TD-SCDMA交織算法在圖像數字水印中的應用

周炳忠，張 浩，李永平

（溫州職業技術學院 信息技術系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

交織技術在話音通信中有著廣泛的應用，如應用于GSM、TD-SCDMA中可抵抗無線環境中的突發干擾。話音通信中采用的交織多為一維交織算法，該交織算法能有效對抗傳輸中出現的連續、成塊、突發錯誤。語音通信交織處理的是一維信號，而數字圖像可看作二維的數字信號。

為提高圖像數字水印系統的魯棒性，需將TD-SCDMA交織算法由一維拓展至二維。如直接將語音的一維交織技術應用于圖像數字水印系統中，信號離散化效果較差。這是由于二維數據的連續性特征和一維數據的連續性特征存在很大差異，不能有效地糾正這些二維成塊錯誤數據，成塊錯誤對水印的質量影響很大，可能導致水印信息無法識別。為解決成塊錯誤變成離散的狀態，減小水印系統某些幾何攻擊帶來的影響，可將TD-SCDMA幀相關交織算法由一維拓展至二維，并形成基于TD-SCDMA的二維交織算法。關于二維交織算法已有相關研究成果[1-3]，本文結合文獻[4]，將TD-SCDMA二維交織算法應用于圖像數字水印系統中，可有效抵抗剪切攻擊，提升系統的魯棒性。

1 TD-SCDMA幀相關交織原理

為應對干擾，提升話音質量，交織是TD-SCDMA中抵抗連續突發錯誤的有效方式。TD-SCDMA幀相關交織算法原理[5]為：假設待交織的一段數據輸入序列為x1,x2,x3,…,xu，U為CCTrCH信道的一個無線幀內所包含的比特數，等于分割后各物理信道上所發送的比特數之和，即：

其交織步驟為：

（1）將待交織序列的列數定為C=30，編號依次為1,2,…,30。

（2）計算交織的行數R，使之滿足公式：(R-1)C

（3）將形成的行序列輸入交織器。如所有比特輸入完畢但交織器尚未填滿，即當U≤RC時，則需填充相應比特。

（4）按照二次交織列間變換規則（見表1）的交換順序讀出各列。如讀出后的數據為填充比特，則刪除。

經過以上4個步驟后便可得到二次交織后的數據序列。

表1 二次交織列間變換規則

2 TD-SCDMA交織算法在圖像數字水印中的應用

2.1 水印嵌入方案描述

圖像數字水印的主要作用是將版權等信息（水印信息）嵌入到數字圖像中，嵌入水印后的圖像質量未明顯變化，在經歷一定的攻擊后仍能提取出可識別的原始水印，從而實現保護版權、鑒別真偽的目的。

圖像數字水印處理流程大致包括數字水印的生成、嵌入和提取三個過程[6]，如圖1所示。

將TD-SCDMA交織算法應用于圖像數字水印處理，需先將原交織規則拓展至二維，經歷以下5個步驟：

圖1 圖像數字水印處理流程

（1）為增強交織效果，提升數字水印系統的魯棒性，需將原始水印圖像的原始方陣（見圖2a）經過3次塊間置亂（按順時針方向置亂），可得到如圖2b、2c、2d所示的三個方陣。

圖2 原始水印圖像的原始方陣及3次置亂后的方陣

原始水印圖像與第1次置亂后水印圖像的比較如圖3所示。

（2）對圖2b所示的第1次置亂后的30*30水印圖像按列進行交織，第1次交織列間變換規則見表2。

圖3 原始水印圖像與第1次置亂后水印圖像的比較

（3）對第1次按列交織后的水印圖像按行再次進行交織，第2次交織行間變換規則見表3。

二維交織過程后的水印圖像各個分量已經較為均勻地散布在整個圖像區域中，如圖4所示。

（4）參照文獻[5]的方法，將置亂后的水印圖像信息乘以嵌入強度系數0.1后，嵌入到原始圖像DCT（Discrete Cosine Transform）變換域的（2,2）、（1,2）和（2,1）三個位置，如圖5所示。

表2 水印圖像第1次交織列間變換規則

表3 水印圖像第2次交織行間變換規則

圖4 二維交織后的水印圖像

圖5 水印圖像嵌入原始圖像DCT變換域的位置

（5）將嵌入的水印圖像執行DCT反變換得到水印加密后的圖像。

2.2 實驗過程

實驗選用256*256的cameraman.tif圖像作為原始水印圖像（見圖6a），30*30大小的二值圖像作為水印圖像（見圖3a），執行以下步驟：

（1）對原始水印圖像進行2.1中步驟1的置亂處理。

（2）按2.1步驟2和步驟3實現二維交織過程，得到待嵌入的水印圖像。

（3）按2.1步驟4將置亂后的水印圖像信息乘以嵌入強度系數0.1，將二維交織后水印數據嵌入原始水印圖像二層至三層的低頻子帶中。

（4）對嵌入水印后的cameraman圖像進行剪切攻擊，并提取剪切攻擊后的水印圖像。

嵌入水印受攻擊后的cameraman圖像及提取的水印圖像，如圖6所示。

2.3 性能評估

對提取出來的圖像數字水印用歸一化相關系數（NC）衡量水印算法的效果[6]，NC值在0～1之間，表征兩幅圖的相似程度，NC值越接近1表示兩個圖像越相似。

實驗后可得到水印算法抗攻擊性能，用歸一化相

圖6 嵌入水印受攻擊后的cameraman圖像及提取的水印圖像

關系數（NC）衡量水印算法的抗攻擊性能，即：

其中，W表示原始水印圖像，W表示提取的水印圖像。

依（1）式計算NC值，結果見表4。

表4 水印算法抗攻擊性能NC值

為驗證基于TD-SCDMA二維交織算法的有效性，進一步得到剪切攻擊程度與NC值的關系，按行和列分別剪切橫坐標相應比例的連續像素，計算出對應比例的平均NC值，如圖7所示。

由圖7可知，當剪切到10/16時，提取水印所得的NC值仍然大于0.7，基本能識別。隨著剪切面積越大，NC值越小。

圖7 剪切攻擊程度與NC值的關系

3 結 論

本文構建了一種將TD-SCDMA交織算法由一維拓展至二維，并將其應用于數字水印中的方案。實驗結果表明，基于TD-SCDMA的二維交織算法可處理二維圖像信號，應用于圖像數字水印系統中，可使因幾何攻擊形成的成塊連續錯誤分散化，有利于后期的糾錯處理，有效提升了圖像數字水印系統抗幾何攻擊的魯棒性。

[1]潘哲朗，許紅山.SP二維交織算法在水印中的應用[J].廣州大學學報:自然科學版，2005，4(3):220-223.

[2]易琛，張天騏，胡然，等.BSP二維塊交織算法結合RS糾錯碼在水印中的應用[J].計算機應用研究，2012，29(8):3029-3032.

[3]BLAUM M，BRUCK J，VARDY A.Interleaving schemes for multidimensional cluster errors[J].IEEE Transactions on Information Theory，1998，44(2):730-743.

[4]周品，李曉東.MATLAB數字圖像處理[M].北京:清華大學出版社，2012:295-296.

[5]彭木根，王文博.TD-SCDMA移動通信系統[M].北京:機械工業出版社，2007:87-91.

[6]王麗.抵抗幾何形變和剪切攻擊的魯棒圖像水印[D].北京:北京交通大學計算機與信息技術學院，2005.