王祥青，張鋒輝，趙江東

一種新的抗JPEG壓縮半脆弱圖像水印算法

*王祥青，張鋒輝，趙江東

(皖西學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽，六安 237012)

半脆弱水印因?yàn)樵诙嗝襟w內(nèi)容認(rèn)證方面的重要作用而受到人們密切的關(guān)注。為了能夠區(qū)分惡意篡改與偶然操作，半脆弱水印要求對(duì)常用的內(nèi)容保護(hù)圖像操作應(yīng)具有一定的魯棒性。由于JPEG壓縮在圖像處理的廣泛應(yīng)用，對(duì)惡意篡改攻擊具有較高的檢測(cè)能力，半脆弱水印研究的一個(gè)重要問(wèn)題是提高抗JPEG壓縮性能。該算法首先圖像小波高頻子帶系數(shù)LH2,HL2分別進(jìn)行分塊，然后算出分別每塊的系數(shù)的能量值，根據(jù)能量系數(shù)之間的大小關(guān)系嵌入水印信息。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，所提出的算法不會(huì)影響圖像的主客觀質(zhì)量，有很好的抗JPEG壓縮性能，而且可嵌入的水印信息量大，并且能夠準(zhǔn)確確定惡意攻擊的位置。

半脆弱水??；JPEG；魯棒性; 小波高頻系數(shù)

隨著信息技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)多媒體產(chǎn)品的保護(hù)已經(jīng)迫切需要解決，如圖像、聲音、視頻等多媒體信息。對(duì)多媒體產(chǎn)品的保護(hù)主要分兩個(gè)方面:一是產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)問(wèn)題;二是產(chǎn)品認(rèn)證問(wèn)題，及真實(shí)性，當(dāng)發(fā)生篡改時(shí)可以提示。數(shù)字水印是版權(quán)保護(hù)中重要的應(yīng)用之一，它具有很好的魯棒性和安全性。應(yīng)用于多媒體信息真實(shí)性認(rèn)證的數(shù)字水印，即為脆弱水印，其對(duì)所有的修改都比較敏感，所以不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。因此提出了一種半脆弱水印，它具有兩個(gè)方面的特性，一是對(duì)惡意篡改具高度敏感性，二是對(duì)內(nèi)容保護(hù)操作魯棒性、不可見性、安全性，所以它更能適應(yīng)多媒體內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)傳送中實(shí)際的要求。半脆弱水印既要對(duì)惡意操作具有高度的敏感，又要對(duì)常規(guī)的聲音處理(如加噪等)、圖像處理（如剪切、JPEG 壓縮等)具有較好的魯棒性。

現(xiàn)有關(guān)于圖形水印JPEG壓縮算法主要可分兩類：一是能夠容忍一定程度的JPEG壓縮，并能夠檢測(cè)信息載體中惡意篡改的半脆弱水印算法[1,2]；二是將水印融入到圖像的壓縮算法中，在壓縮的過(guò)程中嵌入水印，在解壓的過(guò)程中提取水印，用來(lái)對(duì)JPEG圖像進(jìn)行精確認(rèn)證的脆弱水印算法[3,4]。早期的JEPG圖像認(rèn)證水印算法為了嵌入水印的載體更具有透明性，選定在DCT系數(shù)上嵌入水印信息[4]但是存在嚴(yán)重的安全性隱患。Li[3]為了增強(qiáng)圖像認(rèn)證的安全性，提出了新的脆弱水印方案。該算法首先將DCT系數(shù)分為兩類：嵌入水印系數(shù)和非嵌入水印系數(shù)。利用非水印嵌入系數(shù)生成水印信息，然后將生成的水印信息嵌入到水印嵌入系數(shù)中，從而使保護(hù)了圖像塊的所有DCT系數(shù)。Zhang[5]等人提出了一種根據(jù)JPEG壓縮過(guò)程中的不變參量方法，利用小波特性可以檢測(cè)圖像篡改區(qū)域，并能夠準(zhǔn)確的定位。Hu[6]為了和提高算法的安全性和減少運(yùn)算量，提出了一種基于小波變換的脆弱水印算法，該算法主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于提升格式參數(shù)化整數(shù)小波系數(shù)，但是此方案在抗JPEG壓縮達(dá)不到令人滿意的效果。

為了提出一種有效的抗JPEG壓縮的半脆弱水印算法，本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上提出了一種新的基于DWT變換的半脆弱水印算法，該算法思想首先對(duì)圖像進(jìn)行一層DWT小波變換，在把圖像變換出的高頻系數(shù)部分（LH1和HL1）進(jìn)行分塊，然后分別算出每小塊的能量值，根據(jù)能量值大小關(guān)系嵌入水印。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法有對(duì)JPEG壓縮有較好的魯棒性，并且有精確的篡改定位檢測(cè)能力，算法性能較好。

1 圖像小波變換

小波變換在圖像處理中有其廣泛的用途，其中圖像數(shù)字水印是重要的研究領(lǐng)域之一。其基本原理是把圖像進(jìn)行多分辨率分解，分解成不同頻率子帶圖像，在對(duì)根據(jù)每個(gè)子帶圖像的特點(diǎn)進(jìn)行處理。圖像小波分解的正變換可以依據(jù)二維小波變換按如下方式擴(kuò)展，在變換的每一層次，圖像都被分解為4個(gè)四分之一大小的圖像。對(duì)一幅圖像的二級(jí)小波分解示意如圖 1 所示。

圖1 二層小波分解示意圖

Fig. 1 The the waveletdecomposition of image

如圖1所示。圖像經(jīng)過(guò)小波變換分解后，分解后的圖像主要能量集中在低頻頻帶，它包含了這視覺重要部分；而圖像的高頻頻帶是圖像的細(xì)節(jié)部分，它所含能量較少，分布在水平高頻(HL)、垂直高頻(LH)、對(duì)角高頻(HH)三個(gè)子圖中，主要包含了原始圖像的邊緣信息和紋理信息，主要反映了圖像的輪廓?；谛〔ㄗ儞Q的數(shù)字水印方案是把水印信息嵌入到低頻子帶或嵌入到高頻子帶系數(shù)中。低頻子帶攜帶了圖像的主要能量信息，從而可以嵌入較多的水印信息，使水印具有較好的魯棒性，但圖像低頻子帶包含了原始圖的主要能量，所以嵌入水印信息后圖像失真。相反，把水印嵌入到高頻子帶攜帶具有較好的不可見性，因?yàn)樗饕瑘D像的邊緣和紋理信息，人眼對(duì)這這些信息不敏感，水印嵌入到高頻子帶后，可以避免引起圖像的失真，但水印很容易遭到破壞。因此，不可見性與魯棒性是信息隱藏算法性能好壞的重要判定依據(jù)，有時(shí)要在魯棒性和圖像的失真度之間適當(dāng)折衷。

因此本文所選擇嵌入水印方案是選擇二級(jí)小波分解的高頻部分，這樣保證圖像的魯棒性，又不會(huì)引起圖像的太大失真變化。在文獻(xiàn)[8]中，Li與Huang根據(jù)高頻小波相鄰系數(shù)間的大小關(guān)系在JPEG壓縮之后絕大部分未發(fā)生變化這一現(xiàn)象來(lái)嵌入和提取水印。本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上提出基于高頻系數(shù)能量關(guān)系來(lái)嵌入和提取水印。

2 抗JPEG壓縮的半脆弱圖像水印算法

2.1 水印嵌入

文章的方案所選用的原始圖像大小為 512×512，水印是二值圖像，大小為64×64。首先將嵌入原始水印圖像經(jīng)過(guò)置亂加密置換后得到的，并且由密鑰控制，這樣整個(gè)系統(tǒng)的安全性得到了提高。嵌入時(shí)先將載體圖像做一次參數(shù)化整數(shù)小波提升，然后分別對(duì)HL2和LH2進(jìn)行分塊，每塊大小2×2，故每4個(gè)小波系數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)水印圖像像素。HL2和LH2子帶都有128×128個(gè)系數(shù)，分塊后變成64×64系數(shù)塊與二值圖像所對(duì)應(yīng)，如圖2所示。

圖2 LH2和HL2各分為64×64個(gè)系數(shù)塊

= 1,2,…,64，其中是閾值，它用于保證嵌入水印的最小修改量。

水印的嵌入過(guò)程如下：

1）將宿主圖像I進(jìn)行兩層小波分解，采用LH2和HL2子帶作為水印嵌入?yún)^(qū)域。得到的子帶圖像大小是128×128。二值水印圖像大小是64×64。

我們?cè)黾覮H2中子塊的系數(shù)值，減小HL2中子塊的系數(shù)值。修改公式如下：

上述公式滿足各個(gè)系數(shù)之間的增加，或減少比例分配，從而避免了因系數(shù)修改過(guò)大，而造成圖像的失真。把修改過(guò)的系數(shù)值分別代入(3),(4)中，得到￠()>￠()，()=1滿足了嵌入條件。

首先減小LH2中子塊的系數(shù)值，增加HL2中子塊的系數(shù)值。修改公式如下：

在上述系數(shù)值的修改方法中，閾值是最小是實(shí)驗(yàn)修改量，主要是為了平衡圖像質(zhì)量與魯棒性作用。越大則魯棒性越好但是圖像失真越厲害，相反，越小圖像質(zhì)量較好但圖像的魯棒性較差。大小可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 水印提取

水印提取是水印的逆步驟，在數(shù)字水印提取過(guò)程中，含水印圖像首先進(jìn)行小波變換，然后確定水印是嵌入在哪個(gè)子帶，根據(jù)具體算法提取水印。整個(gè)水印提取過(guò)程不需要原始載體圖像，數(shù)字水印的提取步驟如下（設(shè)含水印圖像）:

1）對(duì)含水印圖像進(jìn)行二級(jí)小波變換，并選取子帶和用于提取水印。

2）將所選取的子帶和劃分成64個(gè)2×2的圖像子塊，然后根據(jù)比較兩個(gè)子帶中的子塊能量值大小關(guān)系來(lái)提取水印。設(shè)是提取出來(lái)的水印序列。具體提取規(guī)則如下：

3）將混亂不堪的二值水印圖像序列進(jìn)行解密變換，即通過(guò)二維Arnold變換得到二值水印圖像。

3 性能分析及實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 水印的透明性及JPEG壓縮實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所給小波域數(shù)字圖像水印算法，給出以下原始圖像Baboon (其大小為512′512)來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用64′64的二值圖像XHU作為水印圖像。小波變換采用了Haar小波基，文章采用峰值信噪比(PSNR)評(píng)價(jià)了原始圖像與含水印圖像之間的差別，公式（7）定義PSNR；采用歸一化相關(guān)系數(shù)(NC)分析了原始水印與提取水印的相似度，按公式(8)計(jì)算。

I，I分別為原始的和提取出的水印圖像中坐標(biāo)為(,)的像素值。

一般地講，較大的PSNR說(shuō)明含水印的圖像非常類似于原始載體圖像，表明該方法具有較好的不可感知性。接近1的NC值則說(shuō)明該方法有較好的魯棒性。

圖3所示，給出了原始圖像和嵌入水印后的圖像，峰值信噪比 PSNR 為 44.21 dB。由此可見，該方法使水印具有較好的隱蔽性(圖 3(c))。提取的水印(圖 3(d))與原始水印完全相同(NC=1)。

圖3 水印的嵌入與提取

圖4是對(duì)含水印的圖像進(jìn)行不同 JPEG 壓縮質(zhì)量因子參數(shù)后所提取的水印。由圖 4 可知，算法具有很強(qiáng)的抵抗 JPEG 壓縮能力，對(duì)于質(zhì)量因子在 50 以上的壓縮都能夠完全提取出水印，即使質(zhì)量因子降低到 40，提取的水印仍可以較好地被識(shí)別(圖 4(f))。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水印JEPG壓縮的能力隨著閾值增加而提高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出3比較理想。

圖4 不同 JPEG 壓縮質(zhì)量參數(shù)下提取的水印

如圖5 Baboon, Peppers原始圖像及嵌入水印后圖像做了比較，他們同時(shí)滿足脆弱水印不可性的要求。

圖5 不可見性測(cè)試

3.2 與其他算法的比較

如表2所示，本文方法與文獻(xiàn)[9]所提方法進(jìn)行比較。利用小波能量塊在半脆弱水印的中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了JPEG壓縮，壓縮質(zhì)量因子甚至達(dá)到30%都可以辨認(rèn)水印信息。而文獻(xiàn)[9]提出的算法壓縮質(zhì)量因子最多只能達(dá)到40%。同時(shí)本方法對(duì)一些常見的攻擊具有高度敏感性，在試驗(yàn)中可以得到證明。

表2 本文方法與Huang提出方法抗JPEG壓縮比較

4 結(jié)論

本文利用小波高頻系數(shù)對(duì)JPEG壓縮具較強(qiáng)的魯棒性，提出新半脆弱水印算法，該算法具有以下特點(diǎn):

(1)選擇小波二級(jí)分解的高頻子帶中的水平高頻(HL2)、垂直高頻(LH2)。對(duì)兩個(gè)子帶系數(shù)進(jìn)行分塊求能量值，比較能量值大小關(guān)系來(lái)嵌入和提前水印。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較好的抗 JPEG 壓縮。

(2) 根據(jù)參數(shù)化小波分解圖像，運(yùn)算量小。水印嵌入之前先經(jīng)過(guò)加密置亂，使攻擊者在不知道小波分解參數(shù)和密鑰情況下很難獲得水印的任何信息。

(3)本文算法經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以檢測(cè)出圖像中篡改內(nèi)容的位置，并且可以對(duì)篡改的內(nèi)容進(jìn)行有效的恢復(fù)，同時(shí)能有效地抵抗常用的攻擊。

下一步的研究工作將致力于自適應(yīng)脆弱水印的研究，進(jìn)一步提高算法的抗JPEG壓縮能力。

[1] 羅大光.抗JPEG攻擊的圖像水印算法研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2005.

[2] Lin C Y, Chang S F. A robust image authentication method distinguishing JPEG compression from malicious manipulation[C]. IEEE Trans on Circuits and Systems of Video Technology, 2001, 11(2): 153-168.

[3] Li C T. Digital fragile watermarking scheme for authentication of JPEG images[C]. IEE Proceedings-Vision, Image, and Signal Processing, Dec, 2004: 460-466.

[4] 方敏.JPEG 算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué),2003.

[5] Zhang J, Zhang C T. Semi-Fragile watermarking for JPEG2000 image authentication[C]. ACTA Electronica Sinica, 2004, 32(1):157-160 (in Chinese with English abstract).

[6] Hu J Q. Fragile watermarking: Methods and applications [Ph.D. Thesis] [C]. Guangzhou: Sun Yat-Sen University, 2003 (in Chinese with English abstract).

[7] Hu JQ, Huang JW, Huang DR. A DWT based fragile watermarking tolerant of JPEG compression[C]. In: Proc. of Int’l Workshop on Digital Watermarking 2002. LNCS 2613, Berlin: Springer-Verlag, 2003: 179-188.

[8] Li C, Huang QW. A Semi-Fragile Image Watermarking Resisting to JPEG[J].Journal of software, 2006:17(2) 52-57 (in Chinese with English abstract).

[9] 王炳錫，陳琦.數(shù)字水印技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

A SEMI-FRAGILE IMAGE WATERMARKING RESISTING TO JPEG COMPRESSION

*WANG Xiang-qing，ZHANG Feng-hui，ZHAO Jiao-dong

(Institute of Information Engineering West Anhui University, Liuan, Anhui 237012, China)

Semi-Fragile watermark has attracted attention due to its important role in content authentication for multimedia. In order to differentiate incidental attacks and malicious attacks, semi-fragile watermark should be robust against content-protection image processing. Semi-fragile watermark resisting to JPEG compression while maintaining high detection ability to tamper has been the emphasis in the area. This algorithm of image wavelet coefficient LH2 and HL2 was blocked and computed each of block coefficient energy based on the relative energy relations embedded watermark. Simulation experiments prove that it will not degrade the objective and subjective quality of original images, the good robustness to JPEG and the larger amount of embedded information. What’s more, it can ascertain the position of vicious attack exactly.

semi-fragile watermark; JPEG; robust; wavelet high coefficient

TP309

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.01.013

1674-8085(2013)01-0058-05

2012-07-15；

2012-12-08

安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2010SQRL185）；安徽高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2009B051）；

六安市定向委托皖西學(xué)院市級(jí)研究項(xiàng)目(2011LW016)

*王祥青(1982-)，男，安徽六安人，助教，碩士，主要從事嵌入式應(yīng)用及圖像處理研究(E-mail:huashao94364574@qq.com);

張鋒輝(1982-)，男，河南洛陽(yáng)人，助教，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究(E-mail: zfhiwillwin@163.com);

趙江東(1979-)，男，安徽舒城人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用研究(E-mail: zhaojd@wxc.edu.cn).