一种结合空间域和DCT域的数字水印新算法_王慧琴.pdf
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年第卷月第期通信学报,户从名、人、八、沪、八、户、勺短文手、,沉,卜,、,轰,入,卜,众一种结合空间域和域的数字水印新算法王慧琴,李人厚西安交通大学系统工程研究所,陕西西安以西安建筑科技大学信息与控制工程学院,陕西 西安摘要本文基于人类视觉系统的特性,提出了一种结合空间域和变换域的数字水印新算法。该算法在空间域对原始图像做预处理,采用逐级扩大搜索范围的方法,使原始图像的纹理区域得到突出。在域,提取预处理图像中,满足一定条件的系数的位置信息,以此确定水印嵌入原始图像的合适位置,从而保证 了数字水印的感知透明性。大量的仿真实验证明了该算法的顽健性和有效性。关键词人类视觉特性数字水印空间域离散余弦变换置换中图分类号文献标识码文章编号一一一山一,砒一,苏,玩扮,玩,收稿日期卜一修订 日期一一基金项 目陕西省自然科学研究计划基金资助项目作者简介王慧琴一,女,山西长治人,西安建筑科技大学信息与控制工程学院教师,西安交通大学系统工程研究所博士生,主要研究方向为网络安全、图像处理、数字水印、智能控制理论与方法等李人厚一,男,浙江宁波人,西安交通大学系统工程研究所教授,博士生导师,主要研究方向为智能控制理论与方法、网络安全、数字水印、多媒体理论与应用、智能制造系统调度等。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/通信学报年田已“引言计算机网络的飞速发展使数字信息的存取和共享更加快捷和方便,同时也使侵权和非法盗版等行为更加难以觉察和认证。近几年刚刚发展起来的数字水印技术,被认为是一种最具潜力的数字版权保护方法。数字水印必须具有感知透明性和顽健性两个最基本的特征,。感知透明性指数字水印的嵌入不应该引起数字图像作品的质量下降所谓顽健性是指水 印信号在经历多种无意或有意的信号处理后,仍能保持完整性或仍能被准确鉴别的特性。这两个特性之间存在着竞争行为。水印算法的实现可 以分为两类空间域的方法和变换域的方法,和。的方法,由于其计算量较小,且与国际数据压缩标准,兼容,目前对该领域的研究比较多。大多数现有的域数字水印算法一,都是利用的照度和纹理掩蔽特性,折衷数字水印的感知透明性和顽健性。为了满足的要求,算法一般以的大小固定的块为单位进行纹理区域的划分,这样的划分有其粗略性和局 限性,对小于或大于的纹理区域,往往存在着漏分和错分的情况。本文将空间域和变换域技术二者相结合,提出了一种数字水印的新算法。该算法采用逐级扩大搜索范围的方法,首先在空间域搜索原始图像的纹理块和平滑块,并且做一定的预处理,使纹理区域变得更加突出。在域,提取预处理图像中,满足一定条件的系数的位置信息,以此作为水印嵌入原始图像时的参考位置,从而实现了将水印信息尽可能地嵌入到原始图像的纹理区域的目的。该方法对纹理区域的划分更加精细准确,因此不可见性效果也更好。算法利用序列密码发生器对包含版权信息和密钥的图像数字水印进行置换,具有密码学意义下的顽健性和安全性。实验结果表明,该算法对常见的信号处理和噪声干扰具有很好的顽健性。结合空间域和域的数字水印算法数字水印的产生如果将伪随机信号序列作为水印信号,则仅仅可以根据相似度检测水印的存在性,而无法提取出具有实际意义的水印信号。本文采用可识别的图像形式作为水印,该水印可 以被直观地提取出来。为了加强水印的安全性,对水印图像进行伪随机置换,以此达到置乱二值水印图像的空间关系的目的。设图像水印为,力,延,延,首先将表示成向量形式,佛,材殉怀,然后利用一个序列密码发生器,输入密钥,得到具有单向性的序列,二,儿,介火材,以置换水印序列,得到琳助,噪,鞠哟。最后将经过置换的水印序列琳作为水印信号,嵌入到原始图像中。由于满足唯一性,因此可以将作为用户的密钥,在不知道的情况下,盗版者无法提取出水印。水印的嵌入水印的嵌入过程如图所示。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期王慧琴等一种结合空间域和域的数字水印新算法图水印嵌入过程方框图的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性指出背景的亮度越高,纹理越复杂,人类视觉对其轻微的变化就越不敏感。因此,为了实现原始图像和嵌入水印后的图像之间的感知相似性,应该将水印信号尽可能地嵌入到图像中满足上述条件的部位。算法首先在空间域对原始图像做预处理。通过逐级扩大范围的方法,在原始图像中搜索平滑块和纹理块,以此来确定水印在原始图像中嵌入的位置。具体过程为设原始图像为匀,厂,将分成。的块。,计算每一块的平均灰度和方差护招貂,一万与乙妙,不 不二气 二下,山卜工,一块方差了 的大小反映了块的平滑程度。当了较小时,认为块比较均匀,反之,则认为块包含着纹理和边缘。根据图像的具体情况,预先设定一个闽值,如果扩,认为该块是纹理块,否则是平滑块。接着对搜索结果做预处理,如果是平滑块,则将其每一个像素的灰度值都用该块的平均灰度值代替,如果是纹理块,则保持不变。然后,对经过上述处理后的图像,进一步做十的分块操作,并重复执行 以上过程,直到条件二尸成立,其中尸为分块的最大尺寸。最后得到预处理图像。最优的尸可由实验得到。算法中采用分块法,借鉴 了小波变换的二元取样和插值的思想。在经过上述处理的图像中,平滑的区域被完全均匀化,而纹理区域则变得更加突出。也就是说,图像的包含低频的区域被替换,而包含高频的区域保持不变。接下来的工作在域完成。将原始图像和预处理 图像做变换,分别得到和。从,中选择泪伙材个最大的系数,标记其所处的位置,记为,。将中经过置换后的水 印琳嵌入到中对应于位置,的系数中,得到嵌入水印后的图像、,一,、一,、气忍,其它其中。是比例因子,本算法将。设计成整数的递减函数,即、一,对幻材、是。的最大值,如为递减间隔,具体可由实验得到。这样设计的丙,可以使嵌入的水印信号自适应于图像的纹理,在满足水印顽健性前提下,能够保证 良好的不可见性。最后将 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/通信学报年,进行反变换,得到嵌入水印后的图像。水印的提取该算法可以采取有源提取和无源提取两种方法实现水印的提取,图是有源提取过程方框图。首先将原始图像进行预处理,确定水印嵌入的位置、,该过程与在嵌入过程中的处理完全相同。然后,将水印化图像进行变换,得到矿,根据,从中提取出袱二拓,一、,灸,任、接着,利用密钥将进行反置换,得到水印序列厂,最后将兀转化成一提取 出图像水印平。的形式,在数字水印的嵌入过程中,如果记录了位置信息作为密钥,则提取过程中,不需要利用原始图像,可以实现水印的无源提取。为了得到具体的指标性数据,也可以采用相关检测法检测提取出的水印与原始水印之间的相似性一而下川得 到 序序逐逐级 分块块块变 换换换列预预处理理理理理理理理理理理水印印印反反反一变变 换换换提 取取取置 换换换换图水印提取过程方框图实验和结论实验图像如图所示,其中图是的原始图像,图是的二值图像水 印,图是水印嵌入的位置示意图。图是在图的基础上嵌入水印后的图像及其从中提取出的水印图像。从视觉效果看,人眼很难分辨出它与原图的差别,并且可以无失真地提取 出水印。图是检测器对图的响应曲线横坐标表示实验水印的个数,纵坐标是响应幅值。采用个图像作为水印,其中第个是实际嵌入的水印,检测器对其有较大的幅值。为了测试该方法的顽健性,对图像常见的处理和干扰进行了检验,测试图像如图幻一图所示。图是图的压缩图像及其从中提取出的水 印图像,压缩比为。图表示检测器对 图的响应 曲线。图和中分别表示在图上加入了高斯和椒盐噪声在左右的图像及其从它们中提取出的水印图像,图是在图的基础上剪切后的图像及其从中提取出的水印图像。实验结果表明,虽然经过各种处理后 的图像质量都有明显下降,但是在各种情况下,该算法仍然可以从它们中提取出可识别的水印图像。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期王慧琴等一种结合空间域和域的数字水印新算法蓝习,凉始图像惊始水印图像李余辨 娜竺秘撰酬粉水印嵌入位尺刊、怠一划医到注飞。亡曰嵌人水印钊像以及足取水印一划像,闷飞仕乡检测器对图的补曲线蓝习才,认 二。,晶们,的曲线撬、,曲线一一茗,。,甲一竹。毛自一、纲后的。图像以从提取出的水印纠像翼门,加人高斯嗓声后均。图 像以及提取出的水印图 像气加入椒 乱噪声后的日,。图像以 及提取出的 水印图像”卜险测器对图的 响份曲 线引、八了川介一阮碳图剪团 后的。图像以及提取出的水 印 图像。检汉器对图的响 应 曲线图结合空间向域和域的数字水印算法的实验图像图是直接采用的分块的水 印算法的对比实验图像,可看出本文提出的结合空间域和域的数字水 印算法实验结果优于图算法的实验结果。本文提出了一种将空间域和域二者相结合的数字水印算法,该算法改进了传统的域的水印算法确定纹理区域的方式,提出了在空间域,通过逐级扩大范围,搜索纹理区 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/。通信学报年域,确定水印在域嵌入的位置的新方法。实验结果表明,按上述算法在图像的域中嵌入的水印信号,具有良好的不可见性,对常见的图像处理如压缩、剪切和常见的噪声干扰等具有足够好的顽健性。蘸獭川曰,内乙八八川,一一一日闪一卜匕一周叮一从水 印化图像中提取出的水印信号及 其检测器 的响应 曲线从压缩 后的图像 中提 取 出的水印图像及其检测 器的响 应曲线从加入高斯噪声后的 图像 中提 取出的水 印图像及 其检测器的响应曲线一佗御八协一百飞不石花而畜丽夯百 百歹污。付从加入 椒 盐 噪声后的 图像 中提取 出的水 印 图像及 其检测器的响应 曲线从剪切 后的图像 中提取出的水印图像及 其检测器的响应曲线图从图像中提取出的水印信号及检测器的响应曲线参考文献,【,一,一司田】,一,一咖叫沐汾,洲,一,一认喊,一
