一種改進的基于DWT的數字水印技術

摘 要：提出一種改進的基于離散小波變換（DWT）的數字水印算法。原理主要基于離散小波變換的多分辨特性，以及人眼視覺系統的感知特性。算法實現過程：首先將水印信息和載體圖像同時進行小波分解，然后將水印信息不同的頻域部分對應嵌入到載體圖像不同的頻域部分。

關鍵詞：離散小波變換；數字水印；魯棒

引言

與空間域的方法比較而言，基于變換域的數字水印方法具有較高的魯棒性[1]。在變換域算法中，可以使用的正交變換形式有多種[2]，如離散傅立葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）、離散小波變換（DWT）、LOT（Lapped Orthogonal Transform）變換等。本文研究基于DWT的數字水印算法的改進，旨在進一步提高算法的魯棒性。

1 改進算法的基本原理

首先對載體圖像進行三層離散小波分解，對水印圖像進行兩層離散小波分解，然后根據人眼視覺特性，采取不同的調制因子a，將水印圖像近似圖（低頻）對應嵌入原圖像的近似圖（這里a的取值范圍為0.06～0.08），水印細節圖（中高頻）對應嵌入原圖的細節圖（中頻）（這里a的取值范圍為0.2～0.4），載體圖像被嵌入部分不包括HH3、HH2和HH1子圖（即高頻部分），因為這些子圖是高頻區，噪聲一般是高頻的，噪聲主要影響這些部位的小波系數據此，把水印分解的小波系數有選擇地分布在原圖像的低頻區域和中頻區域中。

2 使用Arnold變換對嵌入前的水印圖像進行預處理

在大多數數字水印系統中，為了提高水印的安全性和可靠性，水印信息在隱藏以前都要經過一些預處理如加密、加擾、置亂、差錯控制編碼等技術。其中圖像置亂是利用某種算法將一幅圖像各像素的次序打亂，但像素的總個數不變，直方圖不變。由于對水印進行置亂可以消除水印像素的空間相關性，從而提高水印抗圖像剪切操作的強壯性，本文采用置亂變換-Arnold變換[3]，作為水印嵌入的預處理方法。該變換在圖像恢復的過程中，可以把遭到損壞的比特分散開來，從而減少受損比特對人主觀視覺的影響，相應地提高數字水印的魯棒性。

3 水印嵌入算法

（1）載體圖像進行三層DWT，將小波系數按能量從大到小排序。

（2）水印圖像首先進行置亂變換，然后進行兩層DWT，并將小波系數按能量從大到小排序。

（3）把排列后的水印圖像小波系數按公式（1）方式嵌入到載體小波系數。

（4）將結果進行逆離散小波變換，并按照新的小波系數重構，得到含水印的圖像。

4 水印提取算法

水印的提取過程是嵌入的逆過程。由于在提取水印時，需要使用原始圖像，因此首先將含水印圖像和原始圖像分別進行三層小波變換。本文算法水印提取過程：

（1）對含水印圖像進行三層DWT，并將小波分解系數按能量從大到小進行排序。

（2）對載體圖像進行三層DWT，并將小波分解系數按能量從大到小進行排序。

（3）比較上述排序系數，并按公式（2）計算出嵌入的水印系數。

（4）按照新的小波系數重構，得到水印的置亂圖像。

（5）經過再一次置亂變換，即可得到提取出來的水印圖像。

5 實驗仿真

5.1 評價參數

參考文獻

[1]吳曉，龍奕，尹忠科，王建英.依據HVS的改進Bandelet變換域圖像數字水印[J].計算機工程與應用，2010，46（8）：163-166.

[2]Pao-Ta Yu，Hung-Hsu Tsai，Jyh-Shyan Lin. Digital watermarking based on neural networks for color images [J].Signal Processing，2001，81： 663～667.

[3]侯文濱，吳成茂.基于Arnold變換的圖像分存加密方法[J].計算機應用，31（10）：2682-2686.

[4]魯江，王緒強，藺鵬等.基于小波變換的數字水印算法[J].計算機工程與設計，2007，27（9）：1685～1688.

[5]姚慶棟等.圖像編碼基礎[M].北京：人民郵電出版社，1994.