基于Zernike矩數(shù)字圖像水印的實現(xiàn)

王湘慧

摘要：本文以數(shù)字水印為研究對象，結(jié)合Zernike矩在圖像抗旋轉(zhuǎn)變化規(guī)律與特性，分析Zernike矩特性參數(shù)對獲取旋轉(zhuǎn)圖像角度的影響，運用DCT變換實現(xiàn)了數(shù)字水印嵌入和提取算法，在旋轉(zhuǎn)攻擊后水印保持較高的相似度，驗證了Zemike矩對抗旋轉(zhuǎn)變化具有較好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水印;Zemike不變矩;DCT

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0223-04

數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展迅速[1]，已得到眾多高等院校及研究機構(gòu)的高度重視[2-5]。在數(shù)字水印整體功能越來越強大的同時，其應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛，這就使得不同行業(yè)開始根據(jù)各自不同的需求來研究并應(yīng)用數(shù)字水印技術(shù)，因此就產(chǎn)生了各種各樣的數(shù)字水印系統(tǒng)[6-7]。

在抗旋轉(zhuǎn)變化上Zernike矩具有明顯的優(yōu)勢，Hu[8]于1962年提出連續(xù)函數(shù)不變矩的定義，并討論了不變矩的基本性質(zhì)，其不變矩理論被廣泛應(yīng)用到圖像處理研究中;陳盈[9]等人提出了一種利用Zemike矩對圖像幾何校正的NSCT-SVD幾何魯棒盲水印算法;王勝[10]等人提出了基于邊緣檢測與Zernike不變矩的半脆弱圖像水印認證算法;鐘敏潔[11]提出了基于四元數(shù)Zernike矩的RST不變彩色圖像水印方案;高光勇[12]等人利用特征域和Zernike矩，提出了一種多倍零水印版權(quán)認證方案;明細細[13]等人提出了一種結(jié)合DCT域掩膜和Zemike矩的自適應(yīng)魯棒水印算法。

DCT變換域算法能很好地抵抗有損壓縮編碼，吳娛[14】等人的研究和實現(xiàn)了基于DCT算法的視頻數(shù)字水印;張春玉[15】研究了一種基于DCT變換的數(shù)字水印方法;韋曉林[16]在基本DCT算法上進行了改進，提出了n次DCT嵌入算法;侯然[17]等人提出了一種基于DWT和DCT的全盲魯棒圖像水印算法;曾祟[18]等人提出了一種基于DCT變換的圖像版權(quán)數(shù)字水印算法。

本文主要研究內(nèi)容是通過對圖像旋轉(zhuǎn)前后的Zemike矩值進行比較，來獲得Zernike矩不變性關(guān)鍵特性參數(shù);采用DCT算法對數(shù)字圖像水印進行嵌入和提取，結(jié)合Zernike矩不變性來完成受旋轉(zhuǎn)攻擊的嵌入水印圖像的還原角度計算，然后再提取出水印，對比提取水印與原始水印的相似度來判別這種水印嵌入算法的魯棒性。

1 水印嵌入和解出流程

數(shù)字水印嵌入過程，將圖像分為8x8圖像塊，并對每個小塊進行DCT變換，使用Amold算法對水印圖像進行置亂，將置亂后的水印圖像嵌入原始圖像中，每個小塊中嵌入一個水印圖像的像素，嵌入位置選取為具有較好魯棒性和不可見性的（4，4）位置。圖像在傳輸過程中，容易受到各種幾何攻擊，最常見的就是旋轉(zhuǎn)攻擊，因此對已經(jīng)嵌入了水印的圖像分別進行各系列的幾何攻擊例如旋轉(zhuǎn)，平移，縮放等，恢復(fù)其大小和位置進行復(fù)原。在水印解出階段，將含水印圖像中的水印提取出，使用Ar-nold算法將其逆置亂，還原出受攻擊后的水印圖像，計算其與原始水印圖像的相似度與誤差。如圖1是水印嵌入和解出流程框圖。

2 Zernike矩及旋轉(zhuǎn)不變性

Zernike矩是一種基于Zernike多項式的正交化函數(shù)，由于它具有抗噪性能好，冗余度小，以及旋轉(zhuǎn)不變性等優(yōu)點，在圖像處理技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

式中：m≠0，通過計算旋轉(zhuǎn)角度，對已經(jīng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)的圖像進行逆旋轉(zhuǎn)變換，即可實現(xiàn)將被旋轉(zhuǎn)的圖像進行還原擺正。

3 抗旋轉(zhuǎn)實驗分析及系數(shù)確定

實驗中使用了MAT-LAB軟件中的imrotate函數(shù)，對n和m的取值進行測算，分析n和m取值對Zernike矩的影響。通過對圖像進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，利用式（9）計算偏轉(zhuǎn)角度，與實際偏轉(zhuǎn)角度相對比，求出其相對誤差。

以lena為載入圖像，取n=l和m=l的組合實驗，對比其旋轉(zhuǎn)1度-90度中以1度為條件變化實際旋轉(zhuǎn)角度和估計旋轉(zhuǎn)角度，如圖2所示：

從圖2可以看出，實際偏轉(zhuǎn)角度與計算偏轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)為一條直線，誤差較小。不是所有的n和m取值組合都能獲得正確計算偏轉(zhuǎn)角度，當取值為（8，2）時，在1度-65度時實際旋轉(zhuǎn)角度與計算旋轉(zhuǎn)角度誤差較小，在66。時計算旋轉(zhuǎn)角度突變成了一1140.如圖3所示。

為了最終確定合適的n和m值，實驗中采用了lena、baboon和camman三張圖像分別進行估計角度和相對誤差的計算，并取其平均值的方法，根據(jù)不同的n和m所計算出的平均角度和平均相對誤差如表1所示。

從表1可以看出，當n=l，m=l和n=3，m=l的時候，相對誤差最小，平均角度也最接近45.5度，而其他取值的相對誤差較大。本設(shè)計選取了（1，1）和（3，1）兩組數(shù)據(jù)作為估計角度n和m的取值。

4 DCT變換

DCT變換是一種基于變換域的數(shù)字水印系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，在其運算過程中只涉及實數(shù)之間的正交運算，而不像DFT變換那樣還需要進行復(fù)數(shù)部分的運算，因此在運算上就更加簡單、快捷。另外，DCT變換能夠很好地處理圖像壓縮的問題，本文就是基于DCT變換，對水印進行嵌入和提取。采用DCT變換，是因為二維圖像經(jīng)過DCT變換后，圖像的相關(guān)性低，圖像的主要信息集中在直流系數(shù)和有限的幾個低頻系數(shù)中，并且DCT變換具有較強的抗干擾能力。

5 實驗結(jié)果及分析

結(jié)合Zernike矩和DCT變換來實現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入和解出，并采用旋轉(zhuǎn)攻擊影響圖像，可以看到嵌有水印的載體圖像在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)之后，能夠根據(jù)Zernike矩的旋轉(zhuǎn)不變性，還原成旋轉(zhuǎn)前的角度，雖然在圖像旋轉(zhuǎn)以及復(fù)原的過程中，發(fā)生了部分圖像信息丟失的問題，導(dǎo)致了嵌入該位置的水印信息也發(fā)生了丟失，但是沒有丟失的圖像信息還是能夠通過Zernike矩將圖像較好地還原，并從還原后的圖像中提取出水印。數(shù)字水印嵌入和解出的過程如圖4所示，水印嵌入后峰值信噪比（PSNR）為39.2087。

將水印解出并與原始水印進行對比獲得相似度（NC）的比值，分別對圖像以10。為間隔條件旋轉(zhuǎn)圖像，獲得不同旋轉(zhuǎn)角度下的水印解出圖像，如表2所示。

如表2所示，旋轉(zhuǎn)角度從0度增加到40度時，圖像相似度從1下降到0.9698;旋轉(zhuǎn)角度從40度增加到90度 時，圖像相似度從0.9698上升到1。

6 結(jié)論

本文以Zernike矩為基礎(chǔ)，研究了一種抗旋轉(zhuǎn)變化的數(shù)字水印算法，其主要特點有：

1）分析了Zernike矩n和m取值對旋轉(zhuǎn)角度獲得的影響，發(fā)現(xiàn)（1，1）和（3，1）兩組數(shù)據(jù)能夠適用不同特性的圖像;

2）在不同旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)攻擊下，水印相似度最小值出現(xiàn)在40度-60度之間，其原因是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的圖像信息的丟失所致。 通過對Zernike矩旋轉(zhuǎn)不變性的研究，計算偏轉(zhuǎn)角度后對圖像進行還原和水印的提取，發(fā)現(xiàn)水印完整性較好，說明了該水印算法對旋轉(zhuǎn)攻擊具有良好的魯棒性。

參考文獻：

[1]陳明奇，鈕心忻，楊義先，數(shù)字水印的研究進展和應(yīng)用[J].通信學(xué)報，2001，22（5）：71-79.

[2]張春田，蘇育挺，管曉康.多媒體數(shù)字水印技術(shù)[J].通信學(xué)報，2000，21（9）：46-52.

[3]黃繼武，譚鐵牛.圖像隱形水印綜述[J].自動化學(xué)報，2000，26（5）：645-655.

[4]劉瑞禎，譚鐵牛.數(shù)字圖像水印研究綜述[J]通信學(xué)報，2000，21（8）：39-48.

[5]楊義先，鈕心忻.多媒體信息偽裝綜論[J].通信學(xué)報，2002，23（5）：32-38.

[6]王炳錫，陳琦，鄧峰森.數(shù)字水印技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003：11-12.

[7]楊義先.數(shù)字水印基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[8] Hu M K.Visual pattern recognition by moment invariants[J].IEEE Transactions on Information Theory， 1962，8（2）：179-187.

[9]陳盈，鄭洪源，丁秋林，基于Zernike矩和NSCT-SVD的數(shù)字水印算法研究[J].計算機科學(xué)，2016，43（8）：84-88.

[10]王勝，解輝，張福泉，利用邊緣檢測與Zernike矩的半脆弱圖像水印算法[J]計算機科學(xué)與探索，2018，12（4）：629-641.

[11]鐘敏潔，基于四元數(shù)Zernike矩的RST不變彩色圖像水印[J].計算機與現(xiàn)代化，2015（7）：40-43.

[12]高光勇，蔣國平，基于特征域和Zernike矩的多倍零水印版權(quán)認證方案[J]南京郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，32（6）：63-68.

[13]明細細，李麗娟.結(jié)合DCT域掩膜和Zemike矩的自適應(yīng)魯 棒水印算法[J]計算機工程與應(yīng)用，201 1，47（19）：159-162.

[14]吳娛，平子良，李殷.基于DCT算法的視頻數(shù)字水印的研究與實現(xiàn)[J].大學(xué)教育，2016，5（12）：133-134，140.

[15]張春玉.基于DCT變換的數(shù)字水印算法研究[J].河北農(nóng)機，2019（1）：71-72.

[16]韋曉林.基于DCT的數(shù)字水印改進算法[J].電子產(chǎn)品世界，2019，26（2）：88-90.

[17]侯然，張洋，黃橙，基于DWT和DCT的全盲魯棒圖像水印算法[J].通信與信息技術(shù)，2019（3）：44-46.

[18]曾崇，楊偉萍.基于DCT變換的圖像版權(quán)數(shù)字水印算法[J].科技通報，2018，34（6）：119-122.