金　燦

（湖南文理學(xué)院，湖南　常德　415000）

試論數(shù)字圖像水印算法的研究與實(shí)現(xiàn)

金燦

（湖南文理學(xué)院，湖南常德415000）

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來及數(shù)字多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，極大地便利了人們的日常生活。與此同時(shí)，有關(guān)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的呼聲也越來越高。作為一種現(xiàn)代化數(shù)據(jù)版權(quán)保護(hù)與認(rèn)證技術(shù)，數(shù)字圖像水印技術(shù)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。文章結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)的特點(diǎn)，探討了數(shù)字圖像水印的幾種重要算法，以供參考。

數(shù)字水?。话鏅?quán)保護(hù)；算法

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，雖然帶給了人們無限的便利，但也導(dǎo)致安全隱患問題日趨突出。數(shù)字圖像的獲取、修改、傳輸過程愈來愈方便、簡單、容易，其真實(shí)性、完整性驗(yàn)證、版權(quán)問題就愈來愈突出，極大地限制了信息化技術(shù)的持續(xù)、健康發(fā)展。為了保障數(shù)字圖像版權(quán)不受侵犯，有必要引入數(shù)字圖像水印技術(shù)，本文重點(diǎn)就該技術(shù)的幾種算法進(jìn)行探討。

1　數(shù)字水印技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字水印系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）隱蔽性。也就是透明性，要求嵌入水印之后，載體具有足夠的感知度。要求嵌入數(shù)字水印后，數(shù)字產(chǎn)品不會出現(xiàn)顯著的降質(zhì)，且不會被察覺。（2）魯棒性。魯棒性指的是對數(shù)字水印系統(tǒng)的常規(guī)處理能力加以評估，經(jīng)過多重信號處理后，數(shù)字水印依然能夠確保其完整性，仍能受到科學(xué)的鑒別。（3）容量。容量指的是系統(tǒng)所能承載的最大的有效數(shù)據(jù)量。對于水印系統(tǒng)而言，要求所嵌入信息應(yīng)足以表達(dá)特定信息，并能夠?qū)Π鏅?quán)問題加以解決，確保用戶權(quán)益。（4）安全性。指的是系統(tǒng)能夠抵抗蓄意攻擊的能力，要求其嵌入算法具有較強(qiáng)的抵御攻擊水平，水印檢測及提取方法對于未授權(quán)者絕對保密，難以輕易加以破解。（5）自恢復(fù)性。系統(tǒng)經(jīng)過處理、變換之后，會引發(fā)原圖的破壞，自恢復(fù)性指的是通過所留片段數(shù)據(jù)，可以將水印信息恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)不需要最初圖像。在所有特點(diǎn)中，隱蔽性、魯棒性、容量三大特征最為關(guān)鍵，其相互矛盾、彼此制約，在應(yīng)用過程中很難實(shí)現(xiàn)兼顧，其實(shí)，對于所有數(shù)字水印方案而言，只能結(jié)合實(shí)際情況，從三者中尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

2　數(shù)字圖像水印的幾種主要算法

2.1空域算法

該算法是最早提出的一種水印算法，以最低有效位算法為例進(jìn)行說明，其指的是采用水印信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖像所進(jìn)行的一種算法。該圖像很容易實(shí)現(xiàn)，主要利用模運(yùn)算對水印嵌入的位置進(jìn)行計(jì)算，并利用比特位對信息加以隱藏。其主要通過原始圖像像素選擇，將被選像素及鄰域像素的大小關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，并將其嵌入水印。還可以采用量化策略，實(shí)現(xiàn)水印圖像的嵌入，雖然此種算法簡單，所隱藏的信息量大，但任何濾波器都能夠改變值，因而魯棒性差，不適用于最低有效位（Least Significant Bit，LSB）算法系統(tǒng)。

2.2變換域算法

鑒于空域法較差的魯棒性，變換域算法應(yīng)運(yùn)而生。其通過將水印信息嵌入圖像某個(gè)變換域中，再利用反變換，實(shí)現(xiàn)水印能量的分散，極大地隱藏了水印圖像，提高了其水印嵌入強(qiáng)度，同時(shí)，確保了其不可見性。以離散余弦變換為例，進(jìn)行分析。該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，為了理解此種方法的優(yōu)越性，需要對其進(jìn)行定義。

對于離散余弦反變換而言，進(jìn)行如下定義：

當(dāng)圖像像素矩陣變換后，所得頻域矩陣左上角具有最大的元素值，屬于直流分量，表示的是圖像的整體亮度平均值。剩余元素值逐步降低，中、低頻代表的是圖像平滑區(qū)域，高頻為圖像邊緣、復(fù)雜區(qū)域。如此可以利用雙離合變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）將其各特征區(qū)域進(jìn)行區(qū)別，并根據(jù)要求選取相應(yīng)區(qū)域嵌入水印。

2.3盲水印法

應(yīng)用過程中，很多情況下用戶希望自主進(jìn)行水印檢測，但原始數(shù)據(jù)難以獲得，此時(shí)需要利用盲水印算法進(jìn)行解決。下文通過實(shí)例，提出了一種通過圖像變換域上運(yùn)用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS），實(shí)現(xiàn)水印圖像的盲檢測的一種算法。該算法所選擇的是二值圖像作為水印，由于其具有良好的魯棒性，能夠有效嵌入圖像中，并達(dá)到不可見等要求，因而近些年來應(yīng)用十分成熟。

（1）水印的生成。在該算法中，水印分別被嵌入經(jīng)小波分解的原始圖像水平、垂直細(xì)節(jié)分量中，確保了其尺寸小于原圖像的1/2。在算法中，選取二值圖像作為其水印圖，并將其轉(zhuǎn)換為像素值為0，1的圖像，經(jīng)自上而下、自左向右的掃描，轉(zhuǎn)換為0-1序列w。具體而言，原始圖像屬于N×M灰度圖像I，水印S屬于N×M二進(jìn)制樣本，且“0”和“1”的量一致。也就是：S=｛sIJ｝，i=｛0，1，…，N-l｝，j=｛0，1，…，M-1｝，sIJ=｛0，l｝。根據(jù)原始圖像將其劃分為大小均等的子集A、B。其中，A=｛vIJ|sIJ =1｝，B=｛vIJ|sIJ =0｝。

（2）水印嵌入。仍采用變換域法思想，以離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）方法為基礎(chǔ)，在原始圖像小波域上將水印成功嵌入，再利用IDWT取得水印圖像。在嵌入操作時(shí)，先生成了集合C=｛vIJ⊕k|vIJ∈A｝，再將集合B，C加以合并，得到了水印化圖像I=C∪B。由于k值足夠小，因而可以確保視覺的不可見性。任取其中一行向量作為水印向量，另一個(gè)作為密鑰向量。最終獲取水印、密鑰向量作為新分量，結(jié)合偽隨機(jī)序列將其置于原小波分量中，并對其進(jìn)行重構(gòu)，分別獲取水印、密鑰圖像。

（3）水印提取。在嵌入中，采用的是線性疊加方式，將其嵌入圖像中，也形成了相應(yīng)的線性瞬時(shí)混合模型，為獲取嵌入水印，通過盲源分離進(jìn)行水印提取。本文采用的是自然梯度算法，將水印、密鑰圖像分別進(jìn)行小波分解，獲取低、高頻子帶。在高頻子帶中，選擇水平、垂直兩大分量作為待選區(qū)間。并輸入密碼獲得偽隨機(jī)序列，利用該序列獲取待選區(qū)間中的分量系數(shù)，這樣，水印、密鑰分量系數(shù)共同構(gòu)成觀察信號。經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)規(guī)則訓(xùn)練獲取分離矩陣W，其中一個(gè)是水印向量，將兩大行向量均從一維序列轉(zhuǎn)換為二維圖像，經(jīng)過兩幅圖像內(nèi)容的判斷，獲取水印圖像，通過水印后處理，得到較好的圖像質(zhì)量。

（4）魯棒性實(shí)驗(yàn)。本文選取256×256灰度圖作為原始圖，水印化圖像為64×64二值圖。原始圖像通過小波分解，獲取水印圖像，嵌入強(qiáng)度為0.05。圖1為多次運(yùn)算中每一次提取出的水印圖像。

圖1　水印嵌入效果

根據(jù)圖1（a）和圖1（b），原始圖和水印化圖幾乎無差別，已經(jīng)達(dá)到了不可見性等的要求。實(shí)驗(yàn)顯示，水印提取時(shí)每次運(yùn)算所得圖像的質(zhì)量并不一致。甚至得到與原始水印圖反色的圖像，需要將所求得像素值取絕對值恢復(fù)為同原始水印相同的黑底、白字。圖像質(zhì)量存在降低現(xiàn)象，由于水印圖像的二值性，可將其反色問題忽略。通過進(jìn)行魯棒性測試，對水印化圖像進(jìn)行處理，考察借助于算法嵌入的魯棒性強(qiáng)弱，經(jīng)加噪、剪切、灰度調(diào)整、JPEG壓縮和縮放等一系列處理，得到最終的水印圖像。結(jié)果顯示，該算法具有較好的魯棒性，且能夠嵌入較大信息量，滿足了盲水印方案的具體要求。

3　結(jié)語

在數(shù)字圖像水印算法中，空域法是一種最早的算法，具有簡單、隱藏量大等優(yōu)勢。但是，在圖像壓縮、處理中魯棒性能較差，更多的用于無過多處理的圖像中。變換域法具有良好的魯棒性，但是變換、反變換所需計(jì)算時(shí)間長，操作不易。對于穩(wěn)健性攻擊而言，往往需要利用嵌入模板水印傅里葉變換（Discrete-Fourier Transform，DFT）信息對其進(jìn)行抗旋轉(zhuǎn)操作，而可以抵抗此類操作的水印算法仍是當(dāng)前該領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是研究的熱點(diǎn)。

［1］易開祥，王鐵，石教英.基于DCT域的自適應(yīng)二維數(shù)字水印系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（8）：112-115.

［2］茅耀斌，卓成春，王執(zhí)銼，等.一種基于人眼視覺特性的圖像水印方案［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（8）：232-234.

Research and implementation of digital image watermark algorithm

Jin Can
（Hunan University of Arts and Science， Changde 415000， China）

The arrival of the network era along with the rapid development and wide application of digital multimedia technology have greatly facilitated people’s daily life. At the same time， the voice of the digital products copyright protection is also getting higher and higher. As a modern data technology of copyright protection and authentication， digital image watermark technology has become the focus of research in the current academic field， with a very important practical significance and large application prospects. Based on the characteristics of digital watermark technology， this paper discusses several important algorithms of digital image watermark for reference.

digital watermarking； copyright protection； algorithm

湖南文理學(xué)院青年啟動項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：圖像數(shù)字水印算法和數(shù)字水印協(xié)議研究；項(xiàng)目編號：QNQD1204。湖南省教育廳科研基金項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于DWT和SVD的魯棒數(shù)字水印技術(shù)研究；項(xiàng)目編號：14C0793。

金燦（1984— ），男，湖北通城；研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，圖像處理。