基于模式分組和分辨率調(diào)整的盲圖像水印算法

摘 要：提出了一個(gè)新的基于分組模式編碼和分辨率調(diào)整的盲數(shù)字圖像水印算法，該算法首先在圖像的空間域中隨機(jī)選取相應(yīng)位置系數(shù)的比特位作為水印的嵌入?yún)^(qū)間，對(duì)選出的比特位根據(jù)分組編碼原理生成預(yù)嵌入模式，然后將一個(gè)二值水印圖像嵌入到模式中并對(duì)其進(jìn)行分辨率調(diào)整。實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)模式分組編碼和分辨率調(diào)整相結(jié)合的方法，可達(dá)到水印圖像透明性和魯棒性之間較好的折衷，對(duì)于各種常見的圖像處理操作具有較好的抵抗能力。

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關(guān)鍵詞：分組編碼；分辨率調(diào)整;模式;水印

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0111302

A Blind Image Watermarking Technique Based on Pattern

Group Coding and Resolution Adjustment

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LEI Ben，ZHANG Zhuancheng，YANG Huiya

(Armed Police Force Engineering College，Xi′an，710086，China)

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Abstract：It introduces a new blind digital image watermarking algorithm based on the group coding and resolution adjustment.Firstly it chooses the coefficients in the space domain randomly and uses the pattern coding to generate the pre-embedded pattern.Secondly it embeds the watermarking into the pattern and adjusts the resolution.It is showed in the experiments that this method has good performance between the sightlessness and the robustness as well as countering the digital image processing.

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Keywords：group coding;resolution adjustment;pattern;watermarking

1 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，版權(quán)認(rèn)證和信息的安全問(wèn)題成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題，因此數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前人們研究的水印算法大都集中在變換域，是因?yàn)樵诳臻g域中嵌入水印魯棒性不好的缺陷。但是應(yīng)該注意到的一點(diǎn)是空間域中嵌入水印具有嵌入容量大的特點(diǎn)。本文根據(jù)這一特點(diǎn)，提出了一種新的基于模式分組編碼和分辨率調(diào)整的盲圖像水印算法，達(dá)到了魯棒性和透明性的一個(gè)比較好的折衷，同時(shí)保持了嵌入容量大的優(yōu)點(diǎn)。該算法首先在空間域中隨機(jī)選擇適當(dāng)個(gè)數(shù)的系數(shù)作為水印的嵌入?yún)^(qū)間，然后對(duì)所選系數(shù)相應(yīng)的比特位進(jìn)行模式分組編碼(Pattern Group Coding Technique)，將一幅二值圖像嵌入到原始圖像中，最后對(duì)嵌入水印的系數(shù)進(jìn)行分辨率調(diào)整

從而達(dá)到魯棒性和透明性的要求。 

2 模式分組編碼(PGCT)

表1給出了本文所用到的模式分組編碼表，表中共有16個(gè)模式，每4個(gè)模式為一組，并為每一個(gè)模式規(guī)定了一個(gè)2位的二進(jìn)制模式值。同一組模式具有相同的模式值。

利用表1這樣的模式分組編碼，可以得到基于模式分組編碼的水印嵌入原理。假定wi=(w1，w2)為將要嵌入的2 b水印信息，wi∈{0，1}，i=1，2，將水印wi=(w1，w2)嵌入模式gi=(g1，g2，g3，g4)，gi∈{0，1}，i=1，2，3，4。水印的嵌入是本著g和g′的漢明距離最小的原則進(jìn)行的，可以保證只修改模式中小于或等于1 b的信息即可得到嵌入水印后的模式g′i=(g′1，g′2，g′3，g′4)，g′i∈{0，1}，i=1，2，3，4。例如由表1可得，若將水印(0，0)嵌入到模式(0，0，0，1)中，則不需要對(duì)原始模式進(jìn)行修改；若將水印(0，1)嵌入到模式(0，0，0，1)中，只需修改第3位，使其變成模式(0，1，0，1)即可；將水印(1，0)嵌入到模式(0，0，0，1)中，只需修改第4位，使其變成模式(1，0，0，1)即可；將水印(1，1)嵌入到模式(0，0，0，1)中，只需修改第1位，使其變成模式(0，0，0，0)即可。其他模式的水印嵌入情況類似，不再贅述。

3 水印嵌入算法

具體操作過(guò)程如下：

(1) 利用密鑰K1隨機(jī)選取載體圖像中相應(yīng)位置的n個(gè)系數(shù)作為水印嵌入的系數(shù)，其中n=2×m，m為二值水印的大小。

(2) 載體系數(shù)的區(qū)間的選擇：對(duì)于一個(gè)8 b象素b=b7b6b5b4b3b2b1b0而言，由于修改b7位對(duì)圖像質(zhì)量影響比較大，而修改b0位(LSB算法)魯棒性又不好，因此我們利用密鑰K2隨機(jī)選擇一個(gè)象素的b6~b1中的一位作為水印嵌入?yún)^(qū)間。

(3) 生成預(yù)嵌入模式：在選出系數(shù)的每一個(gè)系數(shù)中隨機(jī)選取1個(gè)比特位，每4個(gè)隨機(jī)比特位編為一組生成水印的預(yù)嵌入模式。

(4) 二值水印的預(yù)處理：將二值水印逐行掃描得到一個(gè)一維序列，而后每2位一組，生成水印模式組。

(5) 嵌入運(yùn)算：利用模式分組編碼原理修改第(3)步中生成的預(yù)嵌入模式，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

(6) 分辨率調(diào)整：對(duì)于一個(gè)嵌入水印后的8 b象素

b′=b7…b′i…b0，假設(shè)已經(jīng)在b′i位嵌入了水印，則保持b7，b′i，b0三位不變，調(diào)整除b7，b′i，b0外5位的值使得|b－b′|最小。

4 水印的檢測(cè) 

首先利用密鑰K1選出嵌入水印的象素，再利用K2選出嵌入水印的象素比特位，然后根據(jù)分組編碼原理每4位一組計(jì)算出該模式對(duì)應(yīng)的模式值，即為該模式中所嵌入的水印信息。最后將提取出的水印信息還原成二值水印圖像。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 水印透明性實(shí)驗(yàn)

本文以512×512×8的“Barb”圖像為例對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，水印為64×64大小的二值圖像。原始圖像如圖1(a)所示，嵌入水印后的圖像如圖1(b)所示，水印圖像如圖1(c)所示。

從顯示中可以看出，在嵌入4 096 b的二值圖像水印后，原始圖像和嵌入水印后的圖像沒(méi)有視覺(jué)上的差異，這時(shí)的峰值信噪比(PSNR)高達(dá)49955 0。 

5.2 魯棒性實(shí)驗(yàn) 

本文對(duì)加了水印的Barb圖像進(jìn)行了一些常見的攻擊實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了遭到攻擊后含水印圖像的峰值信噪比(PSNR)和提取出水印的正確率(BCR)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新的可用于版權(quán)認(rèn)證的基于模式分組編碼和分辨率調(diào)整的盲數(shù)字圖像水印算法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)證，本算法具有良好的魯棒性和透明性，能夠抵抗多種圖像處理操作和噪聲的攻擊。與同類算法相比較有以下優(yōu)點(diǎn)： 

(1) 分組模式編碼的引入大大增強(qiáng)了水印的透明性和魯棒性。

(2) 與分辨率調(diào)整相結(jié)合，提高了同等條件下的峰值信噪比(PSNR)。

(3) 水印信息嵌入容量比較大。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］孫圣和，陸哲明，牛夏牧.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］張家樹，肖先賜.基于廣義混沌映射切換的混沌同步保密通信[J].物理學(xué)報(bào)，2001，50(11):2 121-2 125.

［3］Craver S，Memon N，Yeo B L，et al.Resolving Rightful Ownerships with Invisible Watermarking Techniques:Limitations，Attacks and Implications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1998，16(4):573-586.

［4］Kutter M，Jordan F，Bossen F.Digital Watermarking of Color Images Using Amplitude Modulation[J].Journal of Electronic Imaging，1998，7(2):326-332.

［5］Low S H，Maxemchuk N F.Performance Ccomparison of Two Text Marking Methods[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1998，16(4):561-572.

［6］吳征坤，韓政.基于混合變換域的數(shù)字水印算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(17):32-34.

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作者簡(jiǎn)介 雷 賁 男，1982年出生，碩士，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”