石紅梅

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 江蘇蘇州 215104)

一種強(qiáng)魯棒性的圖像數(shù)字水印算法的設(shè)計(jì)

石紅梅

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 江蘇蘇州 215104)

針對(duì)當(dāng)前圖像水印的研究現(xiàn)狀和存在的問題，提出了一種基于離散小波變換域的數(shù)字水印算法。該算法選擇在原始圖像小波變換的中、低頻子帶嵌入水印，提高了水印的容量和不可見性。并結(jié)合人類視覺系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了水印的強(qiáng)魯棒性。對(duì)所提出的算法進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法對(duì)常見的圖像攻擊如JPEG壓縮、加噪、剪切等具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)也很好地保證了水印的不可見性。

數(shù)字水印;魯棒性;攻擊測(cè)試

0 引言

信息時(shí)代的到來，使得傳統(tǒng)的媒體正向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。各種形式的多媒體作品紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式出現(xiàn)，使得作品的侵權(quán)更加容易。傳統(tǒng)的信息安全以密碼學(xué)為基礎(chǔ)，從根本上解決不了問題。而數(shù)字水印是一種有效的保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)和維護(hù)數(shù)據(jù)安全的技術(shù)，是信息隱藏研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。它將具有特定意義的標(biāo)記(水印)，利用數(shù)字嵌入的方法隱藏在數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，以證明創(chuàng)作者對(duì)其作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，同時(shí)通過對(duì)水印的檢測(cè)和分析來保證數(shù)字信息的完整可靠性，從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字多媒體防偽的有效手段。

本文提出的算法采用對(duì)原始圖像的R、G、B基色乘以加權(quán)系數(shù)的方法來解決可視失真，并通過將水印嵌入中頻段以及多次嵌入水印低頻小波系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)水印的強(qiáng)魯棒性。

1 算法描述

本算法將一幅大小為128×128的“CUMT”彩色水印嵌入到大小為256×256的彩色Lena圖像中，采用的嵌入算法如圖1所示。

圖1 水印嵌入框圖

水印嵌入實(shí)現(xiàn)的主要步驟為:

1)原始彩色圖像及水印的分解:將原始彩色圖像按RGB色彩空間進(jìn)行分解，三個(gè)基色分量分別用IR、IG、IB表示。彩色數(shù)字水印同樣也按RGB色彩空間進(jìn)行分解，分別用WR、WG、WB表示它的三個(gè)基色分量。

2)DWT變換:采用WAVEDEC2函數(shù)對(duì)原始彩色圖像的三個(gè)基色分量分別作DWT變換(2層小波分解)，同時(shí)也對(duì)水印的三個(gè)基色分量作一次小波分解。這一步驟實(shí)現(xiàn)圖像從空間域到小波域的變換。

3)水印嵌入:式(1)為R基色在低頻、水平、垂直、對(duì)角線區(qū)域上的嵌入公式。通過這些公式將彩色數(shù)字水印的三基色分解系數(shù)分別對(duì)應(yīng)嵌入到原始彩色圖像的三基色分解系數(shù)中。式中的I指的是原始彩色圖像，W指代的是水印圖像，而A、H、V、D表示的則是圖像經(jīng)小波分解后的低頻、水平、垂直、對(duì)角線分量。

式(1)中的IRA2(i，j)表示原始圖像的R分量經(jīng)2層小波分解后在低頻區(qū)域中的第i，j處系數(shù)的值，IRA1(i，j)表示原始圖像的R分量經(jīng)1層小波分解后在低頻區(qū)域中的第i，j處系數(shù)的值，而WRA1(i，j)表示水印的紅色分量R經(jīng)1層小波分解后在低頻區(qū)域中的第i，j處系數(shù)的值。同樣的，IRH2(i，j)表示原始圖像的R分量經(jīng)2層小波分解后在水平區(qū)域中第i，j處系數(shù)的值。G、B基色在低頻、水平、垂直、對(duì)角線區(qū)域上的嵌入公式類推。

4)IDWT變換:在將水印的三基色分解系數(shù)分別嵌入原始彩色圖像的三基色分解系數(shù)之后，采用WAVEREC2函數(shù)對(duì)得到的小波系數(shù)作小波反變換，即可得到水印圖像。

根據(jù)水印嵌入的設(shè)計(jì)思想，在MATLAB軟件中編程實(shí)現(xiàn)水印的嵌入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 水印嵌入結(jié)果

水印提取與水印嵌入的設(shè)計(jì)思想剛好相反，將嵌入框圖中的“水印”換成“含水印圖像”，將“水印嵌入”換成“水印提取”，則完成從含水印的圖像中提取水印的過程。提取水印的結(jié)果如圖3所示。

圖3 水印提取

從水印嵌入過程生成的水印圖像觀察，可以判斷該算法嵌入的水印具有視覺上良好的隱蔽性。原始Lena圖像及水印圖像之間的峰值信噪比PSNR值達(dá)到了33.518 3 dB，而提取后的水印與原始水印之間的歸一化相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.994 7，充分說明基于本算法的水印的嵌入及提取很好地保持了原始圖像的品質(zhì)。

2 攻擊測(cè)試

在圖像的傳播、使用過程中，都會(huì)或多或少地受到各種有意或無意的攻擊。為了檢測(cè)算法的魯棒性能，分別對(duì)嵌入水印后的Lena圖像進(jìn)行壓縮、噪聲、剪切攻擊。

2.1 JPEG壓縮攻擊

JPEG壓縮是一種對(duì)圖像進(jìn)行攻擊的常用方法。而JPEG作為一種壓縮存儲(chǔ)圖像的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)經(jīng)常被用到，所以，對(duì)于圖像數(shù)字水印來說，最基本的要求是能夠忍受一定程度的圖像壓縮處理。為了檢驗(yàn)JPEG壓縮處理對(duì)圖像數(shù)字水印檢測(cè)的影響，通過設(shè)定不同的壓縮因子檢驗(yàn)水印圖像對(duì)JPEG壓縮攻擊的抵抗能力。

圖4(a)～(b)分別為壓縮質(zhì)量因子為90%、60%時(shí)提取水印的示意圖。

圖4 壓縮攻擊

對(duì)水印圖像進(jìn)行壓縮攻擊后，原始圖像與水印圖像的PSNR值及提取水印與原始水印的NC值的比較如表1所示。

表1 壓縮攻擊后的PSNR及NC值

從圖4可以看出，在壓縮質(zhì)量因子為90%、60%時(shí)提取的水印具有良好的清晰度且與原始水印的相關(guān)度較高。從表1中可以看出，壓縮質(zhì)量因子為60%時(shí)提取的水印與原始水印的歸一化相關(guān)系數(shù)達(dá)到了 0.789 6，說明提取的水印與原始的“CUMT”水印具有良好的關(guān)聯(lián)度。隨著壓縮強(qiáng)度的增大，Lena圖像與水印圖像之間的PSNR值在不斷減小，說明圖像的質(zhì)量是同比降低的，但提取出的水印卻依然清晰可見。充分說明了該算法對(duì)于JPEG壓縮具有強(qiáng)魯棒性。

2.2 噪聲攻擊

為了進(jìn)一步測(cè)試該水印抵抗攻擊的能力，在水印圖像中分別添加不同方差的椒鹽噪聲，再對(duì)水印圖像進(jìn)行水印的提取。

圖5為添加椒鹽噪聲時(shí)水印圖像抵抗攻擊的情況。

圖5 椒鹽噪聲攻擊

添加椒鹽噪聲后提取水印圖像與原始水印的PSNR值及原始水印與提取水印之間的NC值如表2所示。

表2 椒鹽噪聲攻擊后的PSNR及NC值

從受椒鹽攻擊的水印圖像中提取的水印可以看出，即使是方差為0.01的椒鹽噪聲，也可以從中提取出清晰的水印，并且原始水印與提取的水印之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.895 9。此算法對(duì)于抵抗椒鹽噪聲具有很好的魯棒性。

2.3 剪切攻擊

為了測(cè)試本文提出的水印算法抵抗圖像剪切攻擊的能力，對(duì)水印圖像分別進(jìn)行1/4中心剪切、1/4邊角剪切的處理。提取水印的情況分析如下所述。

水印圖像在抵抗剪切攻擊后提取水印的情況如圖6(a)～(b)所示。

圖6 剪切攻擊

在選擇不同區(qū)域及不同面積進(jìn)行剪切攻擊后，比較原始圖像及受攻擊的水印圖像，它們的PSNR值及水印之間的NC值如表3所示。

從圖6及表3受剪切攻擊的水印圖像中提取的水印可以看出，雖然對(duì)圖像進(jìn)行邊角和中心1/4的剪切，水印圖像與原始Lena圖像之間的PSNR值偏小，說明剪切攻擊對(duì)于水印圖像的影響較大。盡管如此，提取的水印與原始水印之間的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.97以上，說明該算法對(duì)剪切攻擊具有超強(qiáng)的魯棒性。

表3 剪切攻擊后的PSNR及NC值

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于離散小波變換(DWT)及人類視覺系統(tǒng)(HVS)的數(shù)字水印算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在原始圖像及水印都為彩色靜態(tài)圖像的前提下，嵌入與提取的效果都比較理想，實(shí)現(xiàn)了水印的不可見。攻擊測(cè)試表明水印算法具有較好的魯棒性，能夠抵抗常見的圖像處理操作，如JPEG壓縮、噪聲、剪切等，水印提取后的NC值也較理想。

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A Strong Robust Image Watermarking Algorithm Design

SHI Hong-mei
(Department of Electronic Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

Aiming at the current image watermark research status and existing problems，the article proposes a digital watermarking algorithm based on the discrete wavelet transform.By choosing low and middle sub band of the wavelet packet decomposition of the original image to embed the watermark，the algorithm increases the capacity of the watermark and improves the imperceptibility.With the combination of HVS model，the robustness of watermark is achieved.Quantities of experiment data show that the algorithm has good robustness on image attacks，such as JPEG compression，noise，cropping，and etc，and at the same time the imperceptibility of watermark can be guaranteed.

digital watermark;robustness;attack test

TP 309

A

1672-2434(2011)03-0036-04

2011-03-18

石紅梅(1982-)，女，助教，從事研究方向:信息隱藏