一種基于HVS的空域分塊數(shù)字水印技術(shù)

劉挺

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及，多種數(shù)字終端的大量應(yīng)用，使得人們生活中到處充滿著各種各樣的數(shù)字信息。數(shù)字信息以其傳播迅速、費(fèi)用低廉、復(fù)制簡(jiǎn)單、制作方便、傳播區(qū)域廣的特點(diǎn)，方便我們使用的同時(shí)，數(shù)字信息安全性的關(guān)注也更加突出。數(shù)字水印技術(shù)中大量的借鑒了傳統(tǒng)密碼學(xué)和通信學(xué)中隱藏術(shù)的研究，再與現(xiàn)代各種數(shù)字技術(shù)相融合，體現(xiàn)了數(shù)字水印作為一門新技術(shù)的特點(diǎn)。

根據(jù)數(shù)字水印嵌入數(shù)字載體區(qū)域的不同，又分為空域水印和頻域水印。空間域算法通常簡(jiǎn)單易操作，水印嵌入量較大，抵抗外部幾何攻擊能力強(qiáng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但抵抗壓縮、噪聲、濾波等攻擊方面，效果較差。

1 數(shù)字水印與HVS

HVS（Human Visual System）指人類的視覺(jué)系統(tǒng)。人們的視覺(jué)感官對(duì)周圍事物的察覺(jué)敏感性的差異，會(huì)隨著環(huán)境的不同，視覺(jué)敏感性差異很大。這種變化是與人類視覺(jué)自身的生理結(jié)構(gòu)相關(guān)的。

大量的研究發(fā)現(xiàn)，HVS對(duì)于事物各種的顏色敏感性，也有差異。大自然中不同顏色，我們都可由紅、綠、藍(lán)3種顏色調(diào)配而成，稱之為“3基色原理”。我們目前在生活中所用到的數(shù)字影像幾乎都為彩色的，因而本文中選用的水印載體圖像均為彩色的，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合實(shí)際運(yùn)用。對(duì)于彩色影像來(lái)說(shuō)，其任一個(gè)像素都可以由 R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）3 種顏色表示。根據(jù)HVS人類視覺(jué)系統(tǒng)針對(duì)各種色彩的敏感度不同，在數(shù)字圖像的不同位置，調(diào)整嵌入的水印信息，可極大提高嵌入水印的圖像質(zhì)量。大量的相關(guān)實(shí)踐證明，彩色圖像顏色的權(quán)值比例系數(shù)分別為 R：G：B=2：1：4 時(shí)[1]，含數(shù)字水印的彩色圖像的效果較好。本文在載體圖像的顏色B（藍(lán)色）分量中，嵌入水印信息，調(diào)整各種顏色的權(quán)值，使加載數(shù)字水印后的圖像質(zhì)量，有很好的不可感知性，不易被察覺(jué)。

2 基于分塊的空域水印

空域水印算法思想是指在數(shù)字水印載體的顏色灰度值中，隱藏加載數(shù)字水印信息。這種水印技術(shù)簡(jiǎn)單，易操作實(shí)現(xiàn)，但抵御外部對(duì)水印攻擊能力差，易造成水印信息的丟失。為了提高水印信息的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，使其具有更強(qiáng)的抵御外部攻擊能力，本文提出了一種基于分塊思想的空間域水印算法。在數(shù)字水印載體圖像中，把載體數(shù)字信息進(jìn)行分塊，按不同區(qū)域重復(fù)嵌入水印信息，加載后的水印信息分布兼顧數(shù)據(jù)的集中與分散特點(diǎn)。嵌入的數(shù)字水印越分散，其加載后不可見(jiàn)性就越好，抵抗缺損、變形的外部攻擊的能力更強(qiáng)；數(shù)字水印在載體信息中的重復(fù)率越高，其強(qiáng)度就會(huì)越高，抗外部攻擊能力整體就強(qiáng)[2-7]；嵌入水印信息的局部重復(fù)率越高，根據(jù)幾何里旋轉(zhuǎn)中質(zhì)心不變的特性，加載后的水印信息局部穩(wěn)定性強(qiáng)，因而在實(shí)際中抵御旋轉(zhuǎn)等攻擊的能力更加明顯。

圖1 水印的嵌入Fig.1 Watermarking imbedding

數(shù)字水印的提取算法如圖2所示。數(shù)字水印信息提取時(shí)，含水印的載體圖像經(jīng)常會(huì)受到外部環(huán)境的影響，發(fā)生一些形變或遭受一定程度的攻擊破壞，使得水印載體圖像信息不全。我們?cè)谒⌒畔⑶度霑r(shí)，因?yàn)橛卸鄠€(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)，采用“多數(shù)原則”的思想，進(jìn)行水印的提取，統(tǒng)計(jì)分析水印的像素點(diǎn)值；最后，匯集統(tǒng)計(jì)出來(lái)的水印信息數(shù)據(jù)，就可恢復(fù)出水印圖像信息。

圖2 水印的提取Fig.2 Watermarking extracting

3 水印的嵌入

本文水印算法，具體步驟為：

1）將彩色水印載體圖像（M×M），分解為紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）3個(gè)灰度圖像。根據(jù)HVS特性，分別設(shè)置顏色權(quán)值為紅色為0.12，綠色為0.03，藍(lán)色為0.12。

3）量化處理水印信息。水印像素點(diǎn)值除以設(shè)定的量化步長(zhǎng)值，再取整。

4）水印信息的嵌入。

式（1）中 w′x，y含數(shù)字水印的像素點(diǎn)值， wx，y為水印像素點(diǎn)值， 為步長(zhǎng)值，λ為數(shù)字水印量化后的像素點(diǎn)值。

5）在同一數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，重復(fù)嵌入同一個(gè)數(shù)字水印信息。

6）遍歷每一個(gè)的數(shù)據(jù)塊，分別嵌入不同的水印像素值，最后得到含水印信息二維灰度圖像。

7）三色疊加，重構(gòu)出嵌入水印的彩色圖像。

4 水印的提取

其操作過(guò)程為：

1）分解含水印圖像為紅、綠、藍(lán) 3個(gè)二維灰度圖像。

2）把藍(lán)色灰度圖像分解為不重復(fù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，數(shù)據(jù)區(qū)域的大小為藍(lán)色灰度圖像的尺寸除以水印圖像大小，得到的數(shù)據(jù)取整數(shù)，再平方。

3）分別對(duì)某一數(shù)據(jù)區(qū)域的像素點(diǎn)值進(jìn)行量化處理：像素點(diǎn)值除以量化步長(zhǎng)值，對(duì)其取整數(shù)，得到數(shù)據(jù)?′。4）提取出所對(duì)應(yīng)的水印信息像素點(diǎn)值。

式（2）中 w′x，y為提取出的水印信息值， ?′為量化后水印的值。

5）重復(fù)步驟4，得到同一數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)多個(gè)數(shù)字水印值，依據(jù)“少數(shù)服從多數(shù)原則”確定提取的單個(gè)水印信息。

6）遍歷每一個(gè)的數(shù)據(jù)區(qū)域，重復(fù)步驟3-5，最后得到還原后的數(shù)字水印信息圖像。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用MATLAB 7.0進(jìn)行仿真，水印載體選用的baboon.bmp（512×512）彩色 RGB 圖像，數(shù)字水印為二值圖像（64×64）；強(qiáng)度參數(shù)為4.43，嵌入水印后載體圖像的PSNR為32.638 9＞30，表明載體透明性較好，水印信息不易察覺(jué)。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

6 結(jié)束語(yǔ)

文中的空域水印在剪切、旋轉(zhuǎn)、椒鹽噪聲的攻擊下，抗攻擊能力強(qiáng)；空域算法是基于塊分解的，有突出的抗擊旋轉(zhuǎn)能力；空域水印算法為盲水印算法，提取簡(jiǎn)單，不需原圖像，速度快。

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