周炳忠，張 浩，李永平

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

交織技術(shù)在話音通信中有著廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用于GSM、TD-SCDMA中可抵抗無線環(huán)境中的突發(fā)干擾。話音通信中采用的交織多為一維交織算法，該交織算法能有效對抗傳輸中出現(xiàn)的連續(xù)、成塊、突發(fā)錯誤。語音通信交織處理的是一維信號，而數(shù)字圖像可看作二維的數(shù)字信號。

為提高圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性，需將TD-SCDMA交織算法由一維拓展至二維。如直接將語音的一維交織技術(shù)應(yīng)用于圖像數(shù)字水印系統(tǒng)中，信號離散化效果較差。這是由于二維數(shù)據(jù)的連續(xù)性特征和一維數(shù)據(jù)的連續(xù)性特征存在很大差異，不能有效地糾正這些二維成塊錯誤數(shù)據(jù)，成塊錯誤對水印的質(zhì)量影響很大，可能導(dǎo)致水印信息無法識別。為解決成塊錯誤變成離散的狀態(tài)，減小水印系統(tǒng)某些幾何攻擊帶來的影響，可將TD-SCDMA幀相關(guān)交織算法由一維拓展至二維，并形成基于TD-SCDMA的二維交織算法。關(guān)于二維交織算法已有相關(guān)研究成果[1-3]，本文結(jié)合文獻(xiàn)[4]，將TD-SCDMA二維交織算法應(yīng)用于圖像數(shù)字水印系統(tǒng)中，可有效抵抗剪切攻擊，提升系統(tǒng)的魯棒性。

1 TD-SCDMA幀相關(guān)交織原理

為應(yīng)對干擾，提升話音質(zhì)量，交織是TD-SCDMA中抵抗連續(xù)突發(fā)錯誤的有效方式。TD-SCDMA幀相關(guān)交織算法原理[5]為：假設(shè)待交織的一段數(shù)據(jù)輸入序列為x1,x2,x3,…,xu，U為CCTrCH信道的一個無線幀內(nèi)所包含的比特?cái)?shù)，等于分割后各物理信道上所發(fā)送的比特?cái)?shù)之和，即：

其交織步驟為：

（1）將待交織序列的列數(shù)定為C=30，編號依次為1,2,…,30。

（2）計(jì)算交織的行數(shù)R，使之滿足公式：(R-1)C

（3）將形成的行序列輸入交織器。如所有比特輸入完畢但交織器尚未填滿，即當(dāng)U≤RC時，則需填充相應(yīng)比特。

（4）按照二次交織列間變換規(guī)則（見表1）的交換順序讀出各列。如讀出后的數(shù)據(jù)為填充比特，則刪除。

經(jīng)過以上4個步驟后便可得到二次交織后的數(shù)據(jù)序列。

表1 二次交織列間變換規(guī)則

2 TD-SCDMA交織算法在圖像數(shù)字水印中的應(yīng)用

2.1 水印嵌入方案描述

圖像數(shù)字水印的主要作用是將版權(quán)等信息（水印信息）嵌入到數(shù)字圖像中，嵌入水印后的圖像質(zhì)量未明顯變化，在經(jīng)歷一定的攻擊后仍能提取出可識別的原始水印，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)版權(quán)、鑒別真?zhèn)蔚哪康摹?/p>

圖像數(shù)字水印處理流程大致包括數(shù)字水印的生成、嵌入和提取三個過程[6]，如圖1所示。

將TD-SCDMA交織算法應(yīng)用于圖像數(shù)字水印處理，需先將原交織規(guī)則拓展至二維，經(jīng)歷以下5個步驟：

圖1 圖像數(shù)字水印處理流程

（1）為增強(qiáng)交織效果，提升數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性，需將原始水印圖像的原始方陣（見圖2a）經(jīng)過3次塊間置亂（按順時針方向置亂），可得到如圖2b、2c、2d所示的三個方陣。

圖2 原始水印圖像的原始方陣及3次置亂后的方陣

原始水印圖像與第1次置亂后水印圖像的比較如圖3所示。

（2）對圖2b所示的第1次置亂后的30*30水印圖像按列進(jìn)行交織，第1次交織列間變換規(guī)則見表2。

圖3 原始水印圖像與第1次置亂后水印圖像的比較

（3）對第1次按列交織后的水印圖像按行再次進(jìn)行交織，第2次交織行間變換規(guī)則見表3。

二維交織過程后的水印圖像各個分量已經(jīng)較為均勻地散布在整個圖像區(qū)域中，如圖4所示。

（4）參照文獻(xiàn)[5]的方法，將置亂后的水印圖像信息乘以嵌入強(qiáng)度系數(shù)0.1后，嵌入到原始圖像DCT（Discrete Cosine Transform）變換域的（2,2）、（1,2）和（2,1）三個位置，如圖5所示。

表2 水印圖像第1次交織列間變換規(guī)則

表3 水印圖像第2次交織行間變換規(guī)則

圖4 二維交織后的水印圖像

圖5 水印圖像嵌入原始圖像DCT變換域的位置

（5）將嵌入的水印圖像執(zhí)行DCT反變換得到水印加密后的圖像。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)選用256*256的cameraman.tif圖像作為原始水印圖像（見圖6a），30*30大小的二值圖像作為水印圖像（見圖3a），執(zhí)行以下步驟：

（1）對原始水印圖像進(jìn)行2.1中步驟1的置亂處理。

（2）按2.1步驟2和步驟3實(shí)現(xiàn)二維交織過程，得到待嵌入的水印圖像。

（3）按2.1步驟4將置亂后的水印圖像信息乘以嵌入強(qiáng)度系數(shù)0.1，將二維交織后水印數(shù)據(jù)嵌入原始水印圖像二層至三層的低頻子帶中。

（4）對嵌入水印后的cameraman圖像進(jìn)行剪切攻擊，并提取剪切攻擊后的水印圖像。

嵌入水印受攻擊后的cameraman圖像及提取的水印圖像，如圖6所示。

2.3 性能評估

對提取出來的圖像數(shù)字水印用歸一化相關(guān)系數(shù)（NC）衡量水印算法的效果[6]，NC值在0～1之間，表征兩幅圖的相似程度，NC值越接近1表示兩個圖像越相似。

實(shí)驗(yàn)后可得到水印算法抗攻擊性能，用歸一化相

圖6 嵌入水印受攻擊后的cameraman圖像及提取的水印圖像

關(guān)系數(shù)（NC）衡量水印算法的抗攻擊性能，即：

其中，W表示原始水印圖像，W表示提取的水印圖像。

依（1）式計(jì)算NC值，結(jié)果見表4。

表4 水印算法抗攻擊性能NC值

為驗(yàn)證基于TD-SCDMA二維交織算法的有效性，進(jìn)一步得到剪切攻擊程度與NC值的關(guān)系，按行和列分別剪切橫坐標(biāo)相應(yīng)比例的連續(xù)像素，計(jì)算出對應(yīng)比例的平均NC值，如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)剪切到10/16時，提取水印所得的NC值仍然大于0.7，基本能識別。隨著剪切面積越大，NC值越小。

圖7 剪切攻擊程度與NC值的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文構(gòu)建了一種將TD-SCDMA交織算法由一維拓展至二維，并將其應(yīng)用于數(shù)字水印中的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于TD-SCDMA的二維交織算法可處理二維圖像信號，應(yīng)用于圖像數(shù)字水印系統(tǒng)中，可使因幾何攻擊形成的成塊連續(xù)錯誤分散化，有利于后期的糾錯處理，有效提升了圖像數(shù)字水印系統(tǒng)抗幾何攻擊的魯棒性。

[1]潘哲朗，許紅山.SP二維交織算法在水印中的應(yīng)用[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，4(3):220-223.

[2]易琛，張?zhí)祢U，胡然，等.BSP二維塊交織算法結(jié)合RS糾錯碼在水印中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29(8):3029-3032.

[3]BLAUM M，BRUCK J，VARDY A.Interleaving schemes for multidimensional cluster errors[J].IEEE Transactions on Information Theory，1998，44(2):730-743.

[4]周品，李曉東.MATLAB數(shù)字圖像處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012:295-296.

[5]彭木根，王文博.TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:87-91.

[6]王麗.抵抗幾何形變和剪切攻擊的魯棒圖像水印[D].北京:北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，2005.