基于離散余弦變換的圖像半盲水印技術(shù)研究

姚軍財(cái)

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

數(shù)字水印技術(shù)是近些年來(lái)興起的前沿研究領(lǐng)域，得到了普遍地關(guān)注和廣泛地應(yīng)用。它是將特定的信息嵌入到數(shù)字媒體中，通過(guò)提取隱藏的水印信息以確認(rèn)內(nèi)容的真實(shí)性，達(dá)到版權(quán)保護(hù)、隱秘通信和信息防偽等目的［1－3］。

數(shù)字水印技術(shù)從正式提出到現(xiàn)在，在短短數(shù)年的時(shí)間內(nèi)已引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外已做了大量的研究。當(dāng)前圍繞數(shù)字水印技術(shù)尚待深入解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何更好的保證水印的不可感知性、穩(wěn)健性、安全性與水印容量之間的平衡［4－9］。半盲水印技術(shù)是指在水印信息提取時(shí)需要部分原始水印信息的一種水印算法。本文結(jié)合Arnold置亂和頻譜系數(shù)相關(guān)性檢測(cè)方法，提出了一種基于離散余弦變換域相關(guān)性檢測(cè)的半盲水印方案。并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和攻擊測(cè)試，結(jié)果表明:從直觀上看，人眼幾乎不能分辨出含水印圖和原始圖之間的差異，從客觀上，各個(gè)大小嵌入量的含水印圖的峰值信噪比均超過(guò)30 dB，當(dāng)嵌入強(qiáng)度k=2.5時(shí)，在不影響人眼觀測(cè)效果前提下最大限度地實(shí)現(xiàn)了水印的嵌入量;攻擊測(cè)試結(jié)果表明嵌入的水印信息具有較好的穩(wěn)健性。綜合結(jié)果表明提出的水印方案能夠較好的保證水印的不可感知性、穩(wěn)健性和水印容量之間的平衡，是一種較好的水印技術(shù)。

1 基于離散余弦變換的數(shù)字圖像半盲水印技術(shù)方案

半盲水印是一種在水印提取時(shí)需要部分原始水印信息的水印技術(shù)。提出的基于離散余弦變換的圖像半盲水印技術(shù)方案在水印提取時(shí)需要源水印圖像的大小信息，詳細(xì)的水印方案描述如下。

1.1 水印信息的Arnold變換置亂

在嵌入水印之前加入Arnold變換能夠更好地提高水印的安全性。由于圖像是二維信息，在水印圖像置亂時(shí)必須采用二維Arnold變換。記大小N×N像素的水印圖像為 f(x，y)，則其 Arnold 變換公式為［1］

(x'，y')表示水印圖像經(jīng)Arnold變換后對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)(x，y)在矩陣中的坐標(biāo)。在對(duì)水印圖像矩陣做置亂處理時(shí)，若執(zhí)行Arnold變換的置亂次數(shù)為n，則將n作為密鑰;由于Arnold變換具有周期性，記其周期為T(mén)，則在做逆置亂處理時(shí)，對(duì)提取的水印信息執(zhí)行T－n次變換便可恢復(fù)得到水印圖像。

1.2 嵌入算法

分為5步敘述:

1)將原始圖像分成8×8大小的子塊。對(duì)每一子塊圖像進(jìn)行離散余弦變換。

2)采用Arnold變換對(duì)水印圖像進(jìn)行置亂，置亂次數(shù)以主觀認(rèn)為雜亂無(wú)章為標(biāo)準(zhǔn)，可結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自主設(shè)定。

3)利用rand函數(shù)產(chǎn)生兩個(gè)不相關(guān)的偽隨機(jī)序列A和B，并設(shè)定一個(gè)密鑰key。由于在水印嵌入和提取時(shí)使用相同的偽隨機(jī)序列，密鑰key可用來(lái)產(chǎn)生特定的偽隨機(jī)序列。

4)對(duì)于圖像的離散余弦變換，在圖像技術(shù)的實(shí)際操作中，一般把變換域的零點(diǎn)平移到中心位置，則變換域頻譜系數(shù)具有對(duì)稱性，即嵌入水印時(shí)采用對(duì)稱嵌入。嵌入方法描述如下:當(dāng)水印經(jīng)過(guò)n次置亂后，若水印矩陣某一元素為0時(shí)，則在嵌入水印時(shí)，將其中一個(gè)偽隨機(jī)序列(A或B)與源圖像子塊的變換域頻譜系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的元素進(jìn)行乘性疊加，若其元素為1時(shí)，則用另一個(gè)偽隨機(jī)序列(B或A)與頻譜系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的元素進(jìn)行乘性疊加。嵌入方法表示為

式中:block(i，j)是經(jīng)過(guò)離散余弦變換的子塊元素;k是嵌入強(qiáng)度;pn_sequence(ll)為產(chǎn)生的兩個(gè)不相關(guān)偽隨機(jī)序列之一。在水印嵌入時(shí)，由于低頻部分保留著圖像的主要信息，為了能夠較好地保證含水印圖像的透明性，水印信息選取每個(gè)子塊的中頻和高頻部分進(jìn)行嵌入。

5)對(duì)修改了頻譜系數(shù)的子塊進(jìn)行逆離散余弦變換，獲得含水印圖像。從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。水印嵌入流程圖如圖1所示。

圖1 水印嵌入流程圖

1.3 提取算法

分為4步敘述:

1)將含水印圖像分成8×8大小的子塊圖像，并對(duì)每一子塊進(jìn)行離散余弦變換。

2)使用與嵌入水印時(shí)相同的密鑰key，產(chǎn)生兩個(gè)不相關(guān)的偽隨機(jī)序列，則可產(chǎn)生兩個(gè)與嵌入時(shí)相同的偽隨機(jī)序列。

3)計(jì)算含水印圖像子塊的頻譜系數(shù)與兩個(gè)偽隨機(jī)序列之間的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)r計(jì)算公式為

4)用Arnold變換將水印矩陣進(jìn)行逆置亂，得到提取的水印信息。水印提取流程如圖2所示。

圖2 水印提取流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的水印嵌入和提取方案，編程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的原始圖像為256×256像素大小的灰度Cameraman圖像，水印圖像為32×32像素大小的二值圖像，如圖3所示。為了定量分析提取水印與原始水印的相似性，可采用歸一化互相關(guān)函數(shù)(NC)來(lái)表示，NC越趨近于1，表明兩者越相似。評(píng)價(jià)含水印圖像和原始圖像之間的差別一般采用峰值信噪比(PSNR)來(lái)定量描述，PSNR越大，表示二者之間的差異越小，一般當(dāng)PSNR值大于30 dB時(shí)，人眼幾乎不能分辨其差異［10－13］。實(shí)驗(yàn)選取不同的嵌入強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。計(jì)算其NC和PSNR值，如表1所示。

表1 不同嵌入強(qiáng)度k下的峰值信噪比、歸一化相關(guān)系數(shù)值

2.2 攻擊測(cè)試及結(jié)果

圖3 嵌入強(qiáng)度為0.7和2.5的水印嵌入和提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖像水印技術(shù)中，檢驗(yàn)水印好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一是水印是否具有較好的抗攻擊性，在圖像技術(shù)中常見(jiàn)的攻擊有壓縮和剪切等。對(duì)嵌入強(qiáng)度為1.1的含水印圖像進(jìn)行不同質(zhì)量因子(QF)的壓縮和不同位置的剪切攻擊，然后提取其水印信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。計(jì)算其NC和PSNR值，如表2與表3所示。

圖4 不同質(zhì)量因子壓縮攻擊測(cè)試結(jié)果

表2 不同質(zhì)量因子壓縮攻擊后的PSNR和NC值

表3 不同剪切攻擊后的PSNR和NC值

3 討論

圖5 不同方位剪切攻擊與測(cè)試結(jié)果

從表1的計(jì)算結(jié)果和圖3的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):1)從主觀上，人眼幾乎不能分辨出含水印圖與原始圖以及提取的水印圖與原始水印圖之間的差異，從客觀上，峰值信噪比均大于30 dB，表明含水印圖具有較好的透明性。2)表1中的數(shù)據(jù)是對(duì)不同嵌入量k的水印結(jié)果，從數(shù)據(jù)上表明PSNR隨著k值的增加而減小，而NC值隨著其增加而增加;當(dāng)k值達(dá)到2.5時(shí)，PSNR 為30.4892 dB，人眼一般對(duì)PSNR低于30的含水印圖能夠分辨其差異，且越低越容易分辨，則為了保證含水印圖的不可感知性，當(dāng)k值達(dá)到2.5時(shí)，水印的嵌入量達(dá)到最大。

從表2、表3的計(jì)算結(jié)果和圖4、圖5的攻擊測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):1)含水印圖經(jīng)不同壓縮質(zhì)量因子壓縮后與原始圖像之間的峰值信噪比均超過(guò)30 dB以上，相似度在QF為45%時(shí)仍能達(dá)到0.6637，從直觀上看，提取的水印圖仍清晰可見(jiàn)。2)對(duì)于不同方位的剪切，峰值信噪比均在30 dB左右，相似度均超過(guò)0.8，從提取的水印圖上看，除剪切部位有些損壞外，其余均比較清晰。以上表明提出的水印方案具有較好的抗壓縮和剪切攻擊的能力。

4 結(jié)論

圖像信息隱藏技術(shù)是目前社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，數(shù)字水印是近些年研究信息隱藏的熱點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合Arnold置亂和頻譜系數(shù)相關(guān)性檢測(cè)方法，提出了一種新的基于離散余弦變換域頻譜系數(shù)相關(guān)性檢測(cè)的半盲水印方案。方案通過(guò)嘗試不同嵌入強(qiáng)度的仿真實(shí)驗(yàn)，表明在嵌入強(qiáng)度為2.5時(shí)達(dá)到最大嵌入量，且峰值信噪比超過(guò)30 dB和相似度均達(dá)0.9989的理想結(jié)果。且通過(guò)攻擊測(cè)試，從主觀和客觀上分析，均表明提出的水印方案具有較好的穩(wěn)健性。綜合仿真實(shí)驗(yàn)和攻擊測(cè)試結(jié)果，表明提出的水印方案對(duì)保證水印的不可感知性、穩(wěn)健性和水印容量之間的平衡起到了較好的作用。希望為圖像技術(shù)、包裝印刷和信息隱藏等技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。

［1］楊先義，鈕心忻.數(shù)字水印理論與技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］張曉娣，劉貴忠，曾召華，等.JPEG2000圖像壓縮編碼系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.電視技術(shù)，2001，25(8):13－17.

［3］王志偉，朱長(zhǎng)青，殷碩文，等.一種基于DFT的DEM自適應(yīng)數(shù)字水印算法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2010，15(5):796－801.

［4］傅德勝，孫文靜.一種基于人眼視覺(jué)特性和小波變換域的圖像數(shù)字水印技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35(11):203－206.

［5］黃繼武，SHI Y Q.DCT域圖像水印:嵌入對(duì)策和算法［J］.電子學(xué)報(bào)，2000，28(4):57－60.

［6］肖亮，韋志輝，吳慧中.一種利用人眼視覺(jué)掩蓋的小波域數(shù)字水?。跩］.通信學(xué)報(bào)，2002，23(3):100－106.

［7］申靜.一種利用人眼視覺(jué)特性的數(shù)字圖像水印技術(shù)［J］.液晶與顯示，2011，26(2):234－240.

［8］姚軍財(cái)，申靜.CRT顯示器顯示圖像對(duì)比度的研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(1):45－47.

［9］陳冠雄，姚志強(qiáng).一種基于量化方法的3D模型盲水印算法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2009，31(12):2963－2968.

［10］王寶珠，陳麗英，齊莉.基于人類視覺(jué)特性的彩色圖像水印算法研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(5):30－36.

［11］NADENAU M.Integration of human colour vision models into high quality image compression［D］.Lausanne，Switzerland:école Polytechnique Fédérale de Lausanne，2000.

［12］牛夏牧，陸哲明，孫圣和.彩色數(shù)字水印嵌入技術(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，2000，28(9):10－13.

［13］YAO Juncai.Measurements of human vision contrast sensitivity to opposite colors using a cathode ray tube display［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56(23):2425－2432.