《数字水印》实验教学大纲

一、课程的性质、目的和任务

数字水印是一门新兴的学科。数字水印技术，即将秘密信息隐藏在不易被人怀疑的普通文件中，使秘密信息不易被别有用心者发现，当然他们就不易对消息进行窃取、修改和破坏，从而保证了消息在网络上传输的安全性。数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支，水印的理论、嵌入提取算法、攻击等是目前学术界研究的重点问题。

《数字水印》课程实践性较强，通过实践可以使学生加深对理论知识的理解，掌握并实现常用的信息隐藏方法及攻击方法，提高分析问题、解决问题的实际能力，为进一步深入学习和研究该领域的知识打下基础。由于课时、实验室条件等限制，不可能做大量实验。结合授课内容和实际情况，针对水印的嵌入、提取和攻击，设计了12学时的实验。其它实践内容，以课后作业方式引导学生实践。

二、实验教学基本要求

《信息隐藏技术》实验使用信息安全实验室计算机及网络环境，可以选用实验室已安装的Visaul C++或Matlab调试环境。。

上机实验要求：

1、准备好上机所需的程序；

2、上机输入和调试自己所编写的程序；

3、上机结束后，应整理出实验报告，实验报告应包括以下内容：实验项目名称；算法分析；程序清单；运行结果；对运行情况所作的分析以及本次调试程序所取得的经验，如果程序未能通过，应分析其原因。

三、实验项目与类型

序号	实验项目	学时	实验性质				备注
			验证	综合	设计	研究 探索	必做	选做
1	Matlab图像工具箱的使用	3	√				√
2	经典水印算法的实现	3	√				√
3	数字图像水印方案的设计	6			√		√

四、实验教学内容

实验一：Matlab图像工具箱的使用

1、 实验目的

该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生了解Matlab语言，熟悉并掌握Matlab中有关图像处理的常用语句，熟悉Matlab使用技巧，能够用Matlab语言熟练地对数字图像进行各种处理。。

2、方法原理

利用matlab7.0及以上版本提供的工具对图像进项操作。

常用的Matlab图像处理命令

①imread

功能：从图形文件中读取图像

语法：A=imread(filename,fmt)

②imwrite

功能：把图像写入图形文件中

语法：imwrite(A,filename,fmt)

③imshow

功能：显示图像

语法：imshow(A)

④im2uint8

功能：转换图像矩阵为8位无符号整型

语法：B=im2uint8(A)

⑤im2double

功能：转换图像矩阵为取值范围在[0 1]的双精度型

语法：B=im2double(A)

⑥plot(x,y)

功能：绘制二维图形的函数,若X，Y是向量，必须具有相同的维数，且必须同是行向量或同是列向量，则以第一个变量为横坐标，以第二个变量为纵坐标。

语法：plot(x,y)

3、主要实验仪器及材料

计算机、VC++6.0,matlab

4、实验内容

(1)用Matlab编写程序，读出标准图像lena.bmp，并在窗口显示。

(2)读出该图像中第125行中第125～174列的元素值，将其存储在文件中。

(3)绘制lena图像的直方图。

(4)读取lena图像的数据，所有像素的最低位清0，在窗口显示修改后的图像。

实验二：经典数字水印算法的实现

1、实验目的

该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的基本原理，理解数字水印系统的构成，掌握经典水印算法，提高运用知识的能力和动手能力，学会在数字图像中嵌入和提取自定义的水印信息，并对水印的不可见性、鲁棒性进行分析。

2、方法原理

利用COX算法的原理，掌握Matlab编程语言和调试环境。

3、主要实验仪器及材料

计算机、VC++6.0，matlab7.0及以上版本

4、实验内容

该实验内容是通过Matlab编程实现经典水印算法，并对算法性能进行简单的分析。具体步骤如下：

(1)使用Matlab语言编程实现LSB或NEC算法。其中水印嵌入函数命名为Embed.m，水印提取函数命名为Detect.m。

(2)任意选择原始图像、水印信息，给定水印嵌入强度，调用水印嵌入函数Embed.m得到嵌入水印图像。

(3)根据嵌入水印图像，调用水印提取函数Detect.m，得到提取水印。

(4)计算原始水印和提取水印之间的相似度，判断水印是否正确提取。

(5)观察原始图像和嵌入水印图像，根据ITU-R Rec.500协议的图像质量等级级别，主观评价水印的不可见性。

(6)调用峰值信噪比函数PSNR，通过计算原始图像和嵌入水印图像之间的PSNR值，客观评价水印的不可见性。

(7)对于同一幅原始图像，固定水印嵌入强度，改变水印容量，重复步骤2～6，分析水印容量和水印不可性的关系（LSB、NEC）。

(8)对于同一幅原始图像，固定水印容量，改变水印嵌入强度，重复步骤2～6，分析水印嵌入强度和水印不可性的关系（NEC）。

(9)水印容量和水印嵌入强度固定，选择不同类型或不同大小的原始图像，重复步骤2～6，分析载体图像的类型及大小和水印不可见性的关系（LSB、NEC）。

(10)采用各种攻击方法对嵌入水印图像进行攻击，分析该算法的鲁棒性（LSB、NEC）。

实验三：数字图像水印方案的设计

1、实验目的

该实验为设计性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的原理和框架，掌握数字水印的攻击方法和水印性能的评价方法，学会综合运用所学知识，改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印方案，提高分析问题、解决问题的能力。

2、方法原理

综合运用所学知识，设计一个数字图像水印方案，且编程实现，并对其性能进行分析。

3、主要实验仪器及材料

计算机、VC++6.0、matlab7.0及以上

4、实验内容

（1）实验前要做好充分准备，阅读相关文献，综合运用所学的数字水印知识，从提高水印的不可见性、鲁棒性、容量等方面改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印的嵌入提取算法。

（2）用Visual C++或Matlab编程实现。

（3）对水印算法的性能进行分析，改进设计方案。

（4）注意记录实验过程中的数据、出现的问题及解决问题的方法。

五、考核方法

1．教师对学生实验过程完成情况进行详细登记，记入实验成绩中。

2．学生完成实验后按要求撰写实验报告，根据实验报告确定每次实验的等级。

3．实验成绩按20%比例计入课程期评总成绩中。

六、实验指导书及主要参考书目

[1] 刘瑞祯,谭铁牛.数字图像水印研究综述.通信学报,2000,21(8):39~48

[2] 杨义先,钮心忻.多媒体信息伪装综论.通信学报,2002, 23(5):32~38

[3] R. G. Van Schyndel, A. Z. Tirkel. A digital watermark . IEEE International Conference on Image Processing, 1994,2:86~90

[4] I. J. Cox, J. Kilian, F. T. Lerghton. Secure spread spectrum watermarking for multimedia . IEEE Transactions on Image Processing, 1997,6(12):1673~1687

[5] 王志雄,王慧琴,李人厚.数字水印应用中的攻击和对策综述.通信学报.2002,23(11):74~79

[6] 王道顺,梁敬弘,戴一奇.图像水印系统有效性的评价框架.计算机学报.2003,26(7):779~788

[7] F. A. P. Petitcolas. Watermarking schemes evaluation. IEEE Transactions on Signal Processing, 2000,17(5):58~64

[8] S. Pereira,S. Voloshynovkiy, Second Generation benchmarking and application oriented evaluation. LNCS 2137,Berlin:Spinger Verlag,2001:340～353

主 撰 人： 易叶青

审 核 人：袁辉勇

2012.6