基于數(shù)字水印的西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)方法研究

化希耀 高賢強(qiáng) 陳立平

(1 塔里木大學(xué)西域文化研究院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學(xué)信息工程院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于數(shù)字水印的西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)方法研究

化希耀1高賢強(qiáng)2陳立平2

(1 塔里木大學(xué)西域文化研究院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學(xué)信息工程院， 新疆 阿拉爾 843300)

結(jié)合西域文化數(shù)字博物館發(fā)展需要，提出將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用到西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)中。首先詳細(xì)闡述了基于離散余弦變換的數(shù)字水印算法和基于小波變換的數(shù)字水印算法；仿真實(shí)驗(yàn)表明，兩種變換域數(shù)字水印算法都具有較好的透明性，對(duì)Jpeg壓縮、椒鹽噪聲、中值濾波和剪切等攻擊具有較強(qiáng)的魯棒性，且基于小波變換的數(shù)字水印算法穩(wěn)定性和魯棒性明顯優(yōu)于前者。本文可為今后進(jìn)一步開發(fā)西域文化博物館數(shù)字水印系統(tǒng)提供依據(jù)。

數(shù)字水印； 西域文化數(shù)字圖像； 版權(quán)保護(hù)； 離散余弦變換； 小波變換

1 引言

塔里木大學(xué)西域文化博物館自2002年建館以來(lái)，現(xiàn)已建立和制作西域研究文獻(xiàn)書庫(kù)、西域文化研究網(wǎng)站、“西域影像志”視頻庫(kù)、“人文塔里木”和“文化絲綢之路”等主題數(shù)字圖像庫(kù)，為更好的宣傳和保護(hù)西域文化發(fā)揮了巨大的作用[1]。隨著學(xué)校與對(duì)口支援高校共同啟動(dòng)的一系列“數(shù)字西域文化”研究項(xiàng)目的實(shí)施，西域文化博物館的數(shù)字化建設(shè)將更加完善，未來(lái)將會(huì)有更多的數(shù)字資源在網(wǎng)上發(fā)布、展示和共享。但數(shù)字化使博物館在更好地發(fā)揮其作用的同時(shí)，也會(huì)伴隨著被任意下載、編輯和篡改等版權(quán)保護(hù)問(wèn)題。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏的一個(gè)重要分支，它是在不影響數(shù)字產(chǎn)品使用的前提下，將版權(quán)信息嵌入到數(shù)字產(chǎn)品的冗余信息當(dāng)中，并且不易被人感知和察覺(jué)，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的[2]。數(shù)字水印技術(shù)自提出20多年以來(lái)，已經(jīng)在圖像、視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)庫(kù)等常規(guī)媒體方面都已經(jīng)開展了很多研究工作，并取得了較好的研究成果[3-6]。典型的數(shù)字水印算法有空域水印、變換域水印和壓縮域水印等，其中變換域水印是目前常的水印算法[7]。

本文以西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，研究和探討了西域文化數(shù)字圖像水印的生成、嵌入和提取方法，以期為西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)提供思路。首先介紹了Arnold置亂技術(shù)、基于離散余弦變換(DCT)的數(shù)字水印算法[8，9]、基于小波變換(DWT)的數(shù)字水印算法[10]和水印客觀評(píng)價(jià)方法，然后從西域文化圖像庫(kù)中選取5張圖像進(jìn)行水印嵌入、提取和魯棒性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種變換域數(shù)字水印算法都具有較好的透明性和魯棒性，且基于DWT變換的數(shù)字水印算法明顯優(yōu)于基于DCT變換的數(shù)字水印算法，本文為今后進(jìn)一步開發(fā)西域文化博物館數(shù)字水印系統(tǒng)提供了依據(jù)。

2 兩種變換域數(shù)字水印算法

2.1 Arnold置亂技術(shù)

置亂是一種圖像加密方法，是指通過(guò)某種變換重新排列圖像中像素的位置，使得原圖像的面目全非，從而達(dá)到圖像保護(hù)的目的。在數(shù)字水印中采用圖像置亂技術(shù)，一方面可以改變圖像的面貌，另一方面減少了圖像中像素的相關(guān)性，使得原來(lái)集中在一起相關(guān)性較高的像素分散到不同位置，這樣在水印提取時(shí)，不會(huì)因部分像素點(diǎn)的變化而影響整體效果，從而提高了水印的魯棒性[7]。本文采用了Arnold置亂技術(shù)對(duì)水印進(jìn)行預(yù)處理。Arnold變換，也叫貓臉變換，是V.J.Arnold在遍歷理論的研究中提出的一種變換[7]。Arnold變換的過(guò)程和算法描述為：

設(shè)有一個(gè)M階方陣，則采用Arnold變換后方陣中的元素位置變化滿足：x′=(x+y)modM,y′∈=(x+2y)modMx,y{0,1…，M-4}，其中,和x′和y′是變換前后的坐標(biāo)。

研究表明Arnold變換在經(jīng)過(guò)多次迭代變換后，可以恢復(fù)到初始值。所以在設(shè)計(jì)水印算法時(shí)，先將水印迭代變換m次進(jìn)行預(yù)處理，在水印提取時(shí)，再繼續(xù)迭代T-m次。

2.2 基于離散余弦變換的數(shù)字水印算法

2.2.1 離散余弦變換(DCT)

在圖像處理中常采用離散傅立葉變換(DFT)、離散余弦變換(DCT)和主成分變換(K-L)等變換，將圖像從空間域變換到頻率域，這樣可以在圖像的變換域進(jìn)行相關(guān)的操作[8]?；陔x散余弦變換的數(shù)字水印具有計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前在數(shù)字水印算法中采用較多的一種變換。

2.2.2 水印嵌入過(guò)程

圖1 水印的嵌入過(guò)程

設(shè)原始圖像為IMM×N，水印圖像為WMp×q。

2.2.2.1 采用Arnold置亂算法對(duì)二值水印圖像置亂m次，這樣可以減少水印信息的相關(guān)性。

2.2.2.2 將原始M×N的圖像分割成M/8×N/8個(gè)8×8分塊，Bloki，j1≤i≤M/8，1≤j≤N/8。

2.2.2.5 最后將反變換后的分塊組合成新的圖像。

2.2.3 水印提取過(guò)程

圖2 水印的提取過(guò)程

2.2.3.1 將帶水印的圖像IMM×N′和原始圖像IMM×N分別分割成若干個(gè)8×8分塊。

2.2.3.2 若Blocki'>Blocki則將WM(p,q)賦值為1，否則賦值為0。

2.2.3.3 將得到的水印矩陣WM采用Arnold反置亂T-m次，得到提取的水印圖像。

2.3 基于小波變換的數(shù)字水印算法

2.3.1 小波變換(DWT)

小波變換在圖像處理中的基本思想是把圖像進(jìn)行多分辨率分解,生成不同空間和獨(dú)立頻帶的子圖像,然后對(duì)子圖像的系數(shù)進(jìn)行處理[10]。圖像經(jīng)過(guò)1級(jí)小波變換后,被分解成4個(gè)子圖： l個(gè)水平細(xì)節(jié)子圖HL、1個(gè)垂直細(xì)節(jié)子圖LH、1個(gè)近似子圖LL和1個(gè)對(duì)角細(xì)節(jié)子圖HH。可對(duì)近似子圖LL再實(shí)施小波變換,得到下一級(jí)4個(gè)子圖。近似子圖是原始圖像的最佳逼近，包含原始圖像的大部分能量。本文采用3級(jí)小波變換，選擇第3級(jí)小波變換的近似子圖LL3作為嵌入子圖，這樣可以提高嵌入水印的信息量和魯棒性。

2.3.2 水印嵌入過(guò)程

圖3 水印的嵌入過(guò)程

設(shè)原始圖像為IMM×N，水印圖像為WMp×q。

2.3.2.1 采用Arnold置亂算法對(duì)二值水印圖像置亂m次。

2.3.2.2 采用3級(jí)小波變換將原始M×N的圖像進(jìn)行分解。

2.3.2.3 選擇第3級(jí)小波變換的近似子圖作為嵌入對(duì)象(可嵌入的水印信息量大，且魯棒性較好)，將置亂后的水印嵌入到其中。嵌入方法為：LL3i,j=LL3i,j×(1+a×WM(i,j))，a為嵌入強(qiáng)度。

2.3.2.4 再對(duì)嵌入水印后的子圖像進(jìn)行3級(jí)小波逆變換，得到含水印的圖像。

2.3.3 水印提取過(guò)程

圖4 水印的提取過(guò)程

2.3.3.1 將帶水印的圖像IMM×N′和原始圖像IMM×N分別進(jìn)行3級(jí)小波分解。

2.3.3.2 選擇第3級(jí)近似子圖LL3和LL3'，若LL3(i,j)'>LL3(i,j)則將WM(p,q)賦值為1，否則賦值為0,WM為提取的二值水印圖像。

2.3.3.3 將得到的水印矩陣WM采用Arnold反置亂T-m次，得到提取的水印圖像。

2.4 水印評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)嵌有水印圖像整體質(zhì)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)一般采用峰值信噪比(PSNR)和歸一化相關(guān)系數(shù)(NC)。PSNR越大，代表圖像失真越少。NC越接近1，說(shuō)明水印效果越好。

(1)

其中，M和N表示圖像的大小，f(i,j)和fw(i,j)分別表示原始圖像和嵌入水印后圖像在(i,j)點(diǎn)的像素值。

(2)

M1和N1表示水印的大小，W(i,j)和W*(i,j)表示原始水印和提取的水印在(i,j)點(diǎn)的像素值。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 樣本圖像的選取

西域文化博物館現(xiàn)藏有上千副圖像，主題包括新疆各歷史時(shí)期的珍貴文物、五大文明、環(huán)境文明和名人贊像等。這些圖像亮度、紋理和特征都不同，本文從圖像庫(kù)中篩選了5副圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用Matlab7.6，原始圖像是5張512×512的灰度圖像。原始水印為一張64×64的二值圖像。兩種變換域水印算法的嵌入強(qiáng)度均為0.03。為進(jìn)一步測(cè)試兩種算法的穩(wěn)定性和魯棒性，依次選用四種水印攻擊方式，包括：①Jpeg壓縮(70%)、②0.05椒鹽噪聲、③3×3中值濾波、④剪切左上角1/4,記作a1～a4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用峰值信噪比(PSNR)評(píng)價(jià)原始圖像和含水印圖像的差別，歸一化相關(guān)系數(shù)(NC)評(píng)價(jià)提取的水印和原始水印的相似度。

(a)Jpeg壓縮 (b)椒鹽噪聲 (c)3?3中值濾波 (d)剪切左上角

(a)Jpeg壓縮 (b)椒鹽噪聲 (c)3?3中值濾波 (d)剪切左上角

表1中a0表示在沒(méi)有攻擊下計(jì)算的PSNR和NC，a1～a4表示在四種攻擊下計(jì)算的PSNR和NC。從表中可以看出，在無(wú)攻擊時(shí)兩種算法對(duì)含水印的5張圖像的峰值信噪比都在35以上，提取的水印歸一化相關(guān)系數(shù)基本都在0.98以上，說(shuō)明算法的透明性較好。在a1～a4幾種攻擊下，基于DCT變換的水印算法NC值變化較明顯，說(shuō)明算法的穩(wěn)定性較弱。而基于DWT變換的水印算法除椒鹽噪聲攻擊下NC值略高于0.8，其它三種攻擊下NC值都穩(wěn)定在0.9以上，穩(wěn)定性和魯棒性明顯優(yōu)于前者。圖6是在四種攻擊下，圖像5作為原始圖像提取的水印。

表1 水印魯棒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)西域文化數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)問(wèn)題，提出了將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字圖像當(dāng)中，在不影響圖像使用的前提下，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。采用兩種變換域數(shù)字水印算法對(duì)挑選的5張圖像進(jìn)行了水印的嵌入和提取實(shí)驗(yàn)，并分別采用Jpeg壓縮、椒鹽噪聲、中值濾波和剪切等幾種方式對(duì)含水印圖像進(jìn)行攻擊。仿真結(jié)果表明，幾種攻擊方式下，兩種變換域算法均能提取出清晰的水印信息，且基于小波變換的數(shù)字水印算法明顯優(yōu)于基于離散變換的數(shù)字水印算法。本文研究為進(jìn)一步開發(fā)西域文化博物館數(shù)字水印系統(tǒng)提供了依據(jù)。然而需要指出的是，數(shù)字博物館中藏有海量的圖像，今后如何提高算法的效率和自適應(yīng)性還需要深入研究和探討。

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Study on Copyright Protection Method of Western Culture Digital Image Based on Digital Watermarking

Hua Xiyao1GaoXianqiang2Chen Liping2

(1 Institute of Xiyu Culture,Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

(2 College of Information Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

According to the need of digital western culture museum development, the paper put forward using digital watermarking technology into copyright protection of western culture digital image. Firstly, this paper elaborated the digital watermarking algorithm based on discrete cosine transform and digital watermarking algorithm based on wavelet transform; simulation experiment showed that both of the two transform domain digital watermarking algorithm had good transparency, and had stronger robustness to Jpeg compression, salt and pepper noise, median filtering and shear attack, and DWTwas superior to the former. This paper can provide the basis for further development of the Western Culture Museum digital watermarking system in the future.

digital watermarking;western culture digitalimage; copyright protection; DCT; DWT

2014-10-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(61162018)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)普通高校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地塔里木大學(xué)西域文化研究院開放課題基金資助(XY1408)；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(TDZKSS201414)；塔里木大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目(TDGJ1411)

化希耀(1982-)，男，漢族，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的教學(xué)與研究。 E-mail: hua-28@163.com

1009-0568(2015)02-0063-06

TP391

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.02.012