03 隐秘技术—dct变换和jpeg介绍

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1、教案首页第（3）次课授课时间（90分钟）教学章节第2章隐秘技术—DCT变化和图像压缩技术学时2学时教材和参考书信息隐藏印技术与应用教学目的与要求（教学重点、难点）：1.了解DCT变换和图像的二维DCT变换的物理意义，。2.熟悉图像的JPEG压缩算法。教学内容与时间安排；教学方法；手段；教学内容：1DCT变换与二维DCT变换2图像压缩技术（JPEG）教学方法：讲授＋演示教学手段：多媒体＋板书13授课内容基本内容备注一、DCT变换与二维DCT变换上一节介绍的时空域数字水印嵌入方法的普遍缺点是：1、某些算法的嵌入信息量不能太多（patchwork）。

2、2、鲁棒性差，尤其对滤波、量化和压缩攻击。因此变换域水印是现阶段的主要水印技术。在变换域水印嵌入过程当中，嵌入空间是载体的某个或某些频带。载体的低频信息反映了载体的主要轮廓，而高频信息是人类感知系统不敏感的信息，通常被压缩技术所剔除。变换域水印技术就是寻找一个折中的水印嵌入方案。DCT变换离散余弦变换时数字信号处理技术中最常用的变换之一，具有快速算法。它具有很好的能量压缩能力和去相关能力，因此它在水印水印技术中有着很广泛的应用。一个长度为N的序列s(x)的一维离散余弦变换S(μ)的定义为它的离散反余弦变换(IDCT)由下式表示从DCT变换过程来

3、看，它的变换过程是一个迭代的过程，这就导致了误差积累效应，因此一般情况下对图像信号进行DCT变换要进行分块处理。在数字图像处理中使用的是二维DCT，对一幅N×N图像s(x,y)，它的DCT变换为13二维DCT变换是目前最常使用的有损数字图像压缩系统——JPEG系统的核心。JPEG系统首先将要压缩的图像转换为YCbCr颜色空间，并把整个图像的每个颜色通道(Y、Cb、Cr)平面分成8×8的像素块。然后，对所有的块进行DCT变换。在量化阶段，对所有的DCT系数除以一些预定义的量化值(参见表)，并取整到最近的整数(根据压缩前预先设定的压缩质量因子，量化

4、值进行相应改变)。与空域图像水印相比，离散余弦变换(DCT)域图像水印对压缩、滤波和其他一些数字处理算子具有更强的稳健性，同时又与常用的图像压缩标准JPEG兼容，因而得到了广泛的重视，基于DCT的数字水印技术是目前水印技术中研究得最多、最深入，而且也是最成熟的。二、图像压缩技术JPEG编码原理JPEG是联合图象专家组(JointPictureExpertGroup)的英文缩写，是国际标准化组织(ISO)和CCITT联合制定的静态图象的压缩编码标准。和相同图象质量的其它常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前静态图象中压缩比

5、最高的。我们给出具体的数据来对比一下。例图采用Windows95目录下的Clouds.bmp，原图大小为640*480，256色。用工具SEA(version1.3)将其分别转成24位色BMP、24位色JPEG、GIF(只能转成256色)压缩格式、24位色TIFF压缩格式、24位色TGA压缩格式。得到的文件大小(以字节为单位)分别为：921,654，17,707，177,152，923,044，768,136。可见JPEG比其它几种压缩比要高得多，而图象质量都差不多(JPEG处理的颜色只有真彩和灰度图)。正是由于JPEG的高压缩比，使得它广泛地

6、应用于多媒体和网络程序中，例如HTML语法中选用的图象格式之一就是JPEG(另一种是GIF)。这是显然的，因为网络的带宽非常宝贵，选用一种高压缩比的文件格式是十分必要的。JPEG有几种模式，其中最常用的是基于DCT变换的顺序型模式，又称为基线系统(Baseline)，以下将针对这种格式进行讨论。131.JPEG的压缩原理JPEG的压缩原理其实上面介绍的那些原理的综合，博采众家之长，这也正是JPEG有高压缩比的原因。其编码器的流程为：图2-1    JPEG编码器流程解码器基本上为上述过程的逆过程：图2-2   解码器流程8×8的图象经过DCT变

7、换后，其低频分量都集中在左上角，高频分量分布在右下角(DCT变换实际上是空间域的低通滤波器)。由于该低频分量包含了图象的主要信息(如亮度)，而高频与之相比，就不那么重要了，所以我们可以忽略高频分量，从而达到压缩的目的。如何将高频分量去掉，这就要用到量化，它是产生信息损失的根源。这里的量化操作，就是将某一个值除以量化表中对应的值。由于量化表左上角的值较小，右上角的值较大，这样就起到了保持低频分量，抑制高频分量的目的。JPEG使用的颜色是YUV格式。我们提到过，Y分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息。相比而言，Y分量更重要一些。我们可以对Y采

8、用细量化，对UV采用粗量化，可进一步提高压缩比。所以上面所说的量化表通常有两张，一张是针对Y的；一张是针对UV的。上面讲了，经过DCT变换后，低频分量