基于圖像區域極值的數字水印算法的研究

胡奇光

【摘 要】為了提高圖像在空間域嵌入水印后的透明性和穩健性，本文提出了一種基于圖像區域極值的數字水印嵌入和提取方法：首先將圖像分為幾大塊，再將每塊分成許多小的區域，然后將水印同時嵌入各塊每個區域的極值中；在提取水印時按嵌入的逆過程進行。實驗結果表明，該算法水印的隱藏效果好、抗裁剪進攻及抗噪聲干擾能力較強，并具有較高的運行效率。

【關鍵詞】數字水印；數字圖像；區域極值

【中圖分類號】TP393【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0122-02

Image Digital Watermark Algorithm Based on Region Extremum

HU qi-guang

（School of Information Science and Engineering， Hunan City University， Yiyang 41300，China）

【Abstract】For the sake of enhancing the transparence and steadiness of image embedded watermark in spacial domain，a watermarks embedding and extracting algorithm based on image region extremum is presented.At first， the image is separated into several blocks， then each block is separated into smaller regions， at last， the watermark is embedded in each smaller region of each block simultaneously. The watermark extracting is an inverse process of watermark embedding. The test results verifled that the watermark has good hiding effect， stronger anti-cutting performance and anti-noise interference capacity， as well as higher running efficiency.

【Key words】digital watermark； digital image； region extremum

【基金項目】 湖南省科技計劃項目（編號：2012SK3115）

引言

隨著多媒體技術和網絡技術的迅速發展，圖像、音頻和視頻等多媒體數字信息更易于存儲和發布，也能容易地傳播和復制，由此而引發了關于多媒體信息的傳輸安全問題和數字產品的版權保護問題。數字水印技術就是在這種情況下發展起來的一門技術，它通過在原始數字作品中嵌入一些有意義的信息來達到保護版權的目的。一個優秀的數字圖像水印技術應具有透明性、穩健性和安全性等幾個基本屬性。

數字水印技術根據算法工作域的不同可分為空間域和變換域兩種。針對數字圖像在空間域嵌入水印的穩健性較差等問題，本文提出了一種基于區域極值的算法：將數字圖像分成幾大塊，再將每塊分成許多小的區域，然后將水印同時嵌入各塊每個區域的極值中；在提取水印時按嵌入的逆過程進行，不需要原始圖像的參與，可實現水印圖像的提取。實驗結果表明，該算法不但水印的隱藏效果好，又可以抗裁剪攻擊以及噪聲干擾，嵌入及提取水印過程均只需要數秒鐘，具有較高的執行效率。

1 水印算法

1.1 嵌入水印的方法

如果 （ ， ）f x y為原始灰度圖像，其大小為 MM？； （ ， ）W x y為二值水印圖像，其大小為 NN？； （ ， ）g x y為嵌入水印后的圖像。若 2mMNn？？？（其中 ，， ，M N m n均為正整數），則水印嵌入過程可表述為：

（1）將二值水印圖像 W進行置亂，生成新的二值水印圖像 W？（其大小仍為 NN？）；

（2）將原始灰度圖像 f進行偶數量化后的變為 f？，再分成相等的

22mm？個大塊；

2.1 原始圖像及水印

本測試中采用 512，32，1，8MNmn？？？？。測試用原始圖像如圖2（a）所示，它以“.png”格式存儲的256級灰度圖像（512×512）；待嵌入的水印為圖3（a）所示以“.bmp”格式存儲的二值圖像（32×32）。所有實驗測試均在Windows XP Professional + Matlab軟件環境下完成。

2.2 嵌入與提取水印

對圖3（a）原始水印進行Arnold二維變換置亂后。嵌入到圖2（a）原始圖像中，得到如圖2（b）所示的含水印圖像，從圖2（b）中提取的二值水印如圖3（b）所示。

2.4 實驗結果分析

從實驗結果可以看到，圖2（a）的原始圖像和圖2（b）含水印圖像肉眼幾乎看不出什么區別，說明該水印算法的隱蔽性很好；從圖2（b）含水印圖像中提取的二值水印圖像圖3（b）和原始二值水印圖像圖3（a）完全一致。從圖4（a）的含噪聲圖像和圖4（b）的被剪切圖像中提取的二值水印圖像均可清淅地看出水印信息，說明該水印算法的抗噪聲干擾和抗裁剪性能均很好。通過圖4（b）在提取水印的步驟（3）中，如果條件改為，則提取的水印更接近原始水印。水印的嵌入和提取時間均不到10 s。

另外通過對含水印圖像圖2（b）實驗測試，在±30%范圍內改變圖像亮度，均能很好地提取水印；但在改變圖像的對比度時。提取的水印質量很差，甚至不能正確提取。說明該水印算法對亮度改變攻擊的抵抗能力很強而對對比度的改變很敏感。

3 結束語

本文提出了一種基于區域極值的數字圖像二值水印嵌入與盲檢測算法，該算法在對圖像分塊并劃分區域的基礎上，用置亂后的水印信息對每個區域的極值進行奇偶調整，從而實現了二值水印的嵌入。

水印的提取過程與嵌入過程相反。通過判斷各區域極值的奇偶性即可確定嵌入的水印信息是0或1，然后對各塊對應區域提取的信息進行多數綜合并反置亂還原得到二值水印圖像。實驗結果表明，該算法具有較好的視覺質量和較強的穩健性；當水印檢測時，不需要原始圖像的參與，有效地實現了水印的盲檢測。但該算法對對比度改變攻擊的抵抗能力較弱，還需要進一步分析研究。

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