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1、东 莞 理 工 学 院本 科 毕 业 设 计 毕业设计题目：一种视频加密方法中测试比较模块的设计学生姓名：李炳深 学 号：20041408130系 别：软件学院专业班级：计算机科学与技术(师范) 指导教师姓名及职称：李环讲师起止时间：2008年3月 2008年6月摘 要随着计算机的不断普及和网络技术的飞速发展，多媒体信息广泛流传。人们对信息安全的要求越来越高，而信息加密方法则是保护信息安全的一种重要手段。视频是人们生活中的一种重要信息资源。资源的共享给安全性带来了很多隐患，为了防止他人盗取信息或者伪造信息，保护知识产权，在信息传输的过程中，有必要对视频的安全性进行保障。本论文研究的方向就是要设
2、计开发一种视频加密系统。这个系统是基于Matlab7平台，利用数字水印技术原理开发的，它可以实现对avi视频进行加解密，还设置有多种攻击方法，并对于攻击后的视频的鲁棒性进行多方面的检测，进而提高水印算法的稳定性。系统设计完成对于avi视频安全性的保障具有一定的意义。关键词: 数字水印 信息安全 鲁棒性 Matlab7AbstractWith the popularity of computer network technology and the rapid development, a wide range of multimedia information are in the world
3、. The people has higher requirements on the safety of information, and information encryption is an important tool to protect information security. Video informations are major resources in peoples living. The resources sharing has brought a lot of hidden dangers. In order to prevent others to steal
4、 information or false information, and in order to protect of intellectual property rights, in the process of information transmission, it is necessary to protect the security of video.This paper is to develop a video encryption software. The software is based on Matlab7 platform. We use digital wat
5、ermarking technology as developing principles. The system can achieve the avi video encryption, but also set up a variety of attack methods. We can detect of the robustness of attacked video, and increase Watermarking algorithm stability. The systems design is significant for avi video security prot
6、ection.Keywords: Digital Watermark, Information Security, Robust, Matla7目 录1绪论111开发背景及意义112开发环境213论文组织22相关知识321 Matlab7322数字水印技术323 GUI工具524视频压缩525 StirMark测试53系统概要设计731可行性分析732系统需求733系统模块概述8331加解密模块:9332攻击模块:10333测试比较模块:1134系统流程134系统详细设计1541测试比较模块15411误码率（BER）15412均方差（MSE）17413信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）1
7、842图形比较2143系统界面设计245系统测试2651系统测试2652设计中遇到的问题及解决办法266总结2861系统运行环境2862系统运行结果2863系统改进2964个人总结29参考文献：31致 谢321绪论11开发背景及意义随着网络技术及社会信息化的飞速发展，信息在社会中的地位和作用越来越重要。信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们可以借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备，方便、迅速地将数字信息传输到所期望的地方。随之而来的副作用是这些数字形式的数据
8、文件或作品使有恶意的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。人们如今可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易，数字作品传播和拷贝变得越来越方便，同时使得数字作品的信息安全保护和版权保护也成为迫切需要解决的实际问题。以前解决数字产品安全的问题是通过密码学方法完成的，即首先将数字产品加密成密文然后发布，使得网络传输过程中的非法攻击者无法从密文中获得机密信息，从而达到信息安全的目的，但这并不能完
9、全解决问题，一方面加密后的文件因其不可理解性而大大妨碍了信息的传播，另一方面文件解密后内容完全透明，将不再受到保护，无法幸免于盗版和侵权。因而传统的密码学方法已经受到了十分严峻的挑战。近年来国际上提出了一种新型的版权保护技术数字水印（digital watermark）技术。利用人类的听觉、视觉系统的特点，在图像、音频、视频中加入一定的信息，使人们很难分辨出加水印后的数字作品与原始数字作品的区别，而通过专门的检验方法又能提取出所加信息，以此证明原创作者对数字媒体的版权。数字水印技术通过将数字、序列号、文字、图像标志等信息嵌入到媒体中，在潜入过程中对载体进行尽量小的修改，以达到最强的鲁棒性，当嵌
10、入水印后的媒体受到攻击后仍然可以恢复水印或者检测出水印的存在。水印与原数据（如图像、音频、视频数据）紧密结合并隐藏其中，成为不可分离的一部分。数字水印主要应用领域包括：数字产品版权保护、原始数据的真伪鉴别、数据侦测与跟踪等1。数字水印版权保护的基本手段是将版权、产品的标识码以及购买者的信息等（称为水印信号）嵌入到数字产品中。嵌入的水印信号应当不降低原数据的质量、且在感觉上不易察觉（即不可见水印，可见水印由于容易受到攻击，目前已不是研究的主流方向），能够经受一定的攻击而不被清除，需要时可以通过检测（提取）嵌入的水印信息来鉴别数字产品的版权、认证该数据的真伪或辨识该产品的原购买者、进行完整性鉴定等
11、等2。数字水印属于信息隐藏的一种，它是将具有确定性和保密性的信息（水印）嵌入到数字产品（静止图像、语音、文档、视频等）中，使之作为原始数据的一部分而保留在其中，从而实现隐藏传输、存储、标注、身份识别、版权保护等功能。可见，一方面，它可以被用来证明原创作者对其作品的所用权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据；另一方面，作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动态跟踪，从而保证其作品的完整性，因而数字水印已经成为了知识产权保护和数字产品防伪的有效手段。正因为如此，利用数字水印技术对avi视频添加水印实现加密的功能，从而保护了avi视频的产品所有权，和在传输过程中更加安全，更有效地实
12、现了信息隐藏的功能。12开发环境 本系统利用Matlab7编程语言开发，并采用Matlab7平台中的GUI实现界面的设计和连接。软硬件环境：操作系统：Microsoft Windows XP系统管理要求：Matlab7硬件要求： Pentium 3，512M RA13论文组织本论文主要围绕一种视频加密系统的设计与实现为中心展开，主要介绍了系统的各个功能的实现。具体的章节组织如下：一、绪论。主要介绍了本系统开发的背景及意义。二、相关知识。主要介绍了MATLAB7；数字水印技术；工具GUI和视频压缩等的概述。三、系统概要设计。本章主要讲述了可行性分析；系统需求；系统模块概述和系统流程。四、系统详细
13、说明。本章主要讲述了测试模块比较：误码率（BER）、均方差（MSE）、信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）；图形比较和系统界面设计。五、系统测试。本章主要讲述了系统的测试；设计中遇到的问题和解决办法。六、总结。主要讲述了系统运行环境和结果；系统改进和个人总结。2相关知识21 Matlab7MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrix LABoratory(短阵实验室)的缩写。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程
14、序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩陈对象时，不要求作明确的维数说明。与利用c语言或FoRTRAN语言作数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。Matlab7的界面并没有太大改变，命令（Command）窗口仍然是用户主界面，图形（Figure）窗口用来显示图形信息和创建图形用户接口（GUI），文本编辑器用来创建和编辑Matlab代码。Matlab桌面用来调整其他一些窗口的位置和可视性，如工作区（Workspace）窗口、编辑器（Editor）窗口、帮助（Help）窗
15、口、命令行历史记录（Command History）窗口等3。最初的MATLAB只是为了方便地解决工程计算中的问题，现在的MATLAB新版本的功能更加丰富，它由主包、Simulink以及功能各异的工具箱组成，以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。可实现工程计算、符号运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视化、科学和工程绘图等功能。使用MATLAB来实现数字水印算法主要是因为以下两点：（1）信息隐藏的载体基本上为图像、音频和视频信号，MATLAB处理这些信号非常方便，尤其是图像矩阵运算更是方便快捷。（2）MATLAB内置有数量庞大的函数工具箱，在信号
16、处理等方面能帮助我们快速完成实验。利用这些内置函数可以避免对一些信号基本操作编程，将实验的注意力完全放在信息隐藏算法的实现和性能分析上，提高了实验效率1。22数字水印技术 数字水印（Digital Watermark）技术是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容的使用价值，并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者，或者是否真实完整。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。作为数字水印技术基本上具有几个方面的特点：（1）安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率
17、，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有强的抵抗性。（2）隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；不会降质。（3）鲁棒性：是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印易损水印（Fragile Watermarking），主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴
18、定原始数据是否被篡改2。变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反变换得到加入水印的图像。几种最常见的变换是离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT），离散小波变换（DWT）等。Koch等人提出了一种基于分块DCT变换的数字图像水印算法，该算法将图像先分成88块，并对每一块做DCT，然后选择其中的一部分作为修改的对象。接着在所选块中，根据一定的规则挑选一些位于中频的DCT系数嵌入水印。Bors给出了一种基于Gaussian网分类器的图像水印算法，然后修改其中选定的像素点，使得它们的DCT系数满足一定的约束条件，该算法抗JPEG压缩能力非常好。Piva等人提出了
19、一种基于DCT域的水印算法，他们将一串随机序列加到选定的图像的DCT系数中，并在算法中利用了HVS的屏蔽性，从而更好地满足了水印的不可见性，这种算法在提取水印时不需要原始图像。伯晓晨等人提出一种新的盲图像水印检测算法，在DCT域嵌入水印，采用符号相关检测来检测水印。为了提高水印的鲁棒性，人们研究人的视觉特性，实现水印的自适应嵌入，如Podilchuk等人提出一种基于DWT的自适应水印方法。Barni等人考虑人眼的视觉分布，根据Lewis等人提出的视觉掩盖模型实现水印的自适应嵌入，该方法考虑了视觉对各子带方向的敏感特性，各子带的亮度特性和纹理特性，具有很好的效果3。Kundur等人利用多尺度融合
20、技术，结合人类视觉模型提出一种静止图像水印技术，该方法将Dooley提出的对比敏感特性模型扩展为二维模型，根据此模型计算每个自带的对比敏感系数，从而实现水印的嵌入，在提取水印时需要原始图像。随着水印算法研究的逐渐深入，对水印的鲁棒性要求也越来越高，因此水印算法的研究也与更多的学科相结合，如通信与信息理论、图像与语音处理、信号检测与估计、数据压缩技术、人类视觉与听觉系统、计算机网络与应用、电波传播等。从国内外对水印的研究来看：变换域的水印技术是当前数字水印技术研究的主流4。23 GUI工具图形用户界面（GUI）是用户与计算机程序之间的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。计算机在屏幕显示图
21、形和文本，若有扬声器还可产生声音。用户通过输入设备，如：键盘、鼠标、跟踪球、绘制板或麦克风，与计算机通讯。用户界面设定了如何观看和如何感知计算机、操作系统或应用程序。通常，多是根据悦目的结构和用户界面功能的有效性来选择计算机或程序。图形用户界面或GUI是包含图形对象，如：窗口、图标、菜单和文本的用户界面。以某种方式选择或激活这些对象，通常引起动作或发生变化。最常见的激活方法是用鼠标或其它点击设备去控制屏幕上的鼠标指针的运动。按下鼠标按钮，标志着对象的选择或其它动作。24视频压缩 视频压缩技术是针对运动图像的数据压缩技术。为了提高压缩比，帧内图像数据压缩和帧间图像数据压缩技术必须同时使用。帧内压
22、缩算法与压缩算法大致相同，采用基于的变换编码技术，用以减少空域冗余信息。帧间压缩算法采用预测法和插补法。预测法有因果预测器和非因果预测，即插补编码。预测误差可再通过变换编码处理，进一步压缩。帧间编码可以减少时间轴方向的冗余5。运动补偿是减少帧序列冗余信息的有效办法。运动补偿是基于16*16子块的算法。每个子块可以作为一个二维的运动矢量处理。运动补偿实际上是一种广义的预测技术，它使用域单纯性预测(因果预测)和非因果预测。运动补偿预测是以子块为预测单元，把当前子块认为是先前某一时刻图像子块的位移，位移的内容包括运动方向和运动幅度。所以运动补偿预测是用先前的局部图像，来预测当前的局部图像，16*16
23、的运动矢量块是预测误差，它必须进行编码传送，传送，供解码是恢复图像用。运动补偿中的非因果预测，即插补编码是基于时间轴上的多分辨率技术。是对时间轴(帧序列)方向上低分辨率的子信号进行编码。运动补偿插补编码，也叫双向预测编码。通过双向预测编码可以获得一个高的压缩比。25 StirMark测试基准测试程序是用于测试硬件或软件性能的程序。硬件基准程序可测试设备的性能，如：执行指令的速度；软件基准程序确定程序在执行特定任务时的效率、准确性或速度。测试每个程序时都使用同样的数据，从结果中可以比较出运行效果更好的程序以及程序运行效果更好的区域6。数字水印基准测试程序作为一种软件基准测试程序，是通过对水印作品
24、应用各种变换以评价标记的鲁棒性和安全性的特定计算机程序。当前的数字水印基准测试程序包括StirMark基准测试程序（英国）、Optimark基准测试程序（希腊）、CheckMark基准测试程序（瑞士）和Unzign基准测试程序等，其中每种水印基准测试程序都各有特点，StirMark是最为流行的。StirMark基准测试程序是一种通用的水印算法鲁棒性测试程序（目前仅支持图像媒体，对其它媒体保留了扩展接口），由英国剑桥大学的Fabien A. P. Petitcolas开发。对于给定的水印算法，StirMark可以从多方面测试水印算法的鲁棒性，用于测试的攻击手段包括线性滤波、非线性滤波、剪切拼接攻
25、击、同步破坏攻击等，同时还为用户保留了自定义测试方法的接口，用户可以很方便地在StirMark中定义自己的测试例程。StirMark基准测试程序具有以下特征：（1）使用用户提供的动态链接库作为水印标记方案函数；（2）对在INI文件中指定的文件夹所包含的所有媒体文件执行测试；（3）每个测试都可自定义，且测试参数可在INI文件中设置$；（4）在LOG文件中导出量化测试结果，同时在输出文件夹中导出失真图像；（5）用户可容易地编写自定义的测试和攻击。StirMark基准测试程序使用C+编写，为客户程序提供了一个标准的接口和一套基于目录结构和配置文件的测试配置方法。在使用StirMark基准测试程序测试
26、数字水印算法之前，必须先根据StirMark基准测试程序用户API接口标准定义水印算法，同时将其打包为动态链接库，之后根据StirMark基准测试程序配置方法为水印算法的测试定义，来测试图像库和测试列表。然后就可以使用StirMark基准测试程序测试水印算法了。StirMark基准测试程序通过目录结构和配置文件实现对包括图像集和测试集的测试方案的配置。根目录由执行文件（Bin）目录、配置文件（Profiles）目录和媒体集（Media）目录组成。执行文件目录又由基准测试程序（Benchmark）目录和水印算法库文件（Libraries）目录构成，其中Benchmark目录中包含了StirMar
27、k基准测试程序本身和测试输出的日志文件。配置文件目录包含了Stirmark基准测试程序的配置文件，配置文件在此文件夹测试时创建，并通过StirMark基准测试程序的命令行指定。媒体集文件夹包含了输入（Input）文件夹和输出（Output）文件夹，分别对应于。StirMark基准测试程序的输入媒体集和经过测试（变换）的输出媒体集。在输入和输出文件夹下又包含图像（Images）文件夹和声音（Sound）文件夹等，分别对应于不同的媒体类别（当前StirMark基准测试程序只支持图像水印算法的测试，对于其它媒体仅仅保留了扩展接口）7。3系统概要设计31可行性分析可行性分析是在短时间内确立系统是否有开
28、发的意义和价值；如果系统的开发代价太大或是难以预测，就可以考虑终止该系统的开发。（1）技术可行性分析本系统的开发过程选用Matlab7和Matlab7自带的GUI作为主要工具。由于Matlab7软件是一个相对成熟的软件，而对于GUI来说，由于是Matlab7自带的界面设计软件，所以在函数和其他数据的连接方面会连接得更好，出现的错误就会更少，所以技术上可行。MATLAB自问世起，就以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列），并且数组维数是自动按照规则确定的。这一方面使MATLAB程序可以被高度“向量化”，另方面使用户易写易读。Matlab7具强大的运算及绘图能力
29、，有强大且多样化的各种工具箱俩数库可供使用，包括与本书密切相关的图像工具箱（GUI）。MATLAB将计算、图示和编程集成到一个交互式的环境中,计算结果和编程过程实现了可视化。MATLAB语言的语法规则与一般的高级语言类似,一个稍有编程基础的人能很快熟悉掌握。MATLAB具有强大的数学矩阵运算功能,它的基本数据元素是无须预定义的数组,单个的整数或浮点数用11的数组来表示,既可对数组进行整体处理,也可以对某个或部分元素进行单独地处理8。MATLAB对图像、音频、视频具有强大的处理功能，因此在技术上对于本系统的开发可行。（2）操作可行性分析本系统主界面友好，简洁清晰，对于功能的使用一目了然，简单的界
30、面操作，用户容易掌握，所以在操作简易性上可行。（3）市场可行性分析随着大量消费类数字视频产品在市场上推出，比如DVD，VCD，视频会议，视频点播，教育和娱乐内容的转发等应用引发了视频流及在数据网上实时视频传输技术的产生发展。在数字世界中侵权，数据经任意次复制几乎不损失保真度，盗版变得极为容易，从而使知识产权遭受严重侵害。所以开发视频加密软件是有它的市场价值，可以保护视频的知识产权与安全性。32系统需求视频加密系统是一个基于Matlab7平台，利用数字水印技术对avi视频加密解密的系统，并能利用多种攻击方式检测它的鲁棒性和稳定性。它应该具有以下特点：加强视频的安全性：将原始的视频文件加密封装，在
31、传输的过程中防止信息被泄露、撰改；提高视频的抗干扰性：原始的视频文件在遭受不同的攻击后，恢复成原始的视频文件的评测有助于分析加密算法的有效性。视频是人们生活中的一种主要信息资源，由于资源的共享给安全性带来了很多隐患，为了防止他人盗取信息或者伪造信息，保护知识产权，在信息传输的过程中，有必要对视频的安全性进行保障。现有的视频加密工具很少，不能保障视频资源的安全性。因此需要开发视频加密系统，确保资源的保密性和安全性。目前，基于视频信号的水印方案较少，但是随着多媒体和网络技术的发展，计算机处理视频的能力不断提高，对视频水印的研究热情不断提高，有越来越多的学者投入到视频水印的研究中来。随着相关领域的研
32、究成果的丰富，如:压缩编码技术，扩频通信技术，密码学，对人类视觉生理/心理模型的研究及各种先进的信号处理技术，视频水印技术会得到迅速的发展和应用，成为保证信息安全和知识产权的重要手段。33系统模块概述 本系统的架构图如图1所示，整个系统主要分成三部分：加解密模块、攻击模块和测试比较模块。视频加密系统加解密模块攻击模块测试比较模块加密模块解密模块载体比较水印比较DCT加密误码率BER图形比较均方差MSE图像模糊解密部分剪切JPEG压缩旋转攻击高斯低通滤波添加白噪声信噪比SNR峰值信噪比PSNR图像模糊加密快速傅里叶加密DCT解密快速傅里叶解密图1系统架构图Fig.1 System archite
33、cture plans331加解密模块:视频水印是数字水印研究的重要内容之一,因视频有其自身的特点,研究的内容主要是水印算法和水印嵌入方案、水印的安全性方面。主要的性能指标是稳健性、隐蔽性、嵌入量、水印的安全性等。在DCT高频系数中嵌入文本水印。MPEG-4视频编解码基于VOP,从时间上看VOP分为IVOPPVOP,BVOP。IVOP只用本身的信息进行编码,PVOP利用过去的参考VOP进行运动补偿的预测编码BVOP利用过去和将来的参考VOP进行双向运动补偿的预测编码,因此IVOP的图像信息较独立,最适合嵌入水印信息!从空间上看,每一个VOP由若干个大小为16*16宏块组成,每个宏块包括大小为8
34、*8的多个子块。本文只在IVOP的DCT系数中嵌入水印,将水印嵌入到量化后的DCT系数中。水印的嵌入过程如图2所示。基本层视频流图像序列分块DCT水印嵌入编码图2水印嵌入过程图Fig.2 Watermark embedding process plans选择二值化灰度图像作为水印信息 ,根据水印图像的二值性选择不同的嵌入系数 ,并将载体图像进行 8 8 的分块 ,将数字水印的灰度值直接植入到载体灰度图像的 DCT 变换域中 ,实现水印的嵌入 。水印嵌入：设 CI 是M N 大小的原始图像 , S I 是水印图像大小为P Q , M 和 N分别是 P 和 Q 的偶数倍。水印提取：设图像TCI 为
35、已经加载了水印的载体图像 。现要将所加载的水印从 TCI 中提取出来。332攻击模块:添加白噪声白噪声就是指一段声音中的频率分量的功率在整个可听范围（020KHZ）内都是均匀的。由于人耳对高频敏感一点这种声音听上去是很躁耳的沙沙声。白噪声是一种无规噪声，它的瞬时值是随机变化的。它的幅值对时间的分布满足正态分布。它具有连续的噪声谱，包含有各种频率成分的噪声。它的功率谱密度与频率无关，几个频率能量的分布是均匀的9。它的等带宽输出的能量是相等的。它在线性坐标中，输出是一根平行与横坐标的直线。在对数坐标中，输出是按每倍频程带宽增加3dB的斜率而上升的。在人耳可听的频率范围内，具有相同能量的噪声称为白噪
36、声。白噪声广泛用于环境声学测量中。所以从频谱仪的图形上看，白噪声在全频谱内是一条平直的线。理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音，因为这让我们在数学分析上更加方便。然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。高斯低通滤波 高斯滤波具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为 冲激响应为 令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有H(f)|f=Bb=H(Bb
37、)=0.707,可以求得a:给定xb ,就可以计算出H(x)、h()并画出它们的特性曲线。设要传输的码元长度为Tb,速率为 Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f归一化:，则归一化3dB带为：这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)：令=t/ Tb ，并把a=1.7 Bb代入（3.15）并设Tb =1,则有:。 JPEG压缩JPEG是由ISO和CCITT两大标准组织共同推出的,它定义了连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法,即JPEG算法。JPEG算法被确定为JPEG国际标准,它是国际上彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。在编码过程中,JPEG算法首先将RGB分量转化为亮度分量和
38、色差分量,然后将图像分解为8*8的像素块,对这个8*8块进行二维离散余弦变换,每个块就产生了64个DCT系数,其中一个是直流(DC)系数,它表示了8*8输入矩阵全部值的平均数,其余63个系数为交流(AC)系数,接下来对DCT系数进行量化,最后将量化的DCT系数进行编码,就形成了压缩后的图像格式。在解码过程中,先对已编码的量化的系数进行解码,然后求逆量化并利用二维DCT反变换把DCT系数转化为8*8样本像块,最后将反变换后的块组合成一幅图像。这样就完成了图像的压缩和解压过程。部分剪切：剪切图像的一部分，将使水印不能分布和复制到整个图像，从而使检测失败。旋转：它会使图像的水平特征重新排列。小角度的
39、旋转常与剪切相结合，它通常不会改变图像的商业值，但可能降低水印的可检测性。333测试比较模块:误码率（BER） 误码率（BER：biterror）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。IEEE802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高限度误码率为10-10。这个误码率标准是针对脉冲振幅调制(PAM-5)编码而设定的,也就是千兆以太网的编码方式。误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉
40、冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在：（BER）10E-9。由于种种原因,数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输过程中受到外界的干扰,或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时,就会产生差错。均方差（MSE） 均方差也叫标准差,方差开根号为均方差,工程中其量纲与变量一致,应用较广。样本中各数据与样本平均数的差的平方和的平均数叫做样本方差；样本方差的算术平方根叫做样本标准差。样本方差和样
41、本标准差都是衡量一个样本波动大小的量，样本方差或样本标准差越大，样本数据的波动就越大。数学上一般用D=EX-E(X)2来度量随机变量X与其均值E(X)的偏离程度，称为X的方差,D开根号为均方差。 定义:设X是一个随机变量，若EX-E(X)2存在，则称EX-E(X)2为X的方差，记为D(X)或DX。即D(X)=EX-E(X)2，而(X)=D(X)0.5（与X有相同的量纲）称为标准差或均方差。由方差的定义可以得到以下常用计算公式：D(X)=E(X2)-E(X)2 信噪比（SNR）信噪比,即SNR（Signal to Noise Ratio）又称为讯噪比，即放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压
42、的比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于 70dB，高保真音箱的信噪比应达到110dB以上。信噪比是音箱回放的正常声音信号与无信号时噪声信号(功率)的比值。用dB表示。例如，某音箱的信噪比为80dB，即输出信号功率比噪音功率大80dB。信噪比数值越高，噪音越小。信噪比是一个比较重要的参数，它指音源产生最大不失真声音信号强度与同时发出噪音强度之间的比率称为信号噪声比，简称信噪比（Signal/Noise），通常以S/N表示，单位为分贝（dB）。对于播放器来说，该值当然越大越好
43、。 图像的信噪比应该等于信号与噪声的功率谱之比，但通常功率谱难以计算，有一种方法可以近似估计图像信噪比，即信号与噪声的方差之比。首先计算图像所有象素的局部方差，将局部方差的最大值认为是信号方差，最小值是噪声方差，求出它们的比值，再转成dB数，最后用经验公式修正，具体参数请参看“反卷积与信号复原（邹谋炎）”。峰值信噪比（PSNR）峰值信噪比（PSNR），一种评价图像的客观标准。它具有局限性，不能完全反映人类主观的视觉评价。在没有更好的客观评价标准之前，将就用着。它是原图像与处理图像之间均方误差相对于(2n-1)2的对数值(信号最大值的平方，n是每个采样值的比特数)，它的单位是dB。公式如下：PS
44、NR=10*log10(2n-1)2/MSE)其中，MSE是原图像与处理图像之间均方误差。公式中的符号采用了MATLAB的用法。图形比较对载体图像加解密后跟原来的载体的比较，提取出来的水印跟原始水印的图形对比图。34系统流程系统运行之后就按照图3系统流程图对导入的视频进行相应的操作。当软件运行之后，直接进入系统的主界面，具体的软件操作如下：（1） 导入所选择的avi视频文件，点击播放就可以播放导入的avi文件。（2） 选择分解就可以将导入的avi文件，分解成序列图像。（3） 导入分解出来的序列图像，显示导入的图像。（4） 选择加解密方式，进行加解密操作，显示相关结果。（5） 选择攻击方式，进行
45、攻击操作，显示相关结果。（6） 选择测试方式，进行测试比较操作，显示相关结果。（7） 对操作之后的序列图像合成新的avi文件，并保存。（8） 点击退出，退出软件。开始加密解密模块攻击模块测试比较模块导入视频播放视频显示加密解密后结果显示攻击后结果显示测试比较结果选择加解密模式选择攻击模式选择测试比较模式退出显示视频信息结束合成新的视频图3系统流程图Fig.3 System flow chart4系统详细设计根据系统架构的划分，本人负责系统的测试比较模块、图形比较和系统界面设计。测试比较模块：主要设计误码率（BER）、均方差（MSE）、信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）的功能设计及代码实现
46、。图形比较：加解密或者攻击之后的载体比较和水印比较。系统界面设计：用MATLAB7自带的GUI图形界面设计工具，实现各部分数据的连接。41测试比较模块本系统的测试比较模块，主要综述avi视频进行加密解密和多种攻击操作后的比较，对载体和水印进行误码率（BER）、均方差（MSE）、信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）等的比较。在衡量一个水印系统的不可见性上，希望有一种（多种）客观的评价方法，能够将感知差异量化为一定的数值，通过数值大小的比较直接评定感知质量。411误码率（BER）（1）误码率概述：误码率是最常用的数据通信传输质量指标。它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。
47、举例来说，如果在一万位数据中出现一位差错，即误码率为万分之一，即10E-4。误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在：（BER）10E-9。零误码率:IEEE802.3规定最坏情况的误码率是10E-10。在这种条件下，出现的误码不会降低网络的性能，因为所有的网络软硬件都按这个要求建立。因此，这个条件下出现的噪音将不足以改变接收端的比特值，不会造成误码。KRONE选择的误码率标准比IEEE标准高出100倍，并把10E-12误码率称为零误码率。零误码率意味着每十万亿个比特中产生的误码小于1个。（2）误码率（BER：bite
