基于數字水印的“數字圖像處理”案例設計

趙 杰

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西 商洛 726000)

0 引言

當今社會數字圖像處理已經在交通安防、生物醫學工程、多媒體技術、智慧農業等諸多方面得到應用，人們的社會生產與生活也得到了許多便利。高等院校電子信息類專業往往也將“數字圖像處理”作為非常重要的必修或選修課程，主要內容為數字圖像處理的基本原理和常用方法。與工業生產及社會生活聯系比較緊密[1-5]。課程理論性較強，而且涉及一定數學理論，目前，大多數高校在教學過程中利用MATLAB等平臺作為輔助教學手段，通過代碼編寫與仿真，可以明顯減少直接枯燥數學理論講解和簡單的圖示，使學生可以將理論知識與代碼仿真結合起來，增進對基礎理論的理解[6-8]。但一般的教學演示或實驗還是以圖像幾何變換、二維傅里葉變換、離散余弦變換、邊緣檢測、圖像增強與復原、彩色圖像處理等基礎型仿真為主，缺少綜合性與創新型的案例項目[9-10]。

數字水印技術作為隱蔽通信和版權保護的重要手段，正得到廣泛的研究與應用[11]。為增強學生理論聯系實際的能力，結合學院教師的科研項目，對教學案例進行了探索和研究。本文以研究熱點“數字水印”為例構建一個利用圖像數據位的綜合型案例。

1 綜合性案例設計

數字圖像數據一般為8位一個字節的數據(RGB彩色圖像每個顏色分量均可看作一個字節數據)，低位在前(LSB)，高位在后(MSB)。選擇數據位的不同位來表征原始圖像特征的特定信息。如對于一幅8位二進制數據位的灰度圖像，其中的每個比特位可以看作是一個二值的平面，也稱位平面。這樣一個8個數據位的灰度圖像可以看作是由8個二值化平面圖像即8個位平面組成，其中每一個位平面只描述原始圖像的部分信息。

1.1 零水印的構造

(1)對原始載體圖像P進行數據位分解，得到數據位的最高位M。

(2)將有意義的原始二值水印圖像w經過Arnold變換后得到置亂的加密圖像ww。

(3)將得到的數據位的最高位與加密圖像ww進行邏輯運算，得到構造圖像F。

1.2 零水印的檢測

(1)對待測圖像Q進行數據位分解，得到數據位的最高位MQ。

(2)將MQ與構造圖像F進行相應的邏輯運算得到F′。

(3)對F′進行反置亂得到圖像w′。通過對提取的水印和原始水印圖像做相似度檢測，來判斷待測圖像中是否有零水印存在。

相似度(NC)是判定水印是否存在的一個指標，當NC大于既定經驗閾值，就可判定水印的存在。反之，則認為水印不存在。NC的表達式如下：

仿真所用的原始載體圖像是大小為8位灰度lena圖像，原始水印圖像選用大小為有意義二值圖像，如圖1所示。

對待測圖像(含有水印的載體圖像)在分別經過椒鹽噪聲處理、高斯噪聲處理、剪切處理和JPEG壓縮處理等情況下進行水印檢測，測試其NC值。

圖1 原始載體灰度圖像和水印圖像

1.3 擴展與改進

在上述過程基礎上，提示啟發學生對算法進行進一步改進，得到多種改進思路，本文以較簡單的“多數原則”方案為例進行介紹。該方案主要對構造圖像F的生成進行修改。

此時將ww與D異或得到F。

以N=8為例測試改進算法，攻擊類型與基礎算法一致。以椒鹽噪聲為例，測試結果如圖2所示。

圖2 改進算法椒鹽噪聲攻擊測試結果

將改進算法實驗數據與本文基礎算法和文獻進行了對比，實驗結果如表1所示。

為使數據更直觀，要求將表中的數據繪制成折線圖。其中，橫坐標代表對待測圖像不同的攻擊方式，縱坐標是提取出的水印與原始水印的相似度，如圖3所示。

表1 攻擊測試對比

圖3 攻擊測試對比

由表1和圖3可知，改進算法對常見的圖像處理，提取出的水印與原始水印的相似度均高于基礎算法和文獻[12]方法，達到了進一步提高水印魯棒性的目的。

2 案例討論

該數字水印案例涉及圖像運算及其他處理領域，以零水印生成過程為例，其結構如圖4所示。標注框說明了各環節涉及的圖像處理操作，虛線方框為擴展內容；可以對原始載體圖像進行頻域變換，然后將水印隱藏至頻域系數的數據位中，這就涉及圖像頻域變換。檢測時，還會涉及圖像加噪、剪切、JPEG壓縮等內容。

圖4 項目案例解析圖

教師在理論課上進行簡單介紹，要求學生課后查閱相關資料。隨后進行操作示范以及必要的講解，學生可組成小組共同討論完成。在學生實踐過程中，教師給于指導。首先要求完成基本任務：利用最高位進行零水印生成與檢測，然后進行一定的擴展引導，啟發學生思考如何修改算法來進一步提高魯棒性。以電子信息科學與技術專業2016級兩個班(共69人)為試點實施，約30%的學生對數字水印表現出較明顯的興趣，約74%的學生對創新性實驗有了初步感受，少數學生在完成基本任務后對其進行改進，提出了新的方案。后續還需進行進一步的提煉，設計更多的綜合性與創新性強的應用項目案例。

3 結語

圖像運算是圖像處理實驗的常見項目，多數實驗過程為讀入多幅感染噪聲的同一場景圖像，然后相加平均削弱噪聲，體現圖像加運算的應用。或直接對圖像進行點運算、幾何運算等基礎操作。創新型實驗是培養學生創新意識、增強理論聯系實際能力的重要手段。本文以圖像運算實驗為例，將教師科研項目的內容進行簡化、提煉，設計了創新型實驗項目，使學生對理論聯系實踐應用有了更好的感受，一定程度上提高了積極性。