抗強(qiáng)剪切的零水印方案

陳亞男 殷柯欣 朱建啟 包芳

摘要：針對(duì)多媒體圖像版權(quán)保護(hù)，提升抵抗強(qiáng)剪切攻擊能力，提出一種基于非負(fù)矩陣分解NMF（Non-negative Factorization）和改進(jìn)的Sobel算子特征提取的零水印方案。方案以抗強(qiáng)剪切攻擊為核心，采用Fibonacci變換和混沌序列置亂技術(shù)對(duì)水印進(jìn)行加密預(yù)處理;對(duì)原始圖像進(jìn)行NMF分解，得到系數(shù)矩陣并注冊(cè)在版權(quán)中心;采用改進(jìn)Sobel算子邊緣提取算法構(gòu)造特征向量，并與水印異或得到原始圖像的版權(quán)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)剪切面積達(dá)到96.50%以上，方案都能有效抵抗強(qiáng)剪切攻擊，同時(shí)對(duì)縮放、加噪、濾波、JPEG壓縮等攻擊具有良好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：零水印;強(qiáng)剪切;NMF;Sobel算子邊緣檢測(cè);魯棒性

中圖分類號(hào)：TP309 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）25-0015-04

Abstract： For copyright protection of multimedia resources and the ability enhancement of zero watermark algorithm to resist strong shearing attack， this paper proposes a zero watermark scheme based on NMF and improved Sobel Operator edge detection. In this scheme， the anti-strong shear attack is the core. Fibonacci transform and chaotic sequence scrambling technology are used to preprocess the watermark. The original image is decomposed with NMF， and the coefficient matrix is registered in the copyright center. The improved Sobel Operatoredge detection is used to construct the feature vector; which is then operated with watermark by XOR operation to obtain the copyright information from the original image. The experimental results show that when the shearing area reaches to 96.50%， the scheme can extract the watermark information well， and also has good robustness against scaling， noise， filtering， JPEG compression， and other attacks.

Key words：zero watermark; strong shearing; NMF; Sobel Operator edge detection; robustness

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，數(shù)字圖像等多媒體版權(quán)保護(hù)成為亟待解決的難題[1]。魯棒性數(shù)字水印技術(shù)能有效進(jìn)行版權(quán)保護(hù)和圖像認(rèn)證，已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。目前，魯棒性數(shù)字水印技術(shù)的研究取得很大進(jìn)展，但是針對(duì)抗幾何攻擊的水印算法仍是多媒體信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)[2]。

抗幾何攻擊的魯棒性數(shù)字水印算法從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上可分為兩種 [3]：第一種是在像素、頻率或者其他變換系數(shù)中嵌入信息實(shí)現(xiàn)水印效果。第二種是基于圖像內(nèi)容的局部化數(shù)字水印方法。如文獻(xiàn)[4]提出基于小波變換和支持向量機(jī)與主成分分析相結(jié)合的一種水印方案，能抵御平移、縮放、剪切、旋轉(zhuǎn)和常見(jiàn)圖像處理操作等攻擊。文獻(xiàn)[5]針對(duì)現(xiàn)有的抗幾何攻擊水印算法的嵌入能力不足和剪切魯棒性弱等問(wèn)題，提出一種基于局部信息的圖像歸一化和Gaussian-Hermite不變矩的算法。該算法對(duì)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放具有良好的魯棒性，在一定程度上可抗剪切攻擊。文獻(xiàn)[6]提出基于雙水印的多媒體內(nèi)容保護(hù)與內(nèi)容認(rèn)證系統(tǒng)。該方案對(duì)各種圖像處理攻擊具有較好的魯棒性。零水印的提出[7]有效解決了傳統(tǒng)數(shù)字水印魯棒性和不可感知性之間的矛盾。文獻(xiàn)[8]提出一種基于分塊NMF和增強(qiáng)奇異值分解相結(jié)合的零水印算法。對(duì)抵抗各種攻擊具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，但抗剪切攻擊上性能會(huì)隨著剪切面積的增大而下降。文獻(xiàn)[9]提出一種基于NSCT變換和圖像歸一化的強(qiáng)魯棒性零水印算法。該算法對(duì)旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、噪聲、濾波等攻擊具有一定的魯棒性。文獻(xiàn)[10]提出一種抗幾何旋轉(zhuǎn)校正后的圖像優(yōu)化零水印算法。該算法能夠有效地抵抗旋轉(zhuǎn)、縮放、循環(huán)平移以及剪切攻擊，但針對(duì)大面積剪切攻擊的魯棒性有待進(jìn)一步提高。以上研究的零水印算法能有效抵抗常規(guī)和常見(jiàn)的攻擊，并未對(duì)強(qiáng)剪切攻擊進(jìn)行詳細(xì)研究。

本文以抗強(qiáng)剪切攻擊為核心，提出了基于NMF算法[11]和改進(jìn)Sobel算子特征提取的零水印方案。對(duì)原始圖像進(jìn)行NMF、改進(jìn)的Sobel算子邊緣提取等處理，得到原始圖像的版權(quán)信息并注冊(cè)在版權(quán)中心。利用剪切攻擊后剩余的部分圖像及注冊(cè)在版權(quán)中心的系數(shù)矩陣重構(gòu)原始圖像，解決了強(qiáng)剪切攻擊的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明，該方案不僅能有效抵抗強(qiáng)剪切攻擊，對(duì)其他常見(jiàn)攻擊具有良好的魯棒性。

2方案分析與設(shè)計(jì)

方案包括零水印生成和零水印檢測(cè)兩個(gè)部分。

2.1零水印生成算法

2.1.1 改進(jìn)的Sobel算子算法

零水印方案的重要內(nèi)容之一就是提取原始圖像的重要特征來(lái)構(gòu)造零水印信息。文中采用Sobel算子進(jìn)行圖像的邊緣檢測(cè)，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)，由兩個(gè)算子模板擴(kuò)展至包括0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°和157.5°共八個(gè)方向的模板[12]，使得提取的圖像邊緣較為完整，連續(xù)性較好。

2.2.2 零水印檢測(cè)與提取

水印的提取和檢測(cè)如圖2所示。

1）通過(guò)時(shí)間戳提取保存在版權(quán)中心的H。

2）若待測(cè)圖像I'遭受剪切，根據(jù)2.2.1算法重構(gòu)圖像。

3）若待測(cè)圖像未遭受剪切，轉(zhuǎn)步驟4）

4）將待測(cè)圖像I'或重構(gòu)圖像進(jìn)行特征提取，同上述生成算法步驟2），得到特征向量C'。

5） 用C'和WM相異或得到D'，對(duì)D'進(jìn)行K2和K1次逆置亂得到S'。通過(guò)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)比較S和S'，進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證方案的有效性，選用標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像Lena（512*512）作為測(cè)試圖像，如圖3所示。有意義二值水印圖像（64*64）如圖4。通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

將本文方案與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]進(jìn)行比較。圖6是不同剪切攻擊下NC的對(duì)比柱狀圖。小面積剪切三者魯棒性不相上下，大面積剪切本文算法表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性。

4結(jié)論

為提高零水印方案抵抗強(qiáng)剪切攻擊的能力，結(jié)合NMF和改進(jìn)的Sobel算子邊緣提取等算法提出一種抗強(qiáng)剪切攻擊的零水印方案。利用NMF的局部感知全局的特性，對(duì)受強(qiáng)剪切后的圖像進(jìn)行重構(gòu)，提取出盡可能精確地水印。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)剪切面積高達(dá)96.875%時(shí)，提取水印精確度為99.67%，實(shí)現(xiàn)了抗強(qiáng)剪切的目的。同時(shí)對(duì)其他包括縮放、濾波、噪聲、壓縮等攻擊具有很強(qiáng)的魯棒性。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】