基于JPEG2000壓縮域的數字水印算法研究

摘 要：多媒體信息技術的發展在給人們帶來方便的同時，也帶來了對其本身不利的諸多因素。文章給出了一種適合JPEG2000的數字水印方案，設計了該水印方案并借助MATLAB軟件對該算法進行了實現。大量實驗表明，該水印方案能抵御常見的一些攻擊，具有較好的魯棒性。

關鍵詞：數字水印；離散余弦變換；離散小波變換；JPEG2000

引言

當今社會是網絡信息社會。多媒體網絡技術的發展在給人們帶來方便的同時也帶來了很多安全問題，一些不法分子能夠以低廉的成本復制、傳播、篡改并銷售未經授權的數字產品信息，從而使數字產品的版權歸屬性、完整性、有效性無法得到保證。為了維護數字產品所有者的合法利益，解決版權糾紛，人們提出了數字水印技術的概念。

1 JPEG2000標準

JPEG的全稱是Joint Photographic Experts Group，其中文意思是聯合圖片專家組。進入二十一世紀，由于多媒體技術應用領域的不斷擴大， JPEG壓縮技術已不能滿足人們的需要。JPEG2000標準是由國際標準化組織（ISO，International Organization for Standardization）和國際電工委員會（IEC，International Telecommunication Union）聯合開發的一個新的國際圖像壓縮標準。

2 算法設計

2.1 數字水印方案設計

JPEG2000標準特性一些特殊的要求：水印要具備漸進傳輸的特性；水印應具備隨機檢測性；水印要能與JPEG2000的編解碼器相兼容。文章所設計的數字水印方案不僅要滿足普通數字水印方案的要求，如安全性、不可見性和魯棒性等等，還需要滿足JPEG2000的獨特要求，即是與JPEG2000的優異性能相結合。

2.2 數字水印系統基本框架

圖1 水印嵌入框架圖

結合JPEG2000編解碼系統所獨有的特性，我們決定在JPEG2000編解碼系統內部嵌入水印，具體嵌入位置為量化之后熵編碼之前，而且這樣可以降低數字水印嵌入和提取的復雜度，如圖1。嵌入算法為：

其中 為低頻子帶的小波系數，截取排序后前k個系數（k的值由水印的大小來確定）嵌入水印， 為嵌入數字水印信息后的圖像的特征系數， 為二值水印序列， ？琢仍為拉伸系數選為0.08. 數字水印的提取過程是水印嵌入的逆過程，如圖2。

圖2 水印提取框架圖

3 仿真實驗

實驗采用原始圖像512×512的彩色圖像，水印圖像64×64的二值圖像。嵌入水印后和提取的水印圖像，如圖3，PSNR值為42.7530。從視覺上來講，提取水印圖像與原始水印圖像相比，有一定的噪聲，這主要是因為文章中的仿真實驗是基于MATLAB平臺，在對圖像進行編碼時采用的是JPEG9.7小波，但對我們辨別水印信息并沒產生什么影響，提取的數字水印相關性系數NC=0.9642，從理論上說明提取的水印效果非常好。

圖3 嵌入水印圖像與提取的水印圖像

4 數字水印方案的檢測與評估

我們采用ACDsee對JPEG2000格式含水印圖像進行常用的攻擊處理，包括模糊、銳化、剪切、旋轉以及添加噪聲等攻擊，經過攻擊后的含水印圖像以及從攻擊后的含水印圖像中提取出的水印圖像的仿真實驗結果見表1。

表1 實驗結果分析

實驗結果列表1，含水印圖像在經過銳化和剪切攻擊后，提取的水印與原水印的相關性系數分別達到0.9493和0.9634，說明該水印算法抗銳化和剪切攻擊的效果非常好；進行模糊和噪聲攻擊后，提取的水印與原水印的相關性系數也分別達到0.8632和0.8471，但對旋轉攻擊，該算法卻表現出其弱的一面，幾乎經不起旋轉攻擊，就基本上提取不出水印信息，水印相關性系數也下降到0.1082。

5 結束語

文章所設計的數字水印方案不僅要滿足普通數字水印方案的要求，如安全性、不可見性和魯棒性等等，還需要滿足JPEG2000的獨特要求，即是與JPEG2000的優異性能相結合，此數字水印算法可以更好地提高水印算法的魯棒性。但同時也有一定的缺點，那就是對旋轉攻擊幾乎沒有抵抗性，這說明該數字水印方案還需要進一步深入研究。

參考文獻

[1]Tinku Acharya， Ping-Sing Tsai. JPEG2000 Standard for Image compression ：Concepts，Algorithms and VLSl Architecturcs， A Wiley-Interscience publication，2005.

[2]Pankaj N. Topiwala. Wavelet Image and Video Compression，Kluwer Academic Publishers，2000.

[3]Rapha¨el Grosbois， Diego Santa-Cruz and Touradj Ebrahimi. New approach to JPEG 2000 compliant Region Of Interest coding. Proceedings of SPIE Vol. 4472 （2001），267-275.

[4]D，Taubman，M， Marccellin. JPEG2000 Image Compress Fundamentals Standard and Practice[M].2002 by Kluwer Academic Publishers，2002.

[5]R.Z.Liu and T.N.Tan. Watermarking for digital images. Proc. of ICSP'98，Vol.2，pp.944-947，1998.

作者簡介：馬婷（1985，9-），女，回族，山東濟南人，碩士研究生，講師，研究方向：數字圖像處理，計算機應用。