基于SUSAN和HU不變矩的零水印算法研究

王會(huì)平， 陳戈珩， 胡明輝

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

2001年，在全國(guó)第三屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)上，溫泉［1］等第一次引入“零水印”，零水印是在不修改圖像內(nèi)容的基礎(chǔ)上，從圖像中提取重要特征來(lái)構(gòu)造水印信息。目前的零水印對(duì)于常規(guī)信號(hào)處理等攻擊已經(jīng)有非常好的魯棒性，存在的主要瓶頸之一是對(duì)RST（旋轉(zhuǎn)、縮放、平移）等幾何攻擊魯棒性的提高。針對(duì)這一問(wèn)題，張立保［2］等利用圖像的感興趣區(qū)（ROI）內(nèi)的小波系數(shù)構(gòu)造零水印，有很好的抗剪切和抗壓縮的能力。曲長(zhǎng)波［3］等根據(jù)小波域內(nèi)生成的過(guò)渡矩陣和視覺(jué)秘密圖份構(gòu)造零水印，對(duì)剪切和旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊有較好的魯 棒 性［4－5］。翟 勇 濤［6］等 利 用HU不 變 矩 來(lái) 提 取圖像中的特征向量來(lái)構(gòu)造零水印，對(duì)旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何攻擊有很好的抗攻擊性。

以上這些方法雖都取得了較好的結(jié)果，但是仍然沒(méi)有對(duì)幾何攻擊有特別好的突破。文中設(shè)計(jì)零水印的目的是進(jìn)一步改善零水印對(duì)幾何攻擊的抵抗能力。

1 最小核值相似區(qū)（SUSAN）算法和HU不變矩

1.1 最小核值相似區(qū)（SUSAN）算法的基本原理

牛津大學(xué)的S.M.Smith和J.M.Brady在1997年第一次提出最小核值相似區(qū)（Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus，SUSAN）算法。該算法的基本原理是：用規(guī)定好的模板在待檢測(cè)圖像上移動(dòng)，通過(guò)比較模板內(nèi)其他任意像素與中心像素（核）的灰度值的差值來(lái)確定核相似區(qū)（USAN），記錄在USAN內(nèi)差值小于規(guī)定閾值的像素個(gè)數(shù)n。尋找圖像邊緣時(shí)，讓模板遍歷圖像的同時(shí)，再看模板中n和規(guī)定門(mén)限值g的大小比較，只要n的值小于g，該模板的核點(diǎn)即為邊緣點(diǎn)。

1.2 HU不變矩的基本原理

Hu M K［7］在1962年借助代數(shù)不變理論構(gòu)建了7個(gè)不變矩。劉進(jìn)［8］等在2004年根據(jù)已有的7個(gè)HU不變矩又推導(dǎo)出3個(gè)HU不變矩：C8、C9、C10與Hu M K在1962年提出的7個(gè)HU不變矩一樣，具有RST變換不變性，且能夠體現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)信息。

2 基于SUSAN和HU不變矩的零水印技術(shù)

2.1 零水印注冊(cè)

文中選大小為512＊512的lena圖像作為實(shí)驗(yàn)圖像，并用Matlab軟件進(jìn)行仿真。

1）將原始圖像分成8×8的小塊，對(duì)每一小塊做DCT后取直流系數(shù)的最大值，構(gòu)成原始圖像的低尺度圖像A［9］。

2）對(duì)1）中得到的A進(jìn)行SUSAN邊緣提取，之后進(jìn)行對(duì)數(shù)極坐標(biāo)和二值化處理。

3）得到二值化圖像后進(jìn)行HU不變矩的提取，構(gòu)造含有10個(gè)HU不變矩的特征向量B：

4）鑒于B中數(shù)的數(shù)量級(jí)非常小，在10－9～10－24范圍內(nèi)，所以對(duì)B中的b做變換：

然后對(duì)B中的b進(jìn)行加權(quán)求平均：

k［i］＝［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］，此處的k可以作為密鑰，由于HU矩中的前兩個(gè)矩誤差最小，k中的前兩個(gè)數(shù)要大于等于后面的8個(gè)數(shù)。

5）將g（b＊／I）值作為水印值，和原圖像的大小等有關(guān)信息一起在第三方IPR信息庫(kù)中注冊(cè)，并進(jìn)行簽名和時(shí)間戳的加蓋，最后原始圖像才處于受水印保護(hù)中。

2.2 零水印檢測(cè)過(guò)程

對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行上述1）～4）的處理，最后得到g′，定義參數(shù)d：

d是用來(lái)測(cè)量IPR中的水印值和待檢測(cè)圖像得到的水印值之間差異的參數(shù)。這里d值需要和一個(gè)閾值ε進(jìn)行比較，來(lái)判斷待測(cè)圖像是正版的還是盜版的。如果d＞ε，則為盜版圖像；如果d＜ε，再驗(yàn)證時(shí)間戳和簽名，在都符合的情況下，則為正版圖像。

隨著ε取值的變小，安全性會(huì)越好，但是魯棒性會(huì)越差；反之，安全性就越差，魯棒性會(huì)越好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，文中規(guī)定ε的值為0.1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中算法與文獻(xiàn)［5］相比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 文中算法與文獻(xiàn)［5］相比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中給出算法對(duì)其他一些攻擊的魯棒性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 其他一些攻擊的魯棒性測(cè)試結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

從表1可以看出，文獻(xiàn)［5］對(duì)剪切剩90%和80%、旋轉(zhuǎn)20°魯棒性很差（d都大于閾值0.1），而文中對(duì)這兩種剪切有非常好的魯棒性（d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1）。

由表2可以看出，文中設(shè)計(jì)的算法對(duì)各種噪聲、濾波、JPEG壓縮、剪切等常規(guī)信號(hào)處理有很好的魯棒性；另外，對(duì)小于20°的圖像小角度旋轉(zhuǎn)、縮放的幾何攻擊有非常好的魯棒性。

4 結(jié) 語(yǔ)

完成了SUSAN邊緣提取、對(duì)數(shù)極坐標(biāo)和HU不變矩等技術(shù)理論構(gòu)造的零水印算法設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，給出的算法對(duì)噪聲、濾波、JPEG壓縮、剪切等常規(guī)信號(hào)處理都有很好的魯棒性；另外，對(duì)小于20°的圖像旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何攻擊有非常好的魯棒性。

［1］ 溫泉，孫錟鋒，王樹(shù)勛.零水印的概念與應(yīng)用［J］.電子學(xué)報(bào)，2003，31（2）：214－216.

［2］ 張立保，馬新悅，陳琪.基于感興趣區(qū)的圖像零水印算法［J］.通信學(xué)報(bào)，2009，30（11）：117－120.

［3］ 葉天語(yǔ)，馬兆豐，鈕心忻，等.強(qiáng)魯棒零水印技術(shù)［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：126－129.

［4］ 曲長(zhǎng)波，楊曉陶，袁鐸寧.小波域視覺(jué)密碼零水印算法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2014，19（3）：365－372.

［5］ 張匯川，馬呈宇，薛明珠，等.一種改進(jìn)的抗干擾數(shù)字圖像處理方法［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（1）：52－56.

［6］ 翟勇濤，彭代淵.一種抗幾何攻擊的圖像零水印方案［J］.信息技術(shù)，2007（11）：33－35.

［7］ Hu M K.Visual pattern recognition by moment invariants［J］.IRE Transactions on Information Theory，1962（8）：179－182.

［8］ 劉進(jìn)，張?zhí)煨?圖像不變矩的推廣［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2004，27（5）：668－674.

［9］ 沈楊，侯阿臨，桃敏，等.基于實(shí)數(shù)傅里葉變換和奇異值分解的數(shù)字水印算法［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（4）：427－431.