基于分塊的DCT域和DWT域的雙水印算法改進(jìn)

楊劍，朱莉

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

基于分塊的DCT域和DWT域的雙水印算法改進(jìn)

楊劍，朱莉

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

單水印算法在圖像保護(hù)中功能較為單一，文中提出了一種基于分塊的離散余弦變換DCT和離散小波變換DWT相結(jié)合的雙水印算法。小波域水印算法基于人類視覺特性HVS對(duì)圖像進(jìn)行分解，具有較好的魯棒性，可作為圖像版權(quán)保護(hù)；基于分塊的離散余弦變換水印算法魯棒性較差但可塊定位，可用于圖像完整性認(rèn)定。同時(shí)，設(shè)計(jì)嵌入模型時(shí)論證了兩種水印的嵌入順序，使后嵌入的dct域水印不會(huì)對(duì)先嵌入的dwt域水印形成攻擊。經(jīng)攻擊測(cè)試，該算法DCT域水印可較好的反映出圖像被篡改情況；同時(shí)DWT域水印對(duì)惡意攻擊有較好的抵抗力，能作為版權(quán)保護(hù)的有效手段。

雙水?。浑x散余弦變換；分塊；離散小波變換；魯棒性；人類視覺系統(tǒng)

數(shù)字水印技術(shù)是一種保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的科學(xué)技術(shù)方式，尤其在當(dāng)今數(shù)字信息產(chǎn)品急速發(fā)展傳播的信息時(shí)代，如何保護(hù)數(shù)字信息產(chǎn)品的版權(quán)成為一個(gè)迫切的難題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)方法已不適用，因此急需一種新型的安全可靠的方式在保護(hù)信息版權(quán)[1]。數(shù)字水印的基本原理是通過某種算法將某一種特定的標(biāo)識(shí)加入到數(shù)字信息中，并通過反推這種算法來提取水印，從而辨別數(shù)字產(chǎn)品的真?zhèn)巍?/p>

文中主要研究的是結(jié)合基于分塊的DCT域水印魯棒性較差但可塊定位的特點(diǎn)和DWT域水印魯棒性[2]較好抗攻擊能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種全新的雙水印方案。首先在對(duì)宿主圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解的基礎(chǔ)上，在第三層逼近子圖上嵌入一定強(qiáng)度的置亂后魯棒性水印，圖像重構(gòu)后進(jìn)行分塊，在DCT域上嵌入比特?cái)?shù)較少的用于完整性認(rèn)定的脆弱性水印，經(jīng)攻擊測(cè)試，兩種水印對(duì)一般無意干擾具有一定的抵抗力，在遭受惡意攻擊時(shí)，DCT域水印可反映出攻擊情況，DWT域水印則可有效的抵抗攻擊，具有較好的魯棒性。該算法實(shí)現(xiàn)較為簡單，可有效應(yīng)用于圖像版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)定。

1 DWT域數(shù)字水印技術(shù)

1.1 小波理論

若ψ（x，y）是一個(gè)二維基本小波，f（x，y）為二維函數(shù)，則其的連續(xù)小波變換為[3]

由于計(jì)算機(jī)處理的是離散信號(hào)，因此本文對(duì)連續(xù)小波變換的尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b進(jìn)行離散化。

離散化小波變換系數(shù)則表示為

其重構(gòu)公式為

C是一個(gè)常值，與處理信號(hào)無關(guān)，為了使得圖像重構(gòu)[5]時(shí)能盡量恢復(fù)原樣，應(yīng)保證小波函數(shù) ψj，k（t）和小波系數(shù) Cj，k一定的密度，因此，拉伸系數(shù)a0和平移系數(shù)b0應(yīng)該盡可能選擇比較小的值。

1.2 多分辨率分析與Mallat算法

多分辨率分析理論[6]可大概描述為在L2（R）函數(shù)空間中，f函數(shù)可用一系列子函數(shù)來逼近，每一個(gè)子函數(shù)均是原函數(shù)f的近似版本，且會(huì)越來越逼近原函數(shù)。由多分辨率分析進(jìn)一步發(fā)展的Mallat算法將水印算法從理論變成可實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)。

運(yùn)用基于Mallat算法對(duì)的Lena宿主圖像[7]進(jìn)行小波分解，第一層分解為4個(gè)部分：低頻分量LL1、水平分量HL1、垂直分量HL1、高頻分量HH1，其中，低頻分量LL1描述宿主圖像的主要信息，其他3個(gè)分量描述宿主圖像的細(xì)節(jié)部分，第二層小波分解中，對(duì)第一層分解的低頻子圖LL1進(jìn)行分解，同樣分解出4部分：低頻分量LL2、水平分量HL2、垂直分量LH2、高頻分量HH2，以此類推，如圖1所示。

圖1 Lena圖像三級(jí)分解的子圖

圖2[8]給出了對(duì)應(yīng)于圖1的三級(jí)小波分解后的實(shí)際的Lena圖像。

由圖2再根據(jù)HVS原理分析可知，圖像的絕大部分能量都集中于第三層小波分解的高頻逼近子圖上，在該位置嵌入經(jīng)預(yù)處理后的水印信息可保證較好的魯棒性。

1.3 DCT域數(shù)字水印技術(shù)

二維有限離散序列x(i,k)，0≤i≤M-1，0≤k≤N-1，用x= {xi，k}M×N表示。

X的二維離散余弦變換定義為：

圖2 Lena圖像三級(jí)分解示意圖

式中au，v為

二維離散余弦變換可將自然圖像的主要信息集中在低頻子圖上，引起的圖像塊效應(yīng)較小?；诜謮K的DCT水印算法是將圖像分為8×8子塊，然后對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換。定義如下：

基于DCT域水印算法不可知性較好，但魯棒性較差?？勺鳛榇嗳跣运?duì)圖像進(jìn)行完整性認(rèn)定。

2 雙水印嵌入算法與攻擊實(shí)驗(yàn)

2.1 嵌入順序

在Lena宿主圖像中嵌入雙重水印，首先需確定嵌入順序問題。DCT域嵌入水印算法魯棒性較差，對(duì)圖像改動(dòng)非常敏感，而DWT域嵌入水印魯棒性較好，對(duì)于常規(guī)的幾類攻擊具有較好的抵抗力，因此本文采用先對(duì)宿主圖像進(jìn)行小波分解，嵌入DWT域水印，然后對(duì)已嵌入DWT域水印的圖像進(jìn)行分塊DCT變換，在子塊上嵌入DCT水印信息，這樣，由于先嵌入的DWT域水印有較好的魯棒性，后嵌入的DCT域水印不會(huì)對(duì)DWT域水印形成攻擊。

2.2 嵌入算法

文中采用的原始圖像是256*256的Lena圖像，而水印則是采用32*32標(biāo)識(shí)為“印”的圖像。算法流程如下：

1）文中采用32*32大小的二值圖像作為水印原始信息，出于對(duì)水印系統(tǒng)安全性和魯棒性的考慮，在嵌入之前，應(yīng)先對(duì)水印信息進(jìn)行置亂，這樣可以加強(qiáng)水印信息的安全性，也為了降低水印像素彼此之間的相關(guān)性。產(chǎn)生的置亂次數(shù)可以作為提取水印的密鑰。置亂的方法有很多種，文中采取一種簡單有效的置亂方法——Arnold置亂，這種算法具有周期性，且大幅減少了計(jì)算量。

2）為了降低原始圖像像素之間的相關(guān)性，并提高水印的不可感知性和魯棒性，文中要對(duì)原始圖像進(jìn)行小波分解。然后出于對(duì)水印不可感知性和魯棒性的綜合考慮，將選取HH3作為水印的嵌入位置。嵌入公式為：

其中，XI（i，j）是嵌入水印圖像的小波系數(shù)，X（i，j）是原始圖像的小波系數(shù)，WI（i，j）為置亂后的水印圖像的小波系數(shù)，aw是水印嵌入的強(qiáng)度。

3）將已嵌入DWT域水印的圖像分成32×32個(gè)8×8的塊，并對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換。

4）嵌入DCT域水印。

dct水印嵌入公式如下

其中，i為水印嵌入坐標(biāo)，j為dct水印的像素定位 （av為加權(quán)系數(shù)），BLOCK（i）為帶dwt水印圖像子塊，WBLOCK（i）為dct水印的子塊。

設(shè)計(jì)嵌入模型為：

圖3 水印嵌入算法

2.3 攻擊測(cè)試

根據(jù)嵌入模型和公式，編寫MATLAB程序，運(yùn)行程序得到仿真結(jié)果如下。

圖4 未受攻擊帶水印圖像和直接提取水印

由圖4可看出，嵌入水印后的帶水印圖像只有局部出現(xiàn)噪點(diǎn)，這是由于dwt域水印算法中水印嵌入強(qiáng)度較大的緣故，其目的也是為了保證dwt水印的魯棒性，未受任何攻擊時(shí)，提取出的水印清晰可辨，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行下一步的攻擊測(cè)試。

圖5 白噪聲攻擊后圖像和提取水印

由圖5可看到，經(jīng)白噪聲攻擊后，帶水印圖像出現(xiàn)了明顯的噪點(diǎn)，這主要是因采用了10倍強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲進(jìn)行圖像攻擊，從提取出的水印可看到dct域嵌入的水印遭到破壞，而dwt域嵌入的水印則具有較好的魯棒性。

圖6 高斯低通濾波攻擊后圖像和提取水印

中值濾波攻擊是一種常見的圖像攻擊，由圖6可看到經(jīng)中值濾波攻擊后圖像的干擾情況要優(yōu)于白噪聲攻擊，從提取出的水印看，dct域水印顯示出圖像遭到強(qiáng)烈的攻擊，而dwt域水印依然具有較強(qiáng)的魯棒性。

圖7 剪切攻擊后圖像和提取水印

剪去帶水印圖像左上角1/4后提取水印，dct域水印清晰的反映了原圖像遭受的攻擊，同時(shí)提取出的dwt域水印依然可以辨識(shí)，因此，該魯棒性水印對(duì)剪切攻擊依然具有較好的抵抗力。

2.4 算法評(píng)價(jià)

對(duì)水印算法不可感知性量化分析主要依靠峰值信噪比PSNR，對(duì)水印算法魯棒性量化分析主要依靠歸一化系數(shù)NC。

峰值信噪比表現(xiàn)的是嵌入水印后圖像與原圖像視覺差別的量化分析系數(shù)，其公式為：

WI(i,j)和W(i,j)分別是嵌入水印后圖像和原圖像像素信息，M和N為宿主圖像和水印圖像的尺寸。PSNR值越大，不可見性越好。

歸一化系數(shù)主要表現(xiàn)的是經(jīng)攻擊后提取出的水印圖像和原圖像的相似程度的量化分析，其公式為：

其中I′(i,j)是經(jīng)攻擊后提取出的水印，I(i,j)是原始水印，N為水印圖像的尺寸。

由于文中主要討論的是dct域嵌入水印反映圖像被攻擊情況和dwt域水印的魯棒性，所以在此對(duì)幾類攻擊后提取的水印圖像與原始水印信息比對(duì)，求出其相似系數(shù)NC。

由表1可看出，Dct域嵌入水印對(duì)圖像惡意攻擊較為敏感，其水印NC比對(duì)值明顯偏?。欢鳧wt域嵌入水印NC比對(duì)值較接近1，對(duì)惡意圖像攻擊具有較好的抵抗力，具有較好的魯棒性。

表1 各類攻擊后提取水印NC系數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文中主要在分析小波變換原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三級(jí)小波變換對(duì)256*256的Lena宿主圖像進(jìn)行分解，然后在綜合考慮嵌入水印對(duì)宿主圖像的影響（不可知性）和水印的強(qiáng)健性（魯棒性）以及水印嵌入強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，在第三層小波分解的對(duì)角線高頻子帶HH3上嵌入Arnold置亂后的32*32的圖像標(biāo)識(shí)為“印”的二值圖像水印；然后對(duì)帶dwt水印的圖像進(jìn)行分塊，并對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換，在高頻系數(shù)子塊上嵌入另一個(gè)水印，形成雙水印方案。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，脆弱性水?。╠ct域嵌入水印）魯棒性較差，但可清晰反映圖像是否被攻擊，并可反映部分攻擊的具體位置；魯棒性水?。╠wt域嵌入水?。?duì)白噪聲、中值濾波、剪切等幾類常見攻擊具有較好的抵抗力。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)較為簡單，可用于數(shù)字圖像產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)定，具有較好的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

信息時(shí)代高速發(fā)展，對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的產(chǎn)權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)定是一個(gè)重要問題。本文提出的基于分塊離散余弦變換和離散小波變換的雙水印算法可以較好的解決這個(gè)問題。DCT域嵌入水印較為脆弱，對(duì)一般無意干擾具有一定的抵抗力，但對(duì)圖像惡意篡改較為敏感，可作為圖像是否被惡意攻擊的標(biāo)識(shí)；而DWT域算法基于人類視覺系統(tǒng)，在宿主圖像能量集中的高層分解子帶嵌入水印，對(duì)幾類常見的攻擊都具有較好的抵抗力，具有較好的魯棒性，可作為圖像版權(quán)保護(hù)的有力手段。

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Dual watermarking algorithm based on DCT domain and DWT domain chunked improvement

YANG Jian，ZHU Li
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Single watermarking algorithm in image protection function is single，dual watermarking algorithm proposed in this paper DCT discrete cosine transform and discrete wavelet transform DWT based on a combination of sub-blocks.Wavelet domain watermarking algorithm based on human vision system HVS image decomposition，have robust，can be used as image copyright protection；block-based discrete cosine transform watermarking algorithm less robust but block positioning can be used to image integrity finds.After the attack to test the algorithm DCT domain watermarking can resist interference in general，integrity authentication of digital images，and when subjected to malicious attacks may reflect the image is tampering；and DWT domain watermark has good resistance to malicious attacks.

dual watermark；DCT；block；DWT；rubustness；HVS

TP317.4

A

1674-6236（2016）18-0145-04

2015-09-02 稿件編號(hào)：201509009

楊 劍（1991—），男，江西九江人，碩士研究生。研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)。