基于二值圖像數字水印算法研究

尹生妹

摘 要：由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點，現有的水印算法大多都無法照搬應用于二值圖像上，本文首先對二值圖像的特點進行分析，然后對現有基于二值圖像數字水印算法進行分析總結，為算法的進一步改進研究打下基礎。

關鍵詞：二值圖像 數字水印算法

所謂數字水印技術就是用信號處理的方法將一些有意義或無意義的水印信息嵌入到多媒體數據，被嵌入的水印信息可以是文字、作品的序列號、標識、特殊意義的圖片等，它以不可見的形式隱藏在多媒體數據中，如圖像、視頻和音頻等數據，這些被添加進去的水印信息可以通過對應的算法從多媒體數據中還原出來，從而達到保護版權的效果，其應用前景廣闊，經濟效益很大，目前現有的大部分數字水印算法的主要是針對是灰度或者彩色圖像，由于二值圖像沒有過多可以利用的冗余空間，現有的水印算法大多都無法照搬應用于二值圖像上。但是二值圖像卻被廣泛應用，如雙色印刷的票據、支票、簽名印章、文檔等等，因此，對二值圖像數字水印技術進行深入研究是十分必要的。

一、二值圖像的特點

眾所周知，二值圖像只有兩個像素值0和1，分別表示純黑和純白，這種“非黑即白”導致了二值圖像上視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點，現有的大部分數字水印算法都是針對彩色圖像或者灰度圖像.由于這些圖像視覺冗余較大，因而對其像素值的微小改變是不會被發覺的.而對二值圖像來說，在嵌入水印的同時又不引起視覺損害就變得比較困難.有時即使圖像上很小的細節部分被不當修改也可能會造成整幅二值圖像的可讀性大大降低，二值圖像的像素值只能取0和1的這種特點導致我們用于灰度或者彩色圖像的典型水印算法無法直接的應用在二值圖像上，因此必須針對二值圖像的特點專門設計適用于二值圖像的水印算法。

二、二值圖像的經典水印算法

由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點，使得目前國內外在二值圖像數字水印方面的研究較少，但是二值圖像使用范圍正在擴大，因此二值圖像的水印算法的研究也逐漸被大家所重視，近年來，也出現了一些經典的專門針對二值圖像的數字水印算法。主要有：結構微調法、游程編碼法、圖像特征法、圖像分塊法等。

（1）結構微調法

這種算法主要通過對二值圖像中文本的行距和字符間距進行輕微改變來嵌入水印信息。主要嵌入方法可分為：（1）調整行距。主要通過將整行在垂直方向上的移動來嵌入水印信息，如嵌入“1”通過文本行上移一定空間表示，嵌入“0”通過文本行下移一段空間表示。但上移下移的距離受人眼視覺能力的限制。水印檢測時主在通過文本之間的行間距與標準行距的對比來判斷水印信息。（2）調整字符間距。主要通過將文本行中字符的位置進行水平移動來改變字符的間距，從而達到嵌入水印信息的目的。如字符左移一定空間代表嵌入信息“1”，字符右移一定空間代表嵌入信息“0”。這種算法一般用于在PS或PDF文檔中隱藏數字水印，抗攻擊性好，但由于文檔中的每個字符的間距并不是固定的值，因此在提取水印信息時需要知道文檔中原始字符的間距。

（2）游程編碼法

這種算法就是在傳真傳輸中，先采用游程編碼（RL）對二值圖像進行編碼，然后將其以霍夫曼編碼進行壓縮傳輸空間。如Matsui提出了一種適用于二值圖像的傳真文件，該算法主要通過使游程編碼的長度減少1或者增加1，由此來改變了游程編碼的奇偶性，而修改后的奇偶性質就代表了嵌入的水印信息。這種水印嵌入算法具有算法簡單、信息隱藏效果較好等優點，缺點是在游程較多時，載體圖像容易失真，水印的不可感知性較差。

（3）圖像特征法

這種算法主要是利用二值圖像的字體的線條粗細特征、筆畫特征、線條的曲率及相對位置等多種特征。通過修改二值圖像的這些特征來嵌入水印信息，修改不同的特征代表不同的水印信息。具體實現方法為。首先，需要對字體二值圖像字體部分的筆畫連接情況進行分析，然后再根據分析結果，對字體圖像筆畫進行分塊，可以再將分塊進一步劃分為4個子塊；然后計算分塊后筆畫的平均像素寬度；最后4個子塊劃分為兩組，然后通過筆畫部分變粗（嵌入1）和變細（嵌入0）來嵌入水印信息。檢測水印時候主要通過檢測字體二值圖像的筆畫粗細來識別水印信息。這種算法視覺效果好，缺點是這種算法在水印檢測提取時需要原圖像參與，因此該算法也不能在要求盲提取的前提下使用。

（4）圖像分塊法

圖像分塊法就是先將圖像劃分為M×N大小的子塊，然后根據某種策略對選取可用的子塊進行修改像素點來達到水印信息的嵌入。如Koch提出一種基于分塊來修改圖像分塊的算法，通過修改圖像子塊中黑白的像素比例來代表嵌入的水印信息。該算法魯棒性差，水印嵌入量有限。M.Wu提出一種通過計算圖像塊的垂直、水平、斜對角、對角等連續的像素點個數來對像素的連通平滑性進行計算評分，然后通過對評分高的像素點進行像素的翻轉來表達嵌入的水印信息，這種算法隱蔽性好，水印嵌入量也較大，不可感知性好。

近幾年來，小波分析也大量應用到基于二值圖像的數字水印算法中，并成為人們研究的熱點。其基本思想就是把二值圖像通過小波變換進行多分辨率分解，從而分解成不同頻率、不同空間的子圖像，再根據各個子圖像的特點有針對性的處理，如選取二值圖像小波域中頻系數作為水印信息的嵌入位置。或是根據水印圖像中的0、1像素分布情況來設置調節參數對水印的嵌入過程進行調節等。

結語

綜上所述，隨二值圖像在日常生活中廣泛使用，對二值圖像防偽需求也正日益增加，由于二值圖像視覺冗余較少，嵌入容量有限等特點，因此現有的水印算法大多魯棒性差，因此我們在針對二值圖像的設計水印算法時，需想方設法提高算法的魯棒性，同時，基于二值圖像的數字水印印刷防偽技術還處于初步的研究階段，要使其真正應用于印刷防偽中還有待于進一步的研究

參考文獻

[1]周波，陳健.種適用于二值圖像的數字水印算法[J].上海交通大學學報，2004（9），1510-1511.

[2]候慶政.基于二值圖像數字水印技術的票據防偽方法研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2015（3），8-10.