一種基于DTT的水印嵌入和提取算法

曾少杰，馬瑞虹，李燕紅，杜曉玲

，521041

林煥新，洪遠(yuǎn)桐，彭偉賢，姚曉丹 （韓山師范學(xué)院數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系 廣東潮州 ）

胡能發(fā) （韓山師范學(xué)院信息工程教學(xué)部，廣東 潮州521041）

當(dāng)今，以Internet引領(lǐng)的網(wǎng)絡(luò)化信息時(shí)代方便了全民的信息文化交流和獲取，而作為信息版權(quán)擁有者來說，保護(hù)好自己的版權(quán)極為重要。傳統(tǒng)的加密技術(shù)［1］在數(shù)據(jù)的傳輸過程中起到了一定的保護(hù)作用，但一旦信息內(nèi)容被解密，作者的信息則會輕易被篡改或偽造。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)加密系統(tǒng)的不足，1993年Caronni正式提出了新興的信息安全技術(shù)［2］——數(shù)字水印。這一更安全的加密技術(shù)引起了國內(nèi)外各專家對數(shù)字水印研究的關(guān)注。1998年，美國政府報(bào)告中出現(xiàn)了第一份有關(guān)圖像數(shù)據(jù)隱藏的AD報(bào)告［3］。1999年12月我國信息安全領(lǐng)域何德全院士、蔡吉人院士、周仲義院士等聯(lián)合發(fā)起召開了我國第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會。2006年在哈爾濱召開的第六屆全國信息隱藏暨多媒體信息安全學(xué)術(shù)研討會（CIHW），標(biāo)志著我國與國際信息隱藏技術(shù)的同步。數(shù)字水印作為信息隱藏的一個(gè)重要分支，如何完善數(shù)字水印的魯棒性、真?zhèn)舞b別、版權(quán)證明、網(wǎng)絡(luò)快速自動驗(yàn)證以及音頻和視頻水印等以更好地保護(hù)版權(quán)這一問題，已經(jīng)成為眾多專家所研究重要的方向。

1 數(shù)字水印典型算法

水印的嵌入算法有變換域脆弱水印算法和空域脆弱水印算法［4］。其中，變換域脆弱水印算法又包括離散傅里葉變換 （DFT）和離散小波變換 （DWT）。

1.1 離散傅里葉變換

離散傅里葉變換是數(shù)字媒體處理中一種很常用的正交變換，可分為一維和二維的離散傅里葉變換，是在變換域內(nèi)利用圖像的傅里葉變換的相位或幅值，從而嵌入水印信息。調(diào)幅信號抗干擾的能力沒有調(diào)相信號的抗干擾能力好。同理，在變換域中，圖像中利用相位調(diào)制嵌入水印信息比幅值調(diào)制的魯棒性效果也會更好；但離散傅里葉變換的水印算法的抗攻擊能力較弱，特別是抗壓縮能力，一旦嵌入容量過大的水印信息，遇到攻擊的圖像質(zhì)量會迅速下降［5］。

1.2 離散小波變換

離散小波變換［6］是一種時(shí)頻局部化的變換方法，是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的。其局部化格式隨時(shí)頻自動變換，小波變換是多分辨率的變換，這有利于提取各分辨度的不同特征；由于小波變換具有良好的抗壓縮性和多分辨率分解特性等優(yōu)點(diǎn)，這使得基于小波變換的數(shù)字水印算法在物理和幾何攻擊下不易失真。

2 離散正切變換 （DTT）的水印嵌入和提取算法

在水印嵌入的過程中，為了更好地利用壓縮域的特點(diǎn)，筆者提出了一種基于離散正切變換DTT域的自適應(yīng)水印算法。

2.1 水印的嵌入過程

離散正切變換 （DTT）的水印嵌入過程總體思想是對載體圖像進(jìn)行預(yù)處理，用DTT變換把圖像從空間域變換到DTT域，然后將DTT值的中頻系數(shù)作為水印信息嵌入到二值圖像，最后將所得到的結(jié)果進(jìn)行DTT變換，合并圖像，即可得到嵌入水印的圖像。

1）水印圖像的預(yù)處理 由于載體圖像是三維圖像，而DTT算法只適合于二維圖像，為了消除二維圖像W 的像素空間相關(guān)性，同時(shí)為了保護(hù)水印的完整性，則必須先對二維水印圖像進(jìn)行預(yù)處理。

2）水印圖像的分割 將原始圖像分解為互不覆蓋的8×8的塊圖像。分塊是基于紋理掩蔽特定的塊分類。選取子塊中方差最大的n塊計(jì)算子塊的平均灰度m和方差S2：

式中，x（i，j）表示圖像（i，j）點(diǎn)的灰度值。

方差值S2的大小反映了塊的平滑程度，方差值越大表示塊的紋理區(qū)域越復(fù)雜。為了保證原始圖片和嵌入水印后的圖像之間的相似感知性，提高水印的掩蔽性，水印圖像應(yīng)當(dāng)被嵌入到方差值較大的紋理復(fù)雜區(qū)域。

3）DTT變換 借助于二維DTT，將圖像看成一個(gè)M×N的矩陣，從空間域（即m，n平面）變換到DTT域 （即z平面）。根據(jù)水印圖像的具體信息，隨機(jī)選取M×N個(gè)圖像塊進(jìn)行DTT變換：

4）DTT的逆變換 依據(jù)系統(tǒng)密鑰在DTT中頻嵌入隨機(jī)序列，通過子塊的DTT逆變換生成含水印的圖像。其公式如下：

最后合并圖像塊，這樣水印的嵌入過程就完成了。

2.2 水印的提取過程

水印提取過程就是水印嵌入過程的逆運(yùn)算，過程如下：

步1 在DTT域中，對原始圖像和待測圖像進(jìn)行求差運(yùn)算，比較相關(guān)性。

步2 根據(jù)步1的結(jié)果確定水印嵌入的紋理塊，經(jīng)過DTT變換確定水印的嵌入位置。

步3 提取嵌入水印的圖像塊，然后取出嵌入位置的水印信息，得到一維水印序列。

步4 合并步3中得到的所有水印序列，重新組合成二維水印恢復(fù)圖像。

這樣就可以完成水印的提取過程。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用的原始圖像為512×512的圖像，水印圖像采用32×32的二值圖像，結(jié)果如圖1所示。先將圖片按8×8分塊后進(jìn)行量化等操作。在保證不影響水印魯棒性的前提下選擇每塊的中頻的系數(shù)將水印信息進(jìn)行DTT變換嵌入。用Matlab軟件嵌入的水印版權(quán)信息為“洪遠(yuǎn)桐”。嵌入數(shù)字水印信息的圖像在視覺效果上并沒有變得模糊，具有較高的不可感知性，而且，在沒有受到干擾等情況下，人眼分辨不出原始圖像與被嵌入水印信息的圖像之間的差異。再將待測圖片分割8×8分塊，與原始圖片做相應(yīng)的運(yùn)算，并進(jìn)行提取水印信息處理。提取的水印如圖1（d）所示。結(jié)果表明，提取的水印的和原始水印變化不大，說明基于DTT變換算法的水印信息沒有失真。

圖1 離散正切變換 （DTT）算法試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

筆者提出了基于離散正切變換 （DTT）的水印嵌入和提取算法。通過對比提取水印后的圖像與原始圖像來評價(jià)系統(tǒng)的魯棒性。而且，該算法計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)。此外，使用離散正切變換 （DTT）指令可以更快地完成循環(huán)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，大大改善了數(shù)字水印算法處理圖像運(yùn)算大、循環(huán)次數(shù)多的缺陷。

［1］Delfs H，Knebl H.密碼學(xué)導(dǎo)引：原理與應(yīng)用 ［M］.肖國鎮(zhèn)，張寧譯 .北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［2］楊義先，紐心析，任金強(qiáng) .信息安全新技術(shù) ［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002.

［3］于鴻越 .基于小波變換的數(shù)字圖像水印技術(shù)研究 ［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［4］陳明奇，鈕心忻，楊義先 .數(shù)字水印的研究進(jìn)展和應(yīng)用 ［J］.通信學(xué)報(bào)，2001，22（5）：71－79.

［5］劉粉林，劉九芳，羅向陽 .數(shù)字圖像隱寫分析 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］黃昌軍 .變換域數(shù)字水印算法研究現(xiàn)狀及展望 ［J］.科教文匯 （下旬刊），2010（11）：67－74.