二值數(shù)字水印的嵌入和提取

劉艷華

（鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

隨著Internet的普及，圖像在數(shù)字媒體或互聯(lián)網(wǎng)上散布時(shí)，可被無(wú)誤差的重復(fù)復(fù)制，圖像所有者的權(quán)利有可能受到侵害，信息的安全保護(hù)問(wèn)題日益突出。有效地防止數(shù)據(jù)的非法復(fù)制的方法之一就是把水印的信息插入到潛在的易受攻擊的圖像中，水印不能從圖像本身分離出來(lái)。數(shù)字水印的概念還可以擴(kuò)展到電視圖像和聲音等領(lǐng)域，數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)的重要手段而得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

數(shù)字水印（Digital Watermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)識(shí)信息（即數(shù)字水?。┲苯忧度霐?shù)字載體（包括多媒體、文檔、軟件等）當(dāng)中，但不影響原載體的使用價(jià)值，也不容易被人的知覺(jué)系統(tǒng)（如視覺(jué)或聽覺(jué)系統(tǒng)）覺(jué)察或注意到。通過(guò)這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。簡(jiǎn)單的可見水印處理在空間域執(zhí)行。不可見水印是裸眼看不見的，需要使用一個(gè)合適的解碼算法進(jìn)行恢復(fù)。水印處理的目的是在圖像上添加數(shù)據(jù)信息，水印本身可以是可見的或不可見的。

本文介紹的數(shù)字圖像水印處理，是把二值數(shù)據(jù)插入到一副圖像中以對(duì)圖像構(gòu)成保護(hù)。由于MATLABm語(yǔ)言是一種非常簡(jiǎn)單高效、功能極強(qiáng)的編程語(yǔ)言，許多復(fù)雜的問(wèn)題在MATLAB中很容易實(shí)現(xiàn)。本文基于頻域的DCT（離散余弦變換）數(shù)字水印算法過(guò)程，詳細(xì)介紹用MATLAB實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入和提取的方法。

1 數(shù)字水印技術(shù)

從信號(hào)處理的角度看，在載體圖像中嵌入數(shù)字水印可以視為在強(qiáng)背景（即原始圖像）下疊加一個(gè)視覺(jué)上看不到的弱信號(hào)（水?。捎谌说囊曈X(jué)系統(tǒng)（Human Visual System，HVS）分辨率受到一定的限制，只要疊加信號(hào)的幅度低于HVS的對(duì)比度門限，HVS就無(wú)法感覺(jué)到信號(hào)的存在，因此，通過(guò)對(duì)載體對(duì)象作一定的調(diào)整，就有可能在不引起人感知的情況下嵌入一些信息。

1.1 數(shù)字水印嵌入的原理

圖1中的編碼器把水印wi嵌入到圖像fi中，產(chǎn)生加過(guò)水印的圖像fwi。

圖1 水印處理系統(tǒng)的編碼器

水印嵌入準(zhǔn)則分為加法準(zhǔn)則和乘法準(zhǔn)則，如式（1）和（2）所示：

α為強(qiáng)度因子，保證在水印不可見的前提下，盡可能提高嵌入水印的強(qiáng)度。α的選擇必須要考慮圖像的性質(zhì)和系統(tǒng)的視覺(jué)特性。

1.2 數(shù)字水印的提取和檢測(cè)原理

圖2中解碼器提取和驗(yàn)證加過(guò)水印的輸入fwi或沒(méi)有加過(guò)水印的輸入fi中水印wi的存在性。如果水印可見，不需要解碼器，如果水印不可見，解碼器可能需要也可能不需要fi和wi的拷貝去做提取和驗(yàn)證工作。但將水印技術(shù)用于圖像的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和傳播時(shí)，如果檢測(cè)時(shí)需要使用原始圖像則是個(gè)缺陷，因此，當(dāng)前大多數(shù)的水印檢測(cè)算法不需要原始圖像的參與。

圖2 水印處理系統(tǒng)的解碼器

2 DCT數(shù)字圖像水印算法

2.1 二值水印的嵌入算法

水印信息選擇二值化的灰度圖像，嵌入系數(shù)根據(jù)水印圖像的二值性進(jìn)行選擇，首先將原始圖像分成8×8的子塊，然后將數(shù)字水印的灰度值直接植入到原始二值灰度圖像DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：

設(shè)X是M*N大小的原始圖像,W是水印圖像，大小為P*Q，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍。把水印W加載到圖像X中，算法分以下幾步進(jìn)行：

（1）將 X 分解為(M／8)*(N／8)個(gè) 8*8 大小的方塊 BX（m,n），同時(shí)，將 W 也分解為(M／8)*(N／8)個(gè)(8·P／M)*(8·Q／N)大小的方塊 BW（m,n）,1≤m≤M／8,1≤n≤N／8。

（2）對(duì)每一個(gè) BX（m,n）進(jìn)行 DCT 變換：DBX′(m,n)=DCT(BX(m,n))。

（3）對(duì)每一個(gè) DBX′(m,n)和 BW（m,n），si為從 DBX′(m,n)的中頻選出的加載的位置,1≤i≤(8·P/M)*(8·Q/N),ti為水印 BW(m,n)的位置坐標(biāo) 1≤i≤(8·P/M)*(8·Q/N)。 DBX″(m,n)(si)=α*BW(m,n)(ti)，其中 α 是加權(quán)系數(shù)，用DBX″(m,n)(si)來(lái)代替DBX′(m,n)(si)得到加載水印后的圖像。

（4）對(duì)以上得到的每一個(gè)DBX″(m,n)進(jìn)行逆DCT變換：IDBX(m,n)=IDCT(DBX″(m,n))。并將各方塊IDBX(m,n)合并為一個(gè)整圖X′，即加載了水印的新圖像。

2.2 二值水印的提取算法

設(shè)圖像X′為已經(jīng)加載了水印的載體圖像。現(xiàn)要將所加載的水印從X′中提取出來(lái)。其過(guò)程為上述加載水印算法的逆運(yùn)算：

（1）將 X′分為(M/8)*(N/8)個(gè) 8×8 大小的方塊 BX′(m,n)，1≤m≤ M/8，1≤n≤N/8。 （2）對(duì)每一個(gè) BX′(m,n)進(jìn)行二維 DCT 反變換：BX(m,n)=iDCT(BX′(m,n))。

（3）對(duì)每一個(gè) BX(m,n)，按照式 BW(m,n)(ti)=1/α*BX(m,n)(si)得到BW(m,n)。將上面得到的所有BW(m,n)合并成一個(gè)整圖W 。

3 MATLAB實(shí)現(xiàn)

下面以256*256的灰度圖像作為原始圖像，以32*32的二值圖像作為水印圖像，來(lái)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入與提取。

運(yùn)行得到結(jié)果如圖3。

圖3 水印的嵌入提取結(jié)果

增加強(qiáng)度因子為0.08，結(jié)果如圖4，水印已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)。

圖4 增加強(qiáng)度因子后嵌入和提取結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

從仿真結(jié)果可以看出，嵌入水印信息后，強(qiáng)度因子選取合適值，原圖與嵌入水印信息后的圖像在視覺(jué)效果上沒(méi)有明顯分別，用肉眼幾乎分辨不出，所以強(qiáng)度因子的選取要充分利用利用人眼的視覺(jué)特性。利用DCT域嵌入水印后，圖像在嵌入水印前后可以做到視覺(jué)效果改變不大，不影響圖像的正常使用。

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