基于整型小波變換的彩色圖像盲水印算法

摘 要：針對多數圖像水印算法將灰度圖像嵌入宿主圖像的研究現狀，提出了一種基于整型小波變換將彩色數字水印嵌入到彩色宿主圖像中的算法。本算法結合人眼的視覺掩蔽特性， 實現了數字水印嵌入位置的自適應確定，同時采用量化小波系數的方法將彩色水印嵌入到彩色圖像YCrCb模式的Y分量中去，彩色水印的提取不需要原始水印和原始宿主圖像。實驗證明，水印具有良好的不可見性，并且對常見的圖像處理操作具有很強的魯棒性。

關鍵詞：彩色圖像；彩色數字水印；整型小波變換；人類視覺系統；盲水印

中圖分類號：TP309文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)06-2168-02

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.06.051

Blind digital watermarking algorithm for color imagebased on integer wavelet transform

SU Qing-tang

(Dept. of Modern Education Technology Teaching， Ludong University， Yantai Shandong 264025， China)Abstract:Researched most of the images watermarking methods about gray image embedded into host image at present，this paper proposed a digital watermarking algorithm for color watermark embedded to color host image based on IWT (Integer Wavelet Transform).According to the human visual system peculiarity and quantizing the wavelet coefficient，embedded encrypted watermark adaptively into the Y luminance component of the YCrCb mode in IWT domain.The algorithm allows extracting watermark without the help of original watermark and host image. Experiment results show that the embedded watermark is invisible and robust against common image processing.

Key words:color image; color digital watermark; integer wavelet transform; human visual system; blind watermark

隨著網絡技術的飛速發展，數字產品的知識版權保護已成為迫切需要解決的一個重要問題。數字水印技術作為信息隱藏技術研究領域的重要分支，是解決媒體版權保護問題的有效方法^[1]。眾所周知，網絡圖片中彩色圖片占有量超過95%，同時由于彩色圖片所包含的版權保護信息非常大，甚至可以將知識產權擁有者的商標信息嵌入到其數字產品中，彩色水印技術的研究越來越受到人們的重視。雖然文獻[2]是較早研究彩色水印的，但它是將彩色水印嵌入到灰度圖像的，即宿主圖像不是彩色的；而文獻[3]是一種比較典型的將二值數字水印嵌入到彩色圖像的算法，它是當前數字水印研究的一個方向，但其原始水印不是彩色圖像；文獻[4，5]提出基于DWT變換的彩色水印嵌入到彩色圖像的算法，算法簡單快捷，可是提取水印需要原始宿主圖像，不能實現盲提取。

基于上述分析，本文提取一種新的彩色水印算法，其特別之處在于利用整型小波變換，將大容量的彩色數字圖像自適應地嵌入到彩色宿主圖像中去，而且在提取彩色水印時不需要原始宿主或原始水印。

1 彩色水印的嵌入

1.1 彩色水印的ID序列編碼

彩色水印圖像的數字化處理十分重要，它將直接影響到其嵌入性能。數字水印的嵌入過程如圖1所示。為了便于彩色數字水印的嵌入，本文將原始彩色水印圖像W={w(i， j)，0≤i＜P，0≤j＜Q}進行DCT變換、量化系數、JPEG靜態圖像壓縮編碼并置亂^[6]，形成一維二進制序列。

X=xk，0≤k＜3Nw，xk∈{0，1}，Nw=15(P×Q)/16

1.2 宿主圖像的彩色空間變換

彩色空間可用于表示色彩之間的相互關系，主要有RGB、YCrCb、HSV等。其中RGB彩色空間主要用于計算機顯示，而YCrCb 多用于圖像通信。在YCrCb 彩色空間中，Y分量稱為亮度，也就是灰度值，它提供圖像的亮度； Cr和Cb分量稱為色差，它們提供彩色圖像轉換為灰度圖像時的額外色彩信息。其中Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與其亮度值之間的差異，Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與其亮度值之同的差異^[7]。 YCrCb色彩格式具有將色彩中的亮度分量分離開來的優點，因而能在不影響圖像的顏色情況下處理圖像的亮度成分。

為使二維數字水印信息能較強地分布于RGB三個通道，以抵抗各種對彩色圖像進行分色的攻擊，本文選取了YCrCb 彩色空間。首先，將彩色載體圖像從RGB 彩色空間轉換到YCrCb 彩色空間，然后再對YCrCb 彩色空間的Y分量實施水印嵌入，這是因為Y分量可以獨立而充分地反映RGB色彩中的紅、綠、藍色素。RGB彩色空間至YCrCb 彩色空間的模型轉換公式為

YCbCr=0.2990.5870.114

-0.169-0.3310.500

0.500-0.419-0.081×RGB+0128128

1.3 整型小波變換

利用整型小波變換可以有效地克服小波域水印算法普遍存在的舍入誤差問題，因此對Y分量實施四級整型小波變換，得到一系列不同分辨率及不同方向的多種子帶^[8]。

1.4 彩色數字水印的嵌入

為了提高彩色水印圖像的透明性與魯棒性，本文充分結合人眼的視覺掩蔽特性^[9]，給出了數字水印嵌入位置的自適應確定方法(即小波系數選取方法)。具體步驟如下:

a）計算小波系數D(l，θ，x，y)的亮度因子L(l，θ，x，y)。其中l∈{1，2，3，4}表示小波分解層次，θ∈{LL，LH，HL，HH}表示高頻子帶的方向；x，y表示小波系數位置。

b）選擇視覺重要系數用于水印嵌入。亮度因子L(l，θ，x，y)為關鍵字，對所有子帶內的小波系數進行降序排序， 選擇前3Nw個小波系數Ck(k=0，1，…，3Nw-1)作為數字水印嵌入位置。

本文通過采用量化小波系數的方法來嵌入水印比特。設Ck待量化小波系數，C′k量化處理后的小波系數，xk為待嵌入水印比特，xk∈{0，1}，Δl=2.901+0.025B+0.115C，Δl為量化間隔。其中B代表原始宿主圖像的平均亮度，C代表原始宿主圖像的平均對比度。量化修改系數嵌入數字水印過程如下：

（a）定義量化規則。本文將量化函數定義為用量化間隔Δl對待量化小波系數Ck進行二次取模求余運算， 即Q(Ck)=[Ck mod(Δl)]mod(2)。如果Ck mod(Δl)為奇數，則Q(Ck)取1，即Ck歸于1 類；否則Q(Ck)取0，即Ck歸于0類。

（b）量化系數嵌入水印信息。對所選視覺重要小波系數Ck進行適當修改，并賦予二值信息。

如果Q(Ck)不等于xk，則

C′k=Ck-Δl，如果Ck≥Δl

Ck+Δl，如果Δl＞Ck≥0

Ck-Δl，如果0＞Ck＞-Δl

Ck+Δl，如果Ck≤-Δl

否則，不對Ck作任何處理。

1.5 整型小波逆變換

用含有數字水印信息的小波系數C′k代替Ck并結合未修改的小波系數進行四級整型小波逆變換，便可以得到含水印信息的灰度圖像Y′。

1.6 宿主圖像的彩色空間逆變換

利用YCrCb至RGB彩色空間的模型轉換公式為

RGB=1.0000.0001.402

1.000-0.3440.714

1.0001.7320.000×YCb-128Cr-128

便可得到嵌入水印的真彩色圖像I′。

2 彩色數字水印的提取

數字水印的提取由嵌入方式決定，在提取彩色水印圖像時不需要原始的載體圖像。彩色數字水印的提取過程如圖2所示。具體彩色數字水印提取過程如下：

a）彩色空間變換將含水印彩色圖像I′從RGB 彩色空間轉換到YCrCb彩色空間，提取彩色分量Y′并對之實施四級整型小波變換。

b）與2.4節相同的操作，自適應選擇視覺重要的小波系數Ck(k=0，1，…，3Nw-1)。

c）利用規則xk=Q(Ck)(0≤k＜3Nw)提取水印信號。

d）按照彩色水印圖像預處理的相反操作進行置亂逆運算，便可將所提取出的一維二進制序列X={xk，0≤k＜3Nw，xk∈{0，1}}轉換為彩色水印圖像W={w(i， j)，0≤i＜P，0≤j＜Q}。

3 實驗結果

本文的實驗以512×512的24位真彩色Lena 圖像（圖3（a））為原始宿主圖像，以256 ×256 的24位真彩色魯東大學校徽（圖3（b））作為原始水印，選取平均亮度B的值為105，對比度C的值為39，依據Δl=2.901+0.025B+0.115C，故得參數Δl的值為10。為了消除主觀因素的影響，體現版權保護的公正性，除通過視覺來進行判定外，本文使用峰值信噪比（PSNR）來度量嵌入水印后彩色圖像與原始彩色圖像間的相似程度，并采用歸一化的相關系數（NC）^[10]對原始水印與所提取的水印作定量評價。

3.1 性能測試

圖3（c）（d）分別是嵌入水印后的彩色圖像（PSNR=41.243 6 dB）以及未受到任何攻擊時提取的彩色水印（NC=0.999 8）。

3.2 抗攻擊能力測試

通常，對含水印圖像的攻擊方式主要有疊加噪聲、JPEG壓縮、幾何剪切、平滑濾波等。表1給出了本文數字水印算法對常見圖像處理與攻擊的抵抗能力（用歸一化相關系數NC來度量），表中算法1表示本文算法，算法2表示文獻[3]所提到的算法。

表1 對常見圖像處理與攻擊的抵抗能力對比

攻擊方式處理參數算法1算法2

疊加噪聲Salt Pepper0.975 10.88

Speckle0.906 10.84

Gaussian0.934 90.85

JPEG壓縮壓縮比為7.20.907 40.78

幾何剪切四分之一0.990.99

平滑濾波低通濾波0.965 80.92

中值濾波0.952 70.91

與文獻[3]相比，本算法對于一般的圖像操作具有較好的魯棒性，提取彩色水印時不但不使用原始彩色水印，而且提取出的水印具有較好的辨識性。

4 結束語

本文提出了一個新的基于整型小波變換的彩色盲水印算法，其主要特點是利用了人類的視覺特性，根據亮度因子L(l，θ，x，y)自適應調整水印位置，將彩色圖像作為水印嵌入到彩色宿主圖像中，從而使水印具有良好的隱蔽性；通過量化調制小波系數以嵌入水印信息，提高了彩色水印的魯棒性；水印的提取不需要原始圖像。下一步將研究如何嵌入多個水印以實現版權和安全的雙重保護。

參考文獻：

［1］LU C S，LIAO H Y M. Multipurpose watermarking for image authentication and protection [J].IEEE Trans on Image Processing，2001，10(10):1579-1592.

［2］牛夏牧，陸哲明，孫圣和.彩色數字水印嵌入技術[J].電子學報，2000，28(9):10-12.

［3］杜軍.基于YCrCb的彩色圖像的水印方法[J].山東師范大學學報，2008，23(1):146-147.

［4］劉利田，常建平.一種基于HVS的彩色圖像水印算法[J].計算機工程，2007，33(24):144-145.

［5］劉挺，尤韋彥.一種基于離散小波變換和HVS的彩色圖像數字水印技術[J].計算機工程，2003，29(4): 115-117.

［6］王向陽，楊紅穎.基于視覺掩蔽特性的小波域彩色數字水印技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報， 2004，16(9):1240- 1243.

［7］王炳錫，陳琦，鄧峰森.數字水印技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003:26-28.

［8］耿迅，龔志輝，張春美.基于HVS和整數小波變換的遙感圖像水印算法[J].測繪通報，2007(8):20-22.

［9］HO S M，TAEWOO Y.Expert system for low frequency adaptive image watermarking:using psychological experiments on human image perception[J].Expert Systems with Applications，2007，32(2):674-685.

［10］王剛，饒妮妮.小波變換中邊界問題對水印算法性能影響的研究[J].計算機學報，2007，30(10):1872-1879.