一種基于鄰域均值的DCT水印算法

軒璐

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

一種基于鄰域均值的DCT水印算法

軒璐

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

基于離散余弦變換(DCT)，分析了變換后單個(gè)系數(shù)和區(qū)塊系數(shù)均值在各類常見(jiàn)攻擊中的穩(wěn)定性，為提高算法的魯棒性，提出了一種利用鄰域均值（NM）間關(guān)系確定嵌入方式，并將嵌入能量分散嵌入到 DCT 區(qū)塊的盲水印算法。實(shí)驗(yàn)表明，算法在確保不可見(jiàn)性的基礎(chǔ)上，對(duì)魯棒性有較大提升。

鄰域均值（NM）；離散余弦變換；魯棒性；數(shù)字水印

引言

數(shù)字水印技術(shù)是目前應(yīng)用普遍的多媒體版權(quán)保護(hù) 手段之一[1]。 伴隨著多媒體 應(yīng) 用的日益普 及 ，如何設(shè)計(jì)出穩(wěn)定且易實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印方案成為學(xué)界研究的主要問(wèn)題[2]。 傳 統(tǒng) 的 數(shù)字水印技術(shù) 主 要分為空域和頻域兩種， 一般來(lái)說(shuō)空域算法較為直接，易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于各類攻擊的魯棒性較差，目前應(yīng)用較少。所以目前主要研究都集中在計(jì)算較為復(fù)雜，但魯棒性較好的頻域水印嵌入[3]。 在頻域 水 印研究中，研究的問(wèn)題主要集中在載體圖像的水印容量、水印嵌入點(diǎn)的選擇以及水印嵌入強(qiáng)度等方面。水印研究的重點(diǎn)就是通過(guò)以上三個(gè)方面的研究力求達(dá)到不 可 見(jiàn)性與魯棒 性 的平衡[4]。

文獻(xiàn)[5]提 出 了一種 基 于 關(guān)系 的 DCT 域 算法 ，算法以載體圖像 8*8DCT 變換的（5，2）和（4.3）位置值的大小關(guān)系為嵌入條件，將置亂的水印信息通過(guò)位置交 換的方式插入 到以上兩點(diǎn)。 文獻(xiàn)[6]利用 8*8DCT變換矩陣（3，3）、（4，4）位置周圍 4 個(gè)點(diǎn)的均值作為插入系數(shù)實(shí)現(xiàn)水印在以上兩點(diǎn)的插入。以上兩種方法較好地實(shí)現(xiàn)水印的不可見(jiàn)性，但水印插入基于單值得修改，在各類攻擊中受到影響較大，魯棒性上仍存在改進(jìn)的空間。筆者利用人類視覺(jué)系統(tǒng)特性，提出了一中基于關(guān)系的鄰域均值的水印算法，將水印插入能量分散在 DCT變換的多個(gè)位置中， 有效地提高了針對(duì)多種攻擊的抗干擾性，在保證不可見(jiàn)性的基礎(chǔ)上，對(duì)魯棒性有明顯提高。

1 算法準(zhǔn)備

1.1 離散余弦變換

離散余弦變換相關(guān)性能夠接近最佳變換 K-L變換，具有算法強(qiáng)度小，可分離性好等優(yōu)點(diǎn)。 被廣泛應(yīng)用圖片水印算法中。其變換公式與逆變公式見(jiàn)〈1〉、〈2〉。

式中，x，y，u，v=0，1，…，N-1。

二維離散余弦逆變換公式為

式中，x，y，u，v=0，1，…，N-1。

1.2 DCT 變換系數(shù)穩(wěn)定性分析

文 獻(xiàn)[5]、[6]均 選 用 DCT 變 換 中 頻 系 數(shù) 中 某 個(gè) 固定位置值進(jìn)行水印嵌入，為分析固定值的穩(wěn)定性需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 具體做法是，提取待檢測(cè)圖片綠色分量進(jìn)行 8*8 的 DCT 變換， 提取每個(gè)矩陣文獻(xiàn)[5]使 用 的 （5.2）位 置 的 數(shù) 值 與 圖 片 受 到 乘 性 噪 聲攻擊（0.05）、高斯濾波噪聲攻擊（4*4，0.5）以及均值濾波攻擊（3*3）后的數(shù)值進(jìn)行比較，觀察其變化幅度，結(jié)果如圖（1）。 在此基礎(chǔ)上，本文提出將 DCT 變換后矩陣 (1，3)、(2，3)、(1，4)、(2，4)位置的均值進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖（2）。 通過(guò)分析，我們可以看出均值攻擊后的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單值的變化幅度。即均值的抗干擾能力強(qiáng)于均值，更換載體圖片進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 單值攻擊變化比較

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，若將水印信息以多個(gè)點(diǎn)均值的形式進(jìn)行同樣強(qiáng)度的嵌入，較單點(diǎn)嵌入具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

圖2 均值攻擊變化比較

2 水印算法

2.1 水印預(yù)處理

受到載體圖像嵌入容量的限制，一般采用灰度圖像作為水印，水印在嵌入前必須進(jìn)行處理，將水印變換為一個(gè)置亂后二進(jìn)制序列，置亂的主要目的是消除水印各像素點(diǎn)的相關(guān)性，以此應(yīng)對(duì)剪切等攻擊。 本文選擇 Arnold 變換進(jìn)行水印置亂。 具體做法是將 32*32 的水印圖像依照公式〈3〉變換得到二進(jìn)制序列W。

其中M為水印圖像的長(zhǎng)或?qū)挕?/p>

2.2 水印嵌入過(guò)程

水印的嵌入流程如圖4， 將載體圖像的綠色分量進(jìn)行 8*8 分塊，對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行 DCT 變換，然后根據(jù)兩個(gè)選定均值塊的平均值大小關(guān)系進(jìn)行水印嵌入。 最后將嵌入水印信息的綠色分量 DCT 逆變換后與紅色、藍(lán)色分量合并得到含水印的圖像。

圖4 水印嵌入流程

算法具體步驟為：

第 一 步， 利用公式〈3〉對(duì)水印圖片進(jìn)行 N 次Arnold 置亂，得到一個(gè) M*M 的一維二進(jìn)制序列 W'。

第二步，提取載體圖像綠色分量G，對(duì)G實(shí)施8*8 的 DCT 轉(zhuǎn)換， 得到矩陣其中 IDCIL（i,j）1〈i,j≤8 即 AC 系數(shù)。式〈4〉、〈5〉進(jìn)行水印嵌入, 其中 T 是防止差值過(guò)小設(shè)置的閥值。

第 四 步 ， 對(duì) 所 有 的 I*DClT進(jìn)行 IDCT 運(yùn)算，可以得到含有水印信息的載體圖像綠色分量。

第五步，將提取到的綠色分量與紅色、藍(lán)色分量合并，得到含水印信息的載體圖像，水印嵌入結(jié)束。

2.3 水印提取

水印詳細(xì)提取過(guò)程可見(jiàn)圖5， 含有水印的載體圖像進(jìn)行嵌入逆過(guò)程即可得到水印信息，具體步驟可歸納為：

第一步， 對(duì)獲得的圖像進(jìn)行圖像進(jìn)行 RGB 提取，對(duì)其中的綠色分量進(jìn)行 8*8DCT 轉(zhuǎn)換。

第二步，根據(jù)公式〈6〉提取嵌入信息。

第三步，根據(jù)順序?qū)⑻崛〉那度胄畔⒔M成一維二進(jìn)制序列 W*，對(duì) W*進(jìn)行 Arnold 逆變換，即可得到最終提取結(jié)果。

圖5 水印提取過(guò)程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在 Matlab7.0 環(huán)境下進(jìn)行仿真測(cè)試， 載體圖像與水印圖像 (見(jiàn)圖 6), 分別為 256*256 的彩色Lena 圖像以及 32*32 的二值圖。測(cè)試采峰值信噪比(PSNR)評(píng)價(jià)算法的不可見(jiàn)性，歸一化相關(guān)系數(shù)(NC)來(lái)定量的評(píng)價(jià)算法的魯棒性。

4.1 不可見(jiàn)性

通過(guò)圖 7 與圖 6Lena 圖的對(duì)比，肉眼無(wú)法分辨有明顯的不同，計(jì)算 PSNR 值為 31.9844，可以得出結(jié)論本文算法具備較好的不可見(jiàn)性。

圖6 嵌入水印圖片與水印

圖7 嵌入后圖片與提取水印

4.2 魯棒性分析

為驗(yàn)證算法的魯棒性，本文采取了部分常見(jiàn)攻擊測(cè)試，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 在不同攻擊下水印提取平均成功率

通過(guò)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，本算法在應(yīng)對(duì)各種攻擊時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的性能，具備一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

對(duì) DCT轉(zhuǎn)換中頻系數(shù)的單數(shù)和均值在各類攻擊中的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，在測(cè)試數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出了一種基于關(guān)系的鄰域均值 DCT水印算法。 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證明新算法具有良好的不可見(jiàn)性和魯棒性。

[1]LI Lizhong，GU Qiaolun，GAO Tiegang．A zero-watermarking algorithm based on fuzzy adaptive resonance theory［C］/ /Proc． FSKD '09． Tian-jin： IEEE Press，2009： 378～382．

[2]魯曉 輝,金 淵智.基于 MPEG-2 的視 頻水 印算法[J].計(jì)算 機(jī)應(yīng)用與軟件，2014(10)：144～146.

[3]熊祥 光,王 端理.基于 HVS 和關(guān)系 的 DCT 域 彩色圖 像水 印方案[J].計(jì)算 機(jī)工程 與科 學(xué)，2014(02)：311～316.

[4]武風(fēng) 波,汪 峰.基于 HVS 的 小波變 換數(shù) 字圖像 水印 算法[J].應(yīng)用 光學(xué)，2014(02)：311～16.

[5]徐 金 東,黎 洪 松,倪夢(mèng)瑩 ，等一 種 基 于關(guān)系 的 DCT 域 數(shù) 字 水印改進(jìn)算法[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(01)：57～59.

[6]謝斌 ，劉 珊，任克 強(qiáng)，等基 于 DCT 的自 適應(yīng) 多重彩 色圖 像盲水 印算法 ［J］．電 視技 術(shù)，2014,38(9)：21～24.

（責(zé)任編輯 梁紅艷）

TP391.41

：A

：1671-9123（2014）04-0116-03

2014-11-10

軒璐(1981-)，女，河南三門(mén)峽人，三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院講師。