基于DCT和DWT的彩色圖像雙功能水印算法

吳 楠，呂建平

（西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安710121）

基于DCT和DWT的彩色圖像雙功能水印算法

吳 楠，呂建平

（西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安710121）

針對現(xiàn)今多數(shù)數(shù)字水印算法僅針對灰度圖像并且功能單一的問題，提出一種彩色圖像雙功能水印算法，不僅增加了水印的信息量同時還可以實現(xiàn)版權(quán)保護和內(nèi)容認證的雙重功能。該算法是基于RGB色彩空間，首先提取原始彩色圖像的R、G、B 3個彩色分量，然后將版權(quán)水印嵌入藍色分量的低頻系數(shù)中，認證水印嵌入綠色分量的中頻系數(shù)中。實驗結(jié)果表明，版權(quán)水印具有較好的魯棒性和不可見性，認證水印可實現(xiàn)盲提取。

DCT；DWT；彩色圖像；版權(quán)水印；認證水印

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機的處理能力快速提高,信息的安全保護問題日益突出[1]。信息的非法復(fù)制與篡改已成為無法避免的問題,為了多媒體傳輸安全與版權(quán)保護,數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字水印技術(shù)是通過在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入一定的隱秘信息—水印,來實現(xiàn)數(shù)字產(chǎn)品所有權(quán)的證明,它可以標示企業(yè)、作者、所有者和使用者的身份。水印通常是不可見的,隱藏于多媒體數(shù)據(jù)中,在必要時可以提取出來,是一種有效的信息安全保護手段[2]。

隨著數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用中的不斷深入,單一水印在水印嵌入信息量以及多功能應(yīng)用方面已經(jīng)不能滿足人們的需要,因此便產(chǎn)生了雙重以及多重水印技術(shù)。通過大量文獻分析可知,大多數(shù)水印技術(shù)采用魯棒性水印和脆弱性水印共同作用來完成對產(chǎn)品版權(quán)保護和完整認證的目的。但這些文獻提出的大多是對灰度圖像的嵌入,而目前彩色圖像的應(yīng)用范圍更為廣泛,故本文針對現(xiàn)今多數(shù)數(shù)字水印算法僅針對灰度圖像并且功能單一的問題,提出一種彩色圖像雙功能水印算法。

1 水印圖像的預(yù)處理

1.1 版權(quán)水印的預(yù)處理

版權(quán)水印為p×p大小的二值圖像S,具體置亂過程如下：

1)對S進行K次Arnold置亂加密得到S′。K作為密鑰保存。

2)根據(jù)Logistic映射公式,生成混沌序列。然后根據(jù)公式(1)經(jīng)過取值變換得二值序列R。

3)將S′和二值序列R異或得序列S＂,將序列S＂中的值0轉(zhuǎn)換為-1,1保持不變。再將其掃描為大小為p×p的二維序列,即得經(jīng)預(yù)處理后的版權(quán)水印S1。

1.2 認證水印的預(yù)處理

認證水印基于圖像特征產(chǎn)生,其生成和置亂過程如下：

2)按照公式(2)計算低頻分量的能量

按公式(3)對每一個低頻系數(shù)LLL1(i,j)進行修改,得到矩陣。

2 水印圖像的嵌入算法

對于圖像來說,其質(zhì)量的好壞很大程度上取決于人眼的視覺特性(HVS,Human Visual System)。對于彩色圖像而言,人眼對于彩色分量的敏感程度由低到高為：藍色(B)、紅色(R)、綠色(G),因此,在彩色圖像的嵌入系統(tǒng)中,可以將將水印信息嵌入在藍色分量,這樣嵌入的水印信息對載體圖像的影響就會降低,人眼一般很難察覺。本文正是基于這個原因,將版權(quán)水印嵌入到藍色分量的低頻系數(shù)中。認證水印要求抵抗一定的JPEG壓縮,因此需在抵抗JPEG壓縮性能最好的綠色分量的中頻系數(shù)上嵌入認證水印,原始載體圖像X為彩色RGB圖像,大小為M×M。經(jīng)預(yù)處理后的版權(quán)水印為二值圖像,大小為p×p。認證水印為基于圖像特征產(chǎn)生的二值序列,大小為N×N。

2.1 版權(quán)水印的嵌入

具體嵌入步驟如下：

2)水印的嵌入[6]。按下面的規(guī)則對每一個低頻系數(shù)LLL2(i, j)進行修改。

規(guī)則一：當S1(i,j)=-1時,若modLLL2(i,j),α)∈[0.3α/4],則；

若modLLL2(i,j),α)∈[3α/4,α],則

規(guī)則二：當S1(i,j)=1時,若modLLL2(i,j),α)∈[0,α/4],則

若modLLL2(i,j),α)∈[α/4,α],則

其中α為嵌入的強度。

3)對 LLL2(i,j)進行L2級小波逆變換,得到嵌入版權(quán)水印的藍色分量圖像。

2.2 認證水印的嵌入

2)將HLL3劃分為大小為4×4的子塊,對每一子塊進行DCT變換,提取出變換后各子塊(1,1)位置上的系數(shù)組成一個新矩陣D1。

3)對D1的系數(shù)進行量化。

其中β為量化系數(shù)。

4)在D1(i,j)中嵌入水印[7]。按下面的規(guī)則對每一個系數(shù)D1 (i,j)進行修改。

規(guī)則一：當X(i,j)=S2(i,j)時,D1(i,j)保持不變。

規(guī)則二：當X(i,j)≠S2(i,j)時

若D1(i,j)＞0,則

若D1(i,j)≤0,則

5)用矩陣D1中的系數(shù)替換各子塊(1,1)位置上的系數(shù),然后對每一個子塊進行DCT逆變換。

6)對變換后矩陣進行L3級小波逆變換就得到嵌入認證水印的綠色分量圖像。

3 水印圖像的提取算法

水印的提取算法實際上就是嵌入算法的逆過程。

3.1 版權(quán)水印的提取

2)水印的提取。

規(guī)則一：若modLL′L2(i,j),α)∈[0,α/2],則W(i,j)=0。

規(guī)則二：若modLL′L2(i,j),α)∈[α/2,0],則W(i,j)=1。其中α為嵌入的強度。

3)解密算法。根據(jù)Logistic映射公式,生成混沌序列,經(jīng)過取值變換得二值序列。將W和W′二值序列異或得到,根據(jù)密鑰H,對W′進行H次Arnold置亂解密得到S′1,即提取出的版權(quán)水印。

3.2 認證水印的提取

2)將HL′L3劃分為大小為4×4的子塊,對每一子塊進行DCT變換,提取出變換后各子塊(1,1)位置上的系數(shù)組成一個新矩陣D1′。

3)水印的提取。

其中β為量化系數(shù)。

4 實驗結(jié)果與分析

本算法采用Matlab7.0編程環(huán)境,原始載體圖像X采用512×512的彩色圖像lena,如圖1(a)所示；版權(quán)水印S是采用大小為64×64的二值圖像,如圖1(b)所示；認證水印S2由綠色分量G提取,大小為32×32,分解層數(shù)分別為L1=4,L2=3,L3= 2。版權(quán)水印的嵌入強度α=0.5,認證水印的量化系數(shù)β=0.28。使用harr小波變換。圖1(c)為嵌入水印后的圖像,嵌入版權(quán)水印后圖像的峰值信噪比psnr1=39.6761,嵌入認證水印后圖像的峰值信噪psnr2=31.4761,嵌入雙水印后圖像的峰值信噪psnr =30.8640。

圖1 載體圖像和版權(quán)水印圖像和嵌入水印的圖像Fig.1 Carrier image and the copyright of embedded watermark image and the watermark image

4.1 水印算法的魯棒性測試

為了測試本文算法的魯棒性,對嵌入水印的圖像進行各種攻擊實驗,包括添加椒鹽噪聲、高斯低通濾波、中值濾波、JPEG壓縮、圖像剪切。通過對比原始水印與經(jīng)受攻擊后提取出的水印的NC值來判斷水印的魯棒性,并進行分析比較,具體的結(jié)果如表1所示。

表1 攻擊后提取的水印和NC值Tab.1 attack after extraction of watermarking and NC value

實驗結(jié)果表明：水印對噪聲、高斯低通濾波、中值濾波PEG壓縮、剪切攻擊具有很好的魯棒性。由實驗結(jié)果還可知,本算法可以檢測出對圖像完整性的破壞以及對圖像像素值的篡改,如對含水印圖像進行剪切攻擊,可從認證水印判斷圖像是否被惡意篡改,可有效地實現(xiàn)了圖像的內(nèi)容認證。對比本算法與文獻[7]的算法結(jié)果如表2所示。

表2 本算法與基于提升小波的多功能彩色數(shù)字圖像雙水印算法的NC值比較Tab.2 this algorithm and color image based on DCT and DWT bilnd digital watermarking algorithm NC value comparison

對比結(jié)果表明在剪切攻擊方面本算法明顯優(yōu)于文獻[7]。

4.2 水印算法抵抗JPEG壓縮的能力

對于認證水印,要求能抵抗一定的JPEG壓縮。為了測試本文算法抵抗不同程度JPEG壓縮的能力,對嵌入水印的圖像進行各種不同程度的壓縮并與文獻[7]比較。

實驗結(jié)果表明在抵抗JPEG壓縮方面,本算法版權(quán)水印抵抗壓縮能力明顯優(yōu)于文獻[7]。

5 結(jié)束語

提出的基于DCT和DWT的彩色圖像雙功能水印算法,不僅測試了版權(quán)水印的魯棒性,還測試了認證水印抵抗JPEG壓縮的能力,實驗結(jié)果表明在高斯低通濾波、中值濾波、JPEG壓縮、圖像剪切攻擊下所提取的版權(quán)水印均有較好的魯棒性,但

對于其他攻擊方法如添加噪聲還有待進一步研究。而對于認證水印,它可以很好的抵抗一定的JPEG壓縮,具有很好的魯棒性,可有效的實現(xiàn)圖像的內(nèi)容保護。由于認證水印是基于圖像的特征產(chǎn)生,故可實現(xiàn)盲提。

表3 本算法水印抵抗JPEG壓縮的能與基于提升小波的多功能彩色數(shù)字圖像雙水印算法的NC值比較Tab.3 the algorithm in the watermarking resistance to JPEG compression can compared with color image based on DCT and DWT bilnd digital watermarking algorithm NC value comparison

[1]胡學(xué)龍.數(shù)字圖像處理[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]賈二群，呂建平.基于DCT域的雙重數(shù)字圖像水印算法的研究[D].西安：西安郵電大學(xué)，2011.

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[5]聶雪蓮.面向圖像版權(quán)和內(nèi)容保護的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2012.

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[8]虞曉慶,李宏昌,張茂.兼具版權(quán)保護和內(nèi)容認證彩色圖像雙水印算法[J].電子設(shè)計工程，2012,20(23)：32-35.

[9]于帥珍.基于小波變換的彩色圖像雙盲水印算法[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2006,21(2)：49-52.

Dual watermarking algorithm based on DCT and DWT for color image

WU Nan,LV Jian-ping
(1.School of Computer Science and Technology,Xi'an University of posts and Telecommunications,Xi'an 710121,China)

Contrapose?the?existing?problem in the majority of digital watermarking algorithms nowadays only aiming at gray image and single function,a dual watermarking algorithm for color image was proposed.Not only increase the watermarking information at the same time also can achieve the dual function of copyright protection and content authentication.The algorithm is based on RGB color space,first extracting three color components of R、G、B from the original color image,and then embedding copyright watermark into the low frequency coefficient of blue component and authentication watermark into the intermediate frequency coefficient of green component.The experimental results show that the copyright watermark has good robustness and invisibility,authentication watermark can realize blind extraction.

DCT；DWT；color image；copyright watermark；；authentication watermark

TN918.4

：A

:1674-6236(2015)23-0161-04

2015-03-03稿件編號：201503041

吳 楠(1989—)，女，河南許昌人，碩士。研究方向：模式識別與人工智能。