一種基于Arnold技術(shù)的彩色圖像數(shù)字水印算法研究

尚 存，李國(guó)梁，馬文鵬，李為華

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南 信陽(yáng)464000)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多知識(shí)產(chǎn)品能夠迅速地在網(wǎng)上發(fā)布和傳輸，由此帶來(lái)了數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和信息安全問題.如何防止知識(shí)產(chǎn)品被任意復(fù)制及傳播，也是當(dāng)前急需解決的問題[1,2].隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印技術(shù)在版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)方面起到了越來(lái)越重要的作用.早期的數(shù)字水印技術(shù)大多是在載體圖像中嵌入灰度圖像，其缺點(diǎn)為由于人眼對(duì)色彩的敏感度高，不利于對(duì)色彩更好地解釋；而彩色圖像所包含的版權(quán)保護(hù)信息更加直觀和生動(dòng)，針對(duì)彩色圖像的數(shù)字水印技術(shù)的研究得到了廣泛的重視.目前已形成一些水印嵌入方法，林碧霞等[3]提出基于二維離散小波變換的水印嵌入方法，利用二維離散小波變換的多分辨率分析特性，實(shí)現(xiàn)一種自適應(yīng)的水印嵌入算法,將水印圖像嵌入到彩色圖像中,具有較好的不可見性；劉連山[4]等提出彩色圖像綠色分量的數(shù)字水印嵌入方法，將水印直接嵌入在RGB圖像的綠色分量中，該方法能夠有效抵抗有損壓縮和加噪攻擊.本文提出一種基于HSI顏色空間的彩色圖像水印嵌入方案.第一，基于HSI色彩空間，將原始彩色圖像的各分量實(shí)現(xiàn)8×8分塊，并對(duì)每個(gè)分塊實(shí)現(xiàn)DCT變換及系數(shù)量化操作；第二，采用多重嵌入的方法，在各個(gè)彩色分量相同位置像素塊的DC系數(shù)上嵌入通過Arnold變換處理過的魯棒水印，并在提取水印時(shí)按照少數(shù)服從多數(shù)的原則確定像素塊相應(yīng)的水印信息.

1 彩色空間的選取

彩色圖像大多是由RGB色彩空間來(lái)表達(dá)，由于相比RGB，HSI描述色彩對(duì)人來(lái)說(shuō)更加直觀和自然.本文采用更加適合人類視覺特性的HSI彩色空間.HSI色彩空間中顏色三要素是色調(diào)(H)、色飽和度(S)和強(qiáng)度(I).三要素構(gòu)成的3個(gè)分量.由于在HSI彩色空間中亮度和色度是互相分離的，所以在彩色圖像分割應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢(shì).彩色圖像在嵌入水印前,首先要由RGB顏色模式轉(zhuǎn)換為HSI顏色模式,當(dāng)水印嵌入完成時(shí),再由HSI顏色模式轉(zhuǎn)換回RGB顏色模式[5-8].

2 水印圖像預(yù)處理

Arnold變換定義如下：設(shè)有單位正方形上的點(diǎn) (x,y),將點(diǎn) (x,y)變到另一點(diǎn)(x′,y′), 變換公式如式(1)所示：

(1)

其中:(x,y)是原圖像的像素點(diǎn)坐標(biāo)，(x′,y′)是變換后新圖像的像素點(diǎn)坐標(biāo)，M表示數(shù)字圖像矩陣階數(shù)[10].

原始水印圖像通過Arnold置亂變換后，效果如圖1和2所示.使用Arnold置亂變換增強(qiáng)了破譯的難度，因而有利于創(chuàng)建者自由控制算法的選擇.

3 水印圖像嵌入算法

3.1 色彩空間互相轉(zhuǎn)換

對(duì)于色彩空間的互相轉(zhuǎn)換，由RGB色彩空間轉(zhuǎn)變?yōu)镠SI色彩空間轉(zhuǎn)換公式如下：

(2)

其中：I為亮度分量，H和S為兩個(gè)色差分量.

在實(shí)際公式表達(dá)中無(wú)論是幾位色深描述一種顏色，在相同像素情況下，實(shí)現(xiàn)的H、S、I數(shù)值是相同的.因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效抵抗色深變換攻擊，這里采用色彩空間由RGB到HSI的轉(zhuǎn)換.

圖1 未嵌入時(shí)原水印圖像Fig. 1 Unembedded watermark image

圖2 置亂后的水印圖像Fig. 2 The watermark image afterAronld transformation

3.2 提取I分量完成分塊

從圖像提取亮度分量I，將圖像進(jìn)行分塊,分塊標(biāo)準(zhǔn)為8×8，每個(gè)分塊表示

本算法水印嵌入流程如圖3所示.

3.3 DCT變換及量化處理

(3)

3.4 實(shí)現(xiàn)Zig-Zag排序

3.5 實(shí)現(xiàn)彩色圖像水印嵌入

(4)

3.6 實(shí)現(xiàn)反量化

主要實(shí)現(xiàn)過程為反量化處理嵌入的水印信息，并進(jìn)行逆DCT變換，隨后完成嵌入水印，最后反變回RGB色彩空間，從而完成本水印嵌入方案.其逆轉(zhuǎn)換如公式(5)：

(5)

圖3 本算法水印嵌入流程圖Fig. 3 The flow chart algorithm for watermark embedded

為了驗(yàn)證本水印方案的有效性，分別采用不同的嵌入因子進(jìn)行測(cè)試，采用NSNR測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)[12,13].其中NSNR表示為各個(gè)通道的信噪比，信噪比定義為設(shè)x(m,n)為原始圖像，y(m,n)為重構(gòu)圖像，M為圖像的高，N為圖像的寬，φ[·]是一種運(yùn)算符，可以取為恒等運(yùn)算，此時(shí)圖像的歸一化均方誤差如公式(6)-(7)：

(6)

從而，定義信噪比為：

NSNR=-10log(NMSE) .

(7)

通過HSI彩色空間嵌入水印后的效果顯示本文提出的水印方案具有較高的信噪比.HSI彩色空間嵌入水印后的效果評(píng)價(jià)如表1.其中NSNR(R)、NSNR(G)、NSNR(B)分別為采用三個(gè)彩色空間嵌入方式嵌入水印后的圖像的R、G、B各通道的信噪比.

4 水印的嵌入和提取測(cè)試

4.1 水印的隱藏性測(cè)試

本試驗(yàn)的嵌入與提取通過應(yīng)用Matlab7.0進(jìn)行.圖4為水印圖像，圖5為載體圖像.通過本文上述嵌入方案，將水印嵌入圖像的I分量后的圖像如圖6所示.

表1 HSI彩色空間嵌入水印后的效果評(píng)價(jià)Tab.1 The result evaluation afterembedding watermark for HSI color space

圖4 水印圖像Fig. 4 The watermark image

圖5 載體圖像Fig. 5 The carrier image

圖6 嵌入到I分量后的圖像Fig. 6 The image after embedded watermark image on I space

圖7 提取的水印圖像Fig. 7 The extracted watermark image

通過對(duì)比，嵌入水印圖像后視覺上未發(fā)生顯著降質(zhì)，變化差異不明顯.經(jīng)過計(jì)算,起峰值信噪比為30.52，顯示出本水印方案具有較好的隱藏性.

4.2 水印提取效果

將圖6的水印圖像進(jìn)行水印的提取，提取的水印圖像如圖7所示，發(fā)現(xiàn)提取的水印圖像清晰度效果是良好的.

5 抵抗攻擊試驗(yàn)測(cè)試

5.1 抵抗高斯攻擊

為測(cè)試水印方案的抗高斯攻擊能力，對(duì)嵌入水印圖像進(jìn)行高斯攻擊試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2，其中參數(shù)NC表示魯棒水印相似度.通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在高斯濾波相應(yīng)參數(shù)值下，提取的水印效果是良好的.

5.2 抗剪切攻擊

在測(cè)試水印方案抗剪切攻擊試驗(yàn)中，對(duì)嵌入水印的圖像分別進(jìn)行剪切, 剪切比例分別為圖像的1/256,2/256,4/256,8/256,16/256,32/256, 如表3，其中參數(shù)NC表示剪切水印信息相似度.

表2 高斯濾波提取水印相似度評(píng)價(jià)Tab. 2 The result evaluation watermark imageextracted after diagrams of Gaussian filtering

表3 剪切攻擊提取水印相似度評(píng)價(jià)Tab. 3 The result evaluation watermark imageextracted after shearing attacking

通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)抗剪切攻擊中提取水印效果是良好的，顯示出本水印嵌入方案具有良好的魯棒性.

6 結(jié)論

本研究以彩色圖像作為載體圖像，將數(shù)字水印嵌入到HSI彩色空間中的I分量中，能夠?qū)崿F(xiàn)有效抵抗色深變換攻擊.通過實(shí)驗(yàn)證明，本水印技術(shù)具有良好的不可見性和魯棒性.對(duì)彩色圖像等級(jí)認(rèn)證和版權(quán)標(biāo)識(shí)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性.