基于數(shù)字水印的“數(shù)字圖像處理”案例設(shè)計

趙 杰

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

0 引言

當(dāng)今社會數(shù)字圖像處理已經(jīng)在交通安防、生物醫(yī)學(xué)工程、多媒體技術(shù)、智慧農(nóng)業(yè)等諸多方面得到應(yīng)用，人們的社會生產(chǎn)與生活也得到了許多便利。高等院校電子信息類專業(yè)往往也將“數(shù)字圖像處理”作為非常重要的必修或選修課程，主要內(nèi)容為數(shù)字圖像處理的基本原理和常用方法。與工業(yè)生產(chǎn)及社會生活聯(lián)系比較緊密[1-5]。課程理論性較強(qiáng)，而且涉及一定數(shù)學(xué)理論，目前，大多數(shù)高校在教學(xué)過程中利用MATLAB等平臺作為輔助教學(xué)手段，通過代碼編寫與仿真，可以明顯減少直接枯燥數(shù)學(xué)理論講解和簡單的圖示，使學(xué)生可以將理論知識與代碼仿真結(jié)合起來，增進(jìn)對基礎(chǔ)理論的理解[6-8]。但一般的教學(xué)演示或?qū)嶒炦€是以圖像幾何變換、二維傅里葉變換、離散余弦變換、邊緣檢測、圖像增強(qiáng)與復(fù)原、彩色圖像處理等基礎(chǔ)型仿真為主，缺少綜合性與創(chuàng)新型的案例項目[9-10]。

數(shù)字水印技術(shù)作為隱蔽通信和版權(quán)保護(hù)的重要手段，正得到廣泛的研究與應(yīng)用[11]。為增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，結(jié)合學(xué)院教師的科研項目，對教學(xué)案例進(jìn)行了探索和研究。本文以研究熱點“數(shù)字水印”為例構(gòu)建一個利用圖像數(shù)據(jù)位的綜合型案例。

1 綜合性案例設(shè)計

數(shù)字圖像數(shù)據(jù)一般為8位一個字節(jié)的數(shù)據(jù)(RGB彩色圖像每個顏色分量均可看作一個字節(jié)數(shù)據(jù))，低位在前(LSB)，高位在后(MSB)。選擇數(shù)據(jù)位的不同位來表征原始圖像特征的特定信息。如對于一幅8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的灰度圖像，其中的每個比特位可以看作是一個二值的平面，也稱位平面。這樣一個8個數(shù)據(jù)位的灰度圖像可以看作是由8個二值化平面圖像即8個位平面組成，其中每一個位平面只描述原始圖像的部分信息。

1.1 零水印的構(gòu)造

(1)對原始載體圖像P進(jìn)行數(shù)據(jù)位分解，得到數(shù)據(jù)位的最高位M。

(2)將有意義的原始二值水印圖像w經(jīng)過Arnold變換后得到置亂的加密圖像ww。

(3)將得到的數(shù)據(jù)位的最高位與加密圖像ww進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到構(gòu)造圖像F。

1.2 零水印的檢測

(1)對待測圖像Q進(jìn)行數(shù)據(jù)位分解，得到數(shù)據(jù)位的最高位MQ。

(2)將MQ與構(gòu)造圖像F進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算得到F′。

(3)對F′進(jìn)行反置亂得到圖像w′。通過對提取的水印和原始水印圖像做相似度檢測，來判斷待測圖像中是否有零水印存在。

相似度(NC)是判定水印是否存在的一個指標(biāo)，當(dāng)NC大于既定經(jīng)驗閾值，就可判定水印的存在。反之，則認(rèn)為水印不存在。NC的表達(dá)式如下：

仿真所用的原始載體圖像是大小為8位灰度lena圖像，原始水印圖像選用大小為有意義二值圖像，如圖1所示。

對待測圖像(含有水印的載體圖像)在分別經(jīng)過椒鹽噪聲處理、高斯噪聲處理、剪切處理和JPEG壓縮處理等情況下進(jìn)行水印檢測，測試其NC值。

圖1 原始載體灰度圖像和水印圖像

1.3 擴(kuò)展與改進(jìn)

在上述過程基礎(chǔ)上，提示啟發(fā)學(xué)生對算法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，得到多種改進(jìn)思路，本文以較簡單的“多數(shù)原則”方案為例進(jìn)行介紹。該方案主要對構(gòu)造圖像F的生成進(jìn)行修改。

此時將ww與D異或得到F。

以N=8為例測試改進(jìn)算法，攻擊類型與基礎(chǔ)算法一致。以椒鹽噪聲為例，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 改進(jìn)算法椒鹽噪聲攻擊測試結(jié)果

將改進(jìn)算法實驗數(shù)據(jù)與本文基礎(chǔ)算法和文獻(xiàn)進(jìn)行了對比，實驗結(jié)果如表1所示。

為使數(shù)據(jù)更直觀，要求將表中的數(shù)據(jù)繪制成折線圖。其中，橫坐標(biāo)代表對待測圖像不同的攻擊方式，縱坐標(biāo)是提取出的水印與原始水印的相似度，如圖3所示。

表1 攻擊測試對比

圖3 攻擊測試對比

由表1和圖3可知，改進(jìn)算法對常見的圖像處理，提取出的水印與原始水印的相似度均高于基礎(chǔ)算法和文獻(xiàn)[12]方法，達(dá)到了進(jìn)一步提高水印魯棒性的目的。

2 案例討論

該數(shù)字水印案例涉及圖像運(yùn)算及其他處理領(lǐng)域，以零水印生成過程為例，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。標(biāo)注框說明了各環(huán)節(jié)涉及的圖像處理操作，虛線方框為擴(kuò)展內(nèi)容；可以對原始載體圖像進(jìn)行頻域變換，然后將水印隱藏至頻域系數(shù)的數(shù)據(jù)位中，這就涉及圖像頻域變換。檢測時，還會涉及圖像加噪、剪切、JPEG壓縮等內(nèi)容。

圖4 項目案例解析圖

教師在理論課上進(jìn)行簡單介紹，要求學(xué)生課后查閱相關(guān)資料。隨后進(jìn)行操作示范以及必要的講解，學(xué)生可組成小組共同討論完成。在學(xué)生實踐過程中，教師給于指導(dǎo)。首先要求完成基本任務(wù)：利用最高位進(jìn)行零水印生成與檢測，然后進(jìn)行一定的擴(kuò)展引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生思考如何修改算法來進(jìn)一步提高魯棒性。以電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2016級兩個班(共69人)為試點實施，約30%的學(xué)生對數(shù)字水印表現(xiàn)出較明顯的興趣，約74%的學(xué)生對創(chuàng)新性實驗有了初步感受，少數(shù)學(xué)生在完成基本任務(wù)后對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的方案。后續(xù)還需進(jìn)行進(jìn)一步的提煉，設(shè)計更多的綜合性與創(chuàng)新性強(qiáng)的應(yīng)用項目案例。

3 結(jié)語

圖像運(yùn)算是圖像處理實驗的常見項目，多數(shù)實驗過程為讀入多幅感染噪聲的同一場景圖像，然后相加平均削弱噪聲，體現(xiàn)圖像加運(yùn)算的應(yīng)用?；蛑苯訉D像進(jìn)行點運(yùn)算、幾何運(yùn)算等基礎(chǔ)操作。創(chuàng)新型實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、增強(qiáng)理論聯(lián)系實際能力的重要手段。本文以圖像運(yùn)算實驗為例，將教師科研項目的內(nèi)容進(jìn)行簡化、提煉，設(shè)計了創(chuàng)新型實驗項目，使學(xué)生對理論聯(lián)系實踐應(yīng)用有了更好的感受，一定程度上提高了積極性。