基于二值圖像數(shù)字水印算法研究

尹生妹

摘 要：由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點(diǎn)，現(xiàn)有的水印算法大多都無法照搬應(yīng)用于二值圖像上，本文首先對(duì)二值圖像的特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后對(duì)現(xiàn)有基于二值圖像數(shù)字水印算法進(jìn)行分析總結(jié)，為算法的進(jìn)一步改進(jìn)研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：二值圖像 數(shù)字水印算法

所謂數(shù)字水印技術(shù)就是用信號(hào)處理的方法將一些有意義或無意義的水印信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)，被嵌入的水印信息可以是文字、作品的序列號(hào)、標(biāo)識(shí)、特殊意義的圖片等，它以不可見的形式隱藏在多媒體數(shù)據(jù)中，如圖像、視頻和音頻等數(shù)據(jù)，這些被添加進(jìn)去的水印信息可以通過對(duì)應(yīng)的算法從多媒體數(shù)據(jù)中還原出來，從而達(dá)到保護(hù)版權(quán)的效果，其應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益很大，目前現(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)字水印算法的主要是針對(duì)是灰度或者彩色圖像，由于二值圖像沒有過多可以利用的冗余空間，現(xiàn)有的水印算法大多都無法照搬應(yīng)用于二值圖像上。但是二值圖像卻被廣泛應(yīng)用，如雙色印刷的票據(jù)、支票、簽名印章、文檔等等，因此，對(duì)二值圖像數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行深入研究是十分必要的。

一、二值圖像的特點(diǎn)

眾所周知，二值圖像只有兩個(gè)像素值0和1，分別表示純黑和純白，這種“非黑即白”導(dǎo)致了二值圖像上視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點(diǎn)，現(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)字水印算法都是針對(duì)彩色圖像或者灰度圖像.由于這些圖像視覺冗余較大，因而對(duì)其像素值的微小改變是不會(huì)被發(fā)覺的.而對(duì)二值圖像來說，在嵌入水印的同時(shí)又不引起視覺損害就變得比較困難.有時(shí)即使圖像上很小的細(xì)節(jié)部分被不當(dāng)修改也可能會(huì)造成整幅二值圖像的可讀性大大降低，二值圖像的像素值只能取0和1的這種特點(diǎn)導(dǎo)致我們用于灰度或者彩色圖像的典型水印算法無法直接的應(yīng)用在二值圖像上，因此必須針對(duì)二值圖像的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)適用于二值圖像的水印算法。

二、二值圖像的經(jīng)典水印算法

由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點(diǎn)，使得目前國內(nèi)外在二值圖像數(shù)字水印方面的研究較少，但是二值圖像使用范圍正在擴(kuò)大，因此二值圖像的水印算法的研究也逐漸被大家所重視，近年來，也出現(xiàn)了一些經(jīng)典的專門針對(duì)二值圖像的數(shù)字水印算法。主要有：結(jié)構(gòu)微調(diào)法、游程編碼法、圖像特征法、圖像分塊法等。

（1）結(jié)構(gòu)微調(diào)法

這種算法主要通過對(duì)二值圖像中文本的行距和字符間距進(jìn)行輕微改變來嵌入水印信息。主要嵌入方法可分為：（1）調(diào)整行距。主要通過將整行在垂直方向上的移動(dòng)來嵌入水印信息，如嵌入“1”通過文本行上移一定空間表示，嵌入“0”通過文本行下移一段空間表示。但上移下移的距離受人眼視覺能力的限制。水印檢測時(shí)主在通過文本之間的行間距與標(biāo)準(zhǔn)行距的對(duì)比來判斷水印信息。（2）調(diào)整字符間距。主要通過將文本行中字符的位置進(jìn)行水平移動(dòng)來改變字符的間距，從而達(dá)到嵌入水印信息的目的。如字符左移一定空間代表嵌入信息“1”，字符右移一定空間代表嵌入信息“0”。這種算法一般用于在PS或PDF文檔中隱藏?cái)?shù)字水印，抗攻擊性好，但由于文檔中的每個(gè)字符的間距并不是固定的值，因此在提取水印信息時(shí)需要知道文檔中原始字符的間距。

（2）游程編碼法

這種算法就是在傳真?zhèn)鬏斨?，先采用游程編碼（RL）對(duì)二值圖像進(jìn)行編碼，然后將其以霍夫曼編碼進(jìn)行壓縮傳輸空間。如Matsui提出了一種適用于二值圖像的傳真文件，該算法主要通過使游程編碼的長度減少1或者增加1，由此來改變了游程編碼的奇偶性，而修改后的奇偶性質(zhì)就代表了嵌入的水印信息。這種水印嵌入算法具有算法簡單、信息隱藏效果較好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在游程較多時(shí)，載體圖像容易失真，水印的不可感知性較差。

（3）圖像特征法

這種算法主要是利用二值圖像的字體的線條粗細(xì)特征、筆畫特征、線條的曲率及相對(duì)位置等多種特征。通過修改二值圖像的這些特征來嵌入水印信息，修改不同的特征代表不同的水印信息。具體實(shí)現(xiàn)方法為。首先，需要對(duì)字體二值圖像字體部分的筆畫連接情況進(jìn)行分析，然后再根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)字體圖像筆畫進(jìn)行分塊，可以再將分塊進(jìn)一步劃分為4個(gè)子塊；然后計(jì)算分塊后筆畫的平均像素寬度；最后4個(gè)子塊劃分為兩組，然后通過筆畫部分變粗（嵌入1）和變細(xì)（嵌入0）來嵌入水印信息。檢測水印時(shí)候主要通過檢測字體二值圖像的筆畫粗細(xì)來識(shí)別水印信息。這種算法視覺效果好，缺點(diǎn)是這種算法在水印檢測提取時(shí)需要原圖像參與，因此該算法也不能在要求盲提取的前提下使用。

（4）圖像分塊法

圖像分塊法就是先將圖像劃分為M×N大小的子塊，然后根據(jù)某種策略對(duì)選取可用的子塊進(jìn)行修改像素點(diǎn)來達(dá)到水印信息的嵌入。如Koch提出一種基于分塊來修改圖像分塊的算法，通過修改圖像子塊中黑白的像素比例來代表嵌入的水印信息。該算法魯棒性差，水印嵌入量有限。M.Wu提出一種通過計(jì)算圖像塊的垂直、水平、斜對(duì)角、對(duì)角等連續(xù)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來對(duì)像素的連通平滑性進(jìn)行計(jì)算評(píng)分，然后通過對(duì)評(píng)分高的像素點(diǎn)進(jìn)行像素的翻轉(zhuǎn)來表達(dá)嵌入的水印信息，這種算法隱蔽性好，水印嵌入量也較大，不可感知性好。

近幾年來，小波分析也大量應(yīng)用到基于二值圖像的數(shù)字水印算法中，并成為人們研究的熱點(diǎn)。其基本思想就是把二值圖像通過小波變換進(jìn)行多分辨率分解，從而分解成不同頻率、不同空間的子圖像，再根據(jù)各個(gè)子圖像的特點(diǎn)有針對(duì)性的處理，如選取二值圖像小波域中頻系數(shù)作為水印信息的嵌入位置?；蚴歉鶕?jù)水印圖像中的0、1像素分布情況來設(shè)置調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)水印的嵌入過程進(jìn)行調(diào)節(jié)等。

結(jié)語

綜上所述，隨二值圖像在日常生活中廣泛使用，對(duì)二值圖像防偽需求也正日益增加，由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點(diǎn)，因此現(xiàn)有的水印算法大多魯棒性差，因此我們在針對(duì)二值圖像的設(shè)計(jì)水印算法時(shí)，需想方設(shè)法提高算法的魯棒性，同時(shí)，基于二值圖像的數(shù)字水印印刷防偽技術(shù)還處于初步的研究階段，要使其真正應(yīng)用于印刷防偽中還有待于進(jìn)一步的研究

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