DCT變換域中的自適應(yīng)圖像水印算法*

楊藝敏（廈門工學(xué)院　電子信息工程系，福建　廈門　361021）

DCT變換域中的自適應(yīng)圖像水印算法*

楊藝敏
（廈門工學(xué)院電子信息工程系，福建廈門361021）

提出了一種基于DCT變換的數(shù)字水印算法，該方法能夠自適應(yīng)地選取水印嵌入位置，依據(jù)人類視覺特性，合理地分配不同嵌入位置處嵌入的水印強(qiáng)度。另外，結(jié)合混沌序列和置亂技術(shù)，增強(qiáng)了水印的抗攻擊能力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法基本上滿足不可見性和魯棒性要求，尤其具有較強(qiáng)的抗JPEG壓縮攻擊的能力。

圖像水??；DCT變換；自適應(yīng)；Logistic映射

0　引言

隨著數(shù)字通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，信息的發(fā)布和傳輸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，Internet也走進(jìn)了千家萬戶，使得數(shù)字媒體很容易借助Internet被復(fù)制、處理、傳播和公開，這樣就引發(fā)了數(shù)字信息傳輸?shù)陌踩珕栴}和數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)問題。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施有效的版權(quán)保護(hù)和信息安全手段呢？如何防止數(shù)字產(chǎn)品（如電子出版物、音頻、視頻、動(dòng)畫、圖像產(chǎn)品等）被侵權(quán)、盜版和隨意篡改呢？作為解決這一問題的一個(gè)手段，數(shù)字水印技術(shù)得到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并逐漸成熟起來。數(shù)字水印技術(shù)用于拷貝控制中，它可通過軟件或硬件指出當(dāng)前的拷貝行為是被禁止的。而在版權(quán)保護(hù)應(yīng)用中，它可用來標(biāo)識(shí)版權(quán)所有者，保證版稅的合理支付［1］。

本文提出一種基于DCT變換的數(shù)字水印算法，結(jié)合混沌理論，運(yùn)用置亂技術(shù)，有效地打亂嵌入的水印信息，增強(qiáng)了水印的抗攻擊能力，提高了魯棒性。同時(shí)，對(duì)于不同的圖像以及同一幅圖像的不同局部，自適應(yīng)地選取了水印嵌入位置，合理地分配了不同嵌入位置處嵌入的水印強(qiáng)度，滿足不可見性的要求。

1　Logistic映射及其在圖像中的應(yīng)用

1.1Logistic映射

Logistic映射最初起源于某種生物的演化規(guī)律，其定義如下：

其中，μ∈（1，4）稱為分枝參數(shù)，此時(shí)映射滿足f∶［0，1］→［0，1］。當(dāng)3.569 945 6…＜μ≤4時(shí)，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)。也就是說，由初始條件值x0在式（1）的作用下所產(chǎn)生的序列｛xk，k=0，1，2…｝是非周期、不收斂的，且對(duì)初始值非常敏感［2］。利用混沌序列對(duì)初值的敏感性，就算給定兩個(gè)相近的初值，無論它們相離有多么近，在經(jīng)過有限次迭代后，所得到的結(jié)果將完全不相關(guān)。因此，混沌序列非常適用于對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密操作。

1.2基于Logistic映射的水印置亂算法

在本文中，采用式（1）（令μ=3.8）對(duì)待嵌入的水印進(jìn)行置亂。假設(shè)待嵌入水印圖像為W，大小為N×N，具體方法為：假設(shè)一個(gè)初始值x0（x0為用戶密鑰），根據(jù)式（1）生成一個(gè)長(zhǎng)為N×N的一維混沌序列｛xk，k=0，1，2…，N×N-1｝。然后，對(duì)一維混沌序列｛xk｝進(jìn)行排序，排序后的序列記為｛x′k｝。接著，尋找｛x′k｝中的元素在原混沌序列｛xk｝中的位置，將該位置信息存入數(shù)組｛Nk，k=0，1，2…，N×N-1｝中?，F(xiàn)在，將待嵌入的圖像W逐行掃描重排為一維序列｛yk｝，按數(shù)組｛Nk｝中的位置信息將｛yk｝重新排列為｛y′k｝。最后，將｛y′k｝按行轉(zhuǎn)換為N×N的二維序列，此時(shí)就得到了置亂后的水印W。

置亂水印的恢復(fù)過程與此相逆。在該算法中，只有持有密鑰x0的人才能正確地恢復(fù)出水印來。圖1給出水印置亂和恢復(fù)的結(jié)果。

圖1　水印置亂和恢復(fù)過程

置亂技術(shù)不會(huì)引起數(shù)據(jù)量的膨脹，它只是通過攪亂水印圖像中像素的位置使它變成一幅雜亂無章的圖像，達(dá)到無法辯認(rèn)原水印圖像的目的［3］。置亂后的水印對(duì)于圖像的剪切等一些基本操作抵抗性更強(qiáng)。

2　數(shù)字水印的嵌入和提取

2.1水印嵌入算法

本文提出了一種在DCT變換域中嵌入水印的算法。具體算法如下：

（1）根據(jù)1.2節(jié)所述的水印置亂算法，得到置亂后的水印圖像W。

（2）將得到的二維序列W按行掃描轉(zhuǎn)換為一維序列W′。由于采用二值圖像作為嵌入的水印，此時(shí)還必須將0、1序列W′轉(zhuǎn)換為-1、1序列W″。

（3）對(duì)原始載體圖像I進(jìn)行8×8分塊，假設(shè)可分為M×M小塊，對(duì)每一小塊分別進(jìn)行DCT變換。對(duì)得到的8×8DCT系數(shù)｛Xk，u，v1≤u≤8，1≤v≤8，k=1，2，…，M×M｝采用基于自適應(yīng)頻帶選擇的方法［4］，就是將各DCT系數(shù)除以8×8JPEG量化矩陣中與之對(duì)應(yīng)的量化系數(shù)，理論上來說，結(jié)果商不為0的位置都是適合水印放置的位置。通過這種方式，自適應(yīng)地選取每一小塊的水印隱藏區(qū)域。

（5）通過DCT反變換得到嵌入水印后的圖像。

2.2水印提取算法

水印的提取過程與嵌入過程相逆。

3　實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

本文采用256×256×8的灰度圖像lena作為原始載體，64×64的二值圖像作為原始水印，在分成的8×8小塊中各嵌入長(zhǎng)為4bit的水印信息，進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。圖2為水印的嵌入與提取結(jié)果?？梢钥闯?，在加水印的圖像中沒有出現(xiàn)可感知的質(zhì)量失真時(shí)，水印圖像可以正確地被提取出來。此時(shí)，加水印的圖像的蜂值信噪比PSNR=36.952 8。圖3是分別經(jīng)過0.1％高斯噪聲、0.5％椒鹽噪聲、中值濾波、低通濾波等攻擊后提取的水印。圖4是在不同剪切方式下提取的水印。圖5是經(jīng)過不同程度的JPEG壓縮后提取的水印。

圖2　水印的嵌入與提取

圖3　噪聲和濾波后提取的水印

圖4　一些剪切操作后提取的水印

圖5　按左右上下順序依次為90％、70％、50％、30％、25％JPEG壓縮后提取的水印

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用置亂技術(shù)的水印算法對(duì)于0.1％高斯噪聲、0.5％椒鹽噪聲、中值濾波、低通濾波、一些剪切操作及不同壓縮比下的JPEG壓縮等攻擊，都能夠較準(zhǔn)確地提取出水印。其中在JPEG壓縮達(dá)到25％時(shí)，提取的水印才出現(xiàn)較多的噪聲點(diǎn)，可見對(duì)于抗JPEG壓縮，效果比較好。盡管有些提取的水印存在著噪聲點(diǎn)，但由于采用了置亂技術(shù)，提取出的水印基本上可見，不會(huì)影響主觀視覺。為了從客觀上評(píng)價(jià)該算法，可以采用歸一化互相關(guān)系數(shù)NC［6］定量分析。表1列出了各種攻擊下的歸一化互相關(guān)系數(shù)NC值。由表1可以看出，各種攻擊下提取的水印相似度也都較高。

表1　各種攻擊下的歸一化互相關(guān)系數(shù)NC

4　結(jié)論

本文提出的水印算法結(jié)合混沌理論，采用置亂技術(shù)自適應(yīng)地尋找水印隱藏區(qū)域，同時(shí)充分利用人類視覺特性，合理地分配在不同的隱藏區(qū)域處嵌入的水印強(qiáng)度，基本上達(dá)到了不可見性的要求。通過實(shí)驗(yàn)仿真證明，該算法能抵抗高斯噪聲、椒鹽噪聲、中值濾波、低通濾波、一些剪切操作及一定的JPEG壓縮等一些常見的圖像處理方法，具有一定的魯棒性，尤其具有較強(qiáng)的抗JPEG壓縮攻擊的能力。

［1］孫圣和，陸哲明，牛夏牧.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［2］劉程浩，柏森，劉博文，等.基于混沌和BEMD分解的小波域彩色圖像數(shù)字水印算法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（11）：45-48.

［3］趙學(xué)蜂.一種新的數(shù)字圖像置亂方案［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004（6）：112-113.

［4］鐘樺，焦李成.基于自適應(yīng)頻帶選擇的數(shù)字水印技術(shù)［J］．電子與信息學(xué)報(bào)，2003，25（3）：289-294.

［5］王穎，黃志蓓，等，譯.數(shù)字水?。跰］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［6］LEE C H，LEE Y K.An adaptive digital image watermarking technique for copyright protection［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，1999，45（4）：1005-1015.

Adaptive image watermarking algorithm in DCT domain

Yang Yimin
（Department of Electronic Information Engineering，Xiamen Institute of Technology，Xiamen 361021，China）

The article proposes a digital watermarking algorithm based on DCT transform.The method can adaptively select the watermark embedding position.According to human visual properties，it also reasonably allocates the watermark embedding strength in the different position.In addition，the combination of chaotic sequence and scrambling technology enhances the attackde ability.Verified by the experiment，the method basically meets the demand of invisibility and robustness，and especially has stronger ability to resist JPEG compression attack.

image watermarking；DCT transformation；adaptively；Logistic map

TP391

A

1674-7720（2015）16-0046-03

楊藝敏.DCT變換域中的自適應(yīng)圖像水印算法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：46-48.

2015-04-18）

楊藝敏（1984-），女，碩士，講師，主要研究方向：圖像處理、數(shù)字水印。

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目（A0610022）；國務(wù)院僑辦科研基金項(xiàng)目（06QZR03）