一種Contourlet變換域彩色圖像數(shù)字水印算法

何冰

摘 要： 數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)的一種有效手段，在信息安全領(lǐng)域已有一定的實(shí)際應(yīng)用，但實(shí)用性的水印算法還較少，特別是與彩色圖像及視頻圖像處理的相關(guān)算法鳳毛麟角。依靠人類的視覺敏感特性，在彩色圖像空間上將一幅二值水印圖像根據(jù)載體圖像的特征，選擇性的嵌入到受保護(hù)圖像的DWT變換后的低頻分量中，所嵌入的二值水印信息量可以根據(jù)實(shí)際需要自適應(yīng)的增加。在Contourlet域水印的嵌入算法研究基礎(chǔ)上，提出并通過Matlab軟件仿真完成算法的嵌入過程和水印提取過程。仿真實(shí)驗證明所提出的算法能夠有效提高數(shù)字水印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字水印； 水印嵌入； 水印提??； Contourlet變換

中圖分類號： TN919?34； TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0081?03

Color digital image watermarking based on Contourlet transform domain

HE Bing1， 2

（1. Department of Physics and Electronic Engineering， Weinan Normal University， Weinan 714099， China；

2. Center of Shaanxi X?ray Detection and Application， Weinan Normal University， Weinan 714099， China）

Abstract： As an important means of copyright protection， digital watermarking technology has been widely used， but the practical watermark algorithm is scant， especially the relevant algorithm of color image and video image processing. Taking fully into account of the characteristics of human visual system， a binary watermark image is embedded into the low frequency component （after DWT transform） of the protected image in the color space according to the feature of carrier image， the quantity of the embedded binary watermark information can be adaptively increased according to the actual requirement. Based on the digital watermark embedding algorithm research in Contourlet domain， the embedded process and watermark extraction process of the algorithm are implemented through Matlab software emulation. The emulation result proves that the proposed algorithm can improve the practical application of digital watermarking technology in the real life.

Keywords： digital watermarking； watermark embedment； watermark extraction； Contourlet transform

0 引 言

智能化時代的發(fā)展，讓人與人之間的交流變得簡潔、快速，然而人們在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒓鞍l(fā)布的有效媒體數(shù)據(jù)經(jīng)?？梢噪S意的被復(fù)制和盜用，因此這使得關(guān)于數(shù)字媒體信息該如何有效保護(hù)，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)信息安全如何有效防范提出新的研究課題。近幾年來，相關(guān)學(xué)者已在多媒體數(shù)據(jù)版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域召開國際學(xué)術(shù)會議及發(fā)表了許多關(guān)于水印技術(shù)方面的論文[1?2]。水印技術(shù)一般指的是在不影響原始載體（多媒體數(shù)據(jù)）主觀質(zhì)量的前提下，在原始媒體（被保護(hù)的媒體數(shù)據(jù)）中嵌入不易察覺的標(biāo)識數(shù)據(jù)信息。在水印系統(tǒng)的驗證部分，可以提取此標(biāo)識信息用來證明原創(chuàng)作者對其作品的所有權(quán).

水印技術(shù)目前一直被視為是多媒體產(chǎn)品認(rèn)證、防篡改的有效手段之一。在其相關(guān)研究領(lǐng)域已得到高度的關(guān)注，然而當(dāng)前多數(shù)文獻(xiàn)中所提出的水印算法絕大多數(shù)是針對灰度二維圖像[3?4]，對于彩色圖像水印算法的深入研究和探討的實(shí)用文獻(xiàn)并不多?；叶葓D像一般作為二維矩陣數(shù)據(jù)，而彩色圖像一般是由3個數(shù)字矩陣的耦合而成，比較而言灰度圖像更易處理和操作。在現(xiàn)實(shí)中，人眼所接觸到的場景一般都是彩色圖像，與灰度圖像相比，它有更大的信息存儲量同時冗余性較高，可以很好地提高算法的魯棒性和不可見性。穩(wěn)健性和不可見性[5?6]是用來評價所設(shè)計的水印系統(tǒng)性能優(yōu)劣的2個參考標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)健性是指當(dāng)水印數(shù)據(jù)遭受一些有意識或無意識地破壞之后，仍可通過水印系統(tǒng)提取出水印數(shù)據(jù)；不可見性是指在水印嵌入后不影響其視覺感官效果。2個標(biāo)準(zhǔn)在水印算法的設(shè)計中剛好互相矛盾，要得到穩(wěn)健性強(qiáng)的水印算法就必須以犧牲不可見性為代價；同樣，要獲得良好的視覺效果就必須犧牲一定的穩(wěn)健性。一般地，水印系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該是在穩(wěn)健性和不可見性之間的一種適度折中。endprint

1 數(shù)字水印的評價標(biāo)準(zhǔn)

目前數(shù)字水印系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)主要有以下3種：

（1） 容量。數(shù)字水印系統(tǒng)中的容量一般是指載體媒體數(shù)據(jù)在受到有意或無意攻擊時其所能嵌入的最大信息數(shù)據(jù)量。若載體的容量加大，相應(yīng)地可以嵌入更多的水印數(shù)據(jù)信息，但會使得水印系統(tǒng)的不可見性下降。

（2） 相似度。水印系統(tǒng)中的相似度指的是媒體數(shù)據(jù)在處理前后相似程度的度量，即要求包含水印數(shù)據(jù)的媒體作品和原始載體數(shù)據(jù)媒體在人們的主觀評價及客觀的評價準(zhǔn)則下符合一定標(biāo)準(zhǔn)要求。目前水印系統(tǒng)中常規(guī)的相似度評價準(zhǔn)則有：信噪比 （SNR）、峰值信噪比（PSNR）、方差（SE）和均方差 （MSE）等。均方差較為簡單，在實(shí)際評價時會有較大的偏差，即易造成水印系統(tǒng)評判的不準(zhǔn)確性；信噪比和峰值信噪比可以客觀地反映2幅媒體數(shù)據(jù)的差別。

（3） 穩(wěn)健性。水印系統(tǒng)中的穩(wěn)健性是指水印信息在經(jīng)過有意識或無意識的攻擊后，仍然可以提取到水印數(shù)據(jù)的能力。誤碼率一般指的是錯誤提取后的水印數(shù)據(jù)量與所有系統(tǒng)信息的值之比，或?qū)嶋H的BER值較小，說明其水印性能越好。穩(wěn)健性常見的度量方式有歸一化相關(guān)系數(shù) NC及誤碼率 BER。歸一化相關(guān)系數(shù)是對提取之前的水印和提取之后水印的一致性進(jìn)行度量，歸一化相關(guān)系數(shù)越大，說明水印算法性能優(yōu)越。

2 顏色模式轉(zhuǎn)換

RGB顏色模式與YIQ顏色模式相互之間存在的轉(zhuǎn)換公式如下：

[YIQ=0.2290.5870.1140.596-0.274-0.3220.211-0.5230.312RGB] （1）

[RGB=10.9560.6211-0.272-0.6471-1.106-1.703YIQ] （2）

式中：R表示彩色圖像紅色分量；G表示綠色分量；B表示藍(lán)色分量；Y表示彩色圖像亮度分量；I表示色度分量；Q表示飽和度分量。

3 Contourlet變換

Contourlet 變換是由Do等在2002年提出的一種圖像二維表示方法，也稱為方向濾波器組（PDFB）。它是一種多分辨率多方向的圖像表示方法，能夠有效表示視覺信息中重要而復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。Contourlet 變換主要是用非分離濾波器組構(gòu)造了一個離散域多分辨率多方向變換，它的構(gòu)造方法與小波變換類似，最終結(jié)果是用類似線段的基結(jié)構(gòu)來逼近圖像。然而小波變換對圖像分解時，只可將高頻信息分離為水平、垂直、對角3個方向，所以方向性的缺乏使得小波變換不能充分利用圖像本身的幾何正則性。而Contourlet 變換可以將圖像的各階高頻信息細(xì)分為2n（n為正整數(shù)），這樣對圖像就可以進(jìn)行更精細(xì)的分析和處理，從而達(dá)到更好的處理效果。圖1 給出了Wavelet 與Contourlet 的不同。

圖1 Wavelet變換和Contourlet變換的比較

Contourlet 變換通過采用不可分離的濾波器組對二維圖像進(jìn)行多尺度、多方向展開，就可得到多尺度、局部化和方向性的圖像表示。如果將具有N個像素的圖像進(jìn)行離散Contourlet 變換，則它的快速迭代濾波器組算法就需進(jìn)行N階操作。圖2給出了Contourlet 變換的流程圖。

圖2 Contourlet變換的基本流程

4 水印嵌入和提取算法

4.1 水印嵌入

水印嵌入步驟如下：

步驟1：首先將[M×M]大小的載體彩色圖像I的模式由RGB顏色模式轉(zhuǎn)換為YIQ顏色模式。

步驟2：對模式轉(zhuǎn)換后的彩色圖像提取其亮度，即Y分量。

步驟3：對Y分量矩陣進(jìn)行進(jìn)行[8×8]分塊，然后對分塊之后的圖像進(jìn)行Contourlet變換，將變換后之后的形成的圖像標(biāo)記為Y1。

步驟4：找變換后低頻圖像中最大的1 024個系數(shù)。

步驟5：讀入水印圖像并將水印掃描為一維向量。

步驟6：按照嵌入公式[B（i，j）=A（i，j）（1+αω）]進(jìn)行水印的嵌入操作。[α]為嵌入強(qiáng)度調(diào)整因子、[ω]為水印信息。

步驟7：對上個步驟新生成的Y1作Contourlet反變換，同時與原始色度分量I、飽和度分量Q轉(zhuǎn)換為原來的RGB模式，得到嵌入后的彩色圖像B。水印嵌入模型流程見圖3。

圖3 水印嵌入模型流程圖

4.2 水印提取

水印提取步驟如下：

步驟1： 將待測圖像的顏色模式進(jìn)行轉(zhuǎn)化（RGB轉(zhuǎn)化為YIQ）。

步驟2： 將上一步驟轉(zhuǎn)化后的亮度分量Y進(jìn)行Contourlet變換。

步驟3： 依照公式[B（i，j）=A（i，j）（1+αω）]計算出分量Y2的系數(shù)。

步驟4： 對分量Y2作Contourlet 反變換其結(jié)果記為Y3。

步驟5： 上一步驟生成的Y3與原始色度分量I、飽和度分量Q轉(zhuǎn)換到RGB空間，獲取水印。提取水印過程見圖4。

圖4 提取水印過程框圖

對于提取的水印與原始水印的相關(guān)性度量采用兩個性能指標(biāo)對其進(jìn)行評價：峰值信噪比和歸一化相關(guān)系數(shù)。其中峰值信噪比定義為：[PSNR=10lg25521M2i=0M-1j=0M-1（X（i，j）-X'（i，j））] （3）

歸一化相關(guān)系數(shù)定義為：

[NC=i=0N-1i=0N-1W（i，j）W′（i，j）i=0N-1j=0N-1W（i，j）2] （4）

5 仿真結(jié)果

采用Matlab軟件進(jìn)行算法的穩(wěn)健性和不可見性的測試，選取[300×300]大小的Lena圖像為載體圖像，32×32 大小的二值圖像為水印圖像。

實(shí)驗中，其嵌入強(qiáng)度因子系數(shù)[α]=0.001，其實(shí)驗結(jié)果見圖5～圖9。

圖5 Matlab仿真實(shí)驗結(jié)果（α=0）

圖6 Matlab仿真實(shí)驗結(jié)果（α=0.01）

圖7 Matlab仿真實(shí)驗結(jié)果（α=0.05）

圖8 Matlab仿真實(shí)驗結(jié)果（α=0.000 1）

圖9 Matlab仿真實(shí)驗結(jié)果（α=0.000 5）

6 結(jié) 語

文章所改進(jìn)的Contourlet變換域算法具有一定的穩(wěn)健性和不可見性。利用Contourlet變換域具有良好的壓縮特性，所提出的算法對未來的有損壓縮編碼具有一定的魯棒性。與傅里葉變換相比本算法避免了復(fù)數(shù)域的繁雜計算量，具有嵌入和檢測速度快的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹浩，林闖，邱鋒，等.數(shù)字水印技術(shù)綜述[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2005（7）：1093?1094.

[2] 雷赟，齊影虹.魯棒彩色圖像數(shù)字水印綜述[J].科技廣場，2007，9（7）：138?139.

[3] 劉昊，孫堡壘，郭云彪.文本數(shù)字水印技術(shù)研究綜述[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（z1）：225?228.

[4] 蔣建國，宣曼，齊美彬.數(shù)字水印技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].計算機(jī)應(yīng)用，2006，12（z2）：60?63.

[5] 王相海.基于小波的圖像水印研究進(jìn)展[J].計算機(jī)科學(xué)，2005，6（7）：202?203.

[6] 楊忠，李萬社，劉艷，等.數(shù)字水印技術(shù)綜述[J].安康師專學(xué)報，2004，12（16）：80?84.

[7] 李春花，盧正鼎.一種基于支持向量機(jī)的圖像數(shù)字水印算法[J].中國圖象圖形學(xué)報，2006（9）：1322?1326.