基于DWT和SUDOKU的多功能數(shù)字圖像水印算法

晏細(xì)蘭 謝景明 熊茂華

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 廣東 511483）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字產(chǎn)品的安全問題面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，數(shù)字水印（Digital Watermarking）技術(shù)作為數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)及內(nèi)容認(rèn)證的一種有效手段，獲得越來越多的關(guān)注。數(shù)字水印技術(shù)是指利用一定的算法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入具有保密性和唯一性的數(shù)字信息，嵌入的數(shù)字信息稱為數(shù)字水印，其通常是不可見的。根據(jù)嵌入的水印作用來分，數(shù)字水印可分為三種類型，魯棒水印，脆弱水印和半脆弱水印。魯棒水印通常是用于所有權(quán)驗(yàn)證即數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)，脆弱水印主要用于數(shù)字產(chǎn)品的完整性驗(yàn)證和篡改定位即數(shù)字產(chǎn)品的內(nèi)容認(rèn)證。傳統(tǒng)的水印算法一般都是單功能的，將版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證分開研究，在同一數(shù)字產(chǎn)品中只嵌入一種水印。然而，近年來，一些多功能水印算法的提出實(shí)現(xiàn)了在同一數(shù)字產(chǎn)品中嵌入了兩種性質(zhì)不同的水印信息，達(dá)到了對數(shù)字圖像的雙重保護(hù)：版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證。本文主要研究數(shù)字圖像水印技術(shù)，算法以靜止圖像為載體，同時(shí)嵌入魯棒性水印和脆弱性水印，前者用于版權(quán)保護(hù)，后者用于篡改定位。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 數(shù)字圖像的小波分解

數(shù)字圖像是二維信號，小波變換用于數(shù)字圖像分析的基本思想是利用二維小波多分辨分解，把圖像分解成不同空間、不同頻率的四個(gè)子圖像?；谛〔ㄗ儞Q的圖像水印嵌入方式是通過修改這些分解后的細(xì)節(jié)子圖上的小波系數(shù)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。對于圖像水印的嵌入而言，小波基函數(shù)、水印嵌入的位置和水印嵌入的強(qiáng)度決定了數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性與不可見。Haar小波用于圖像處理具有圖像特征保持性好、速度快、去噪效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此本文算法采用Haar小波基函數(shù)；由于小波變換后的低頻系數(shù)具有較大的感覺容量，水印嵌入的位置選取在圖像小波分解后的兩個(gè)低頻系數(shù)中；水印嵌入的強(qiáng)度取決于臨界可見誤差JND（Just Noticeable Difference）值。

本文魯棒水印的嵌入是對原始載體圖像分塊后進(jìn)行小波分解，計(jì)算分解后的每個(gè)小波系數(shù)的JND并求取平均值以作為各分塊的嵌入強(qiáng)度值，利用該強(qiáng)度值實(shí)現(xiàn)在每一系數(shù)塊中嵌入一位水印信息。

1.2 數(shù)獨(dú)基本理論及其在圖像水印中的應(yīng)用

數(shù)獨(dú)是一種以邏輯為基礎(chǔ)的智力拼圖謎題，它由9個(gè)3×3的小九宮格組成，小九宮格的值范圍為1到9，該9個(gè)數(shù)字值在數(shù)獨(dú)中的每一行、每一列都只出現(xiàn)一次。2008年，Chang et al等提出參照9×9數(shù)獨(dú)模型修改載體圖像的像素對，在空域中實(shí)現(xiàn)嵌入大容量水印的數(shù)字圖像水印算法。基于Chang et al 的水印嵌入算法，本文采用改進(jìn)的16×16數(shù)獨(dú)矩陣，給出了本文脆弱水印嵌入所需的16×16的數(shù)獨(dú)矩陣，每個(gè)數(shù)字均減一，形成基于十六進(jìn)制的數(shù)字系統(tǒng)，再將其擴(kuò)展為256×256大小的參考數(shù)獨(dú)矩陣，擴(kuò)展后的數(shù)獨(dú)矩陣模型。

2 水印的嵌入與提取算法

本文提出一種在同一幅數(shù)字圖像中先嵌入魯棒水印后嵌入脆弱水印的多功能數(shù)字圖像水印算法。利用JND，將魯棒水印嵌入到數(shù)字圖像的小波域中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的版權(quán)保護(hù)功能。脆弱水印的嵌入基于改進(jìn)的數(shù)獨(dú)模型，在空域中實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的篡改定位功能。由于JND的引入，先嵌入的魯棒水印具有較強(qiáng)的抗攻擊能力，后嵌入的脆弱水印并不會影響魯棒水印的提取。

2.1 水印嵌入過程 魯棒水印的嵌入

（1）讀取魯棒二值水印圖像W（M1×M1），利用reshape函數(shù)將水印圖像轉(zhuǎn)化為一維向量Wm1，Wm1=｛wj|wj∈｛0,1｝,j=1,2,....K｝。

（2）讀取原始載體圖像I=｛f（x,y）|x,y=1,2,...,N｝，對其進(jìn)行8×8分塊，采用Haar小波對分塊后的每個(gè)圖像塊進(jìn)行L級小波變換得到低頻子帶LL，各圖像塊的LL低頻小波系數(shù)記為Fk（u,v），計(jì)算任意的第k個(gè)圖像塊的JND值，選擇JND值較大的圖像塊作為水印嵌入的塊，并將所選取的位置作為密鑰Key保存。

（3）在選取的圖像塊中選擇小波分解后的兩個(gè)低頻系數(shù)向量，記為Fk（1,2）和Fk（4,3），按照式（1）和式（2），將二值魯棒水印序列嵌入到每塊系數(shù)中。

如果Wm1=1且Δ>0，其中Δ=JNDk-Fk（1,2）+Fk（4,3）

如果Wm1=0且Δ>0，其中Δ=JNDk+Fk（1,2）-Fk（4,3）

（4）重復(fù)步驟（3）直到所選的圖像塊都嵌入了相應(yīng)的水印信息，對嵌入水印后的各子塊進(jìn)行小波逆變換重構(gòu)并進(jìn)行圖像重組得到嵌入魯棒水印后的圖像I1。

2.2 水印提取過程

2.2.1 魯棒水印的提取

（1）讀取含水印圖像I12，其大小為M×N，將I12分解成8×8大小相同的圖像塊，對每個(gè)圖像塊進(jìn)行L級小波變換得到小波系數(shù)塊F'（u,v）。

（2）依據(jù)嵌入水印時(shí)保存的密鑰Key，選取已經(jīng)嵌入水印的小波系數(shù)塊。在選取的圖像塊中取低頻系數(shù)Fk'（1,2）和Fk'（4,3），按照式（3）將二值魯棒水印序列提取出來。

將提取出來的一維水印序列變換為二維的大小為M×M的矩陣，即為原始的魯棒水印圖像。

2.2.2 脆弱水印的提取

（3）重復(fù)步驟（2），依次將圖像塊中脆弱水印信息提取出來，得到一維水印信息的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，將該數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為二維水印信息，即為原始的脆弱水印圖像。

3 結(jié)語

魯棒水印充分利用了小波變換的多分辨特性，結(jié)合人類視覺系統(tǒng)特性，在確保水印的魯棒性的同時(shí)提高了水印的安全性。魯棒水印提取過程不需要原始載體，實(shí)現(xiàn)了水印的盲提取。對于脆弱性水印而言，數(shù)獨(dú)的引入提高了其安全性。嵌入魯棒-脆弱兩種水印，既發(fā)揮魯棒性水印具備較強(qiáng)抗攻擊能力的優(yōu)勢，又有脆弱水印的篡改定位的優(yōu)勢。

[1]黃蓉.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)字版權(quán)保護(hù)與限制問題研究[D].華中師范大學(xué).2013.

[2]曾波霞.數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇.2013.