法在一定程度上具有抗区域丢失能力。

图8 JPEG 压缩攻击下的水印提取结果

在 JPEG 压缩攻击条件下，水印仍能较完整地恢复，说明所提出的算法对常见有损压缩具有良好的鲁棒性。