基于分块和nsct-svd的彩色图像数字水印算法-张倩倩.pdf

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1、年月第卷第期：基于分块和的彩色图像数字水印算法张倩倩，詹永照，林涵阳（江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江）摘要：针对目前彩色图像数字水印算法水印容量较小、水印攻击强度较大时鲁棒性弱的问题，提出了一种基于分块和的彩色数字水印算法将彩色载体图像分解成，共个通道，同时将每个通道分解成个非重叠块，分别对这些非重叠块进行处理，可得到各非重叠块对应的低频子带信息，并对低频子带信息进行奇异值分解同时将彩色水印图像的，通道信息进行奇异值分解，考虑水印鲁棒性和隐蔽性均能较好权衡的原则，优选水印嵌入因子，将水印图像，通道信息的奇异值加入到原图像各块的低频子带信息的奇异值中，实现彩色图像数字水印嵌入试验结果

2、表明：该算法嵌入水印的图像保真度较高、水印的隐蔽性较好，同时对包括噪声、滤波、图像剪切、压缩、旋转等攻击均具有较强的鲁棒性，尤其提高了攻击强度较大时水印的鲁棒性关键词：彩色图像数字水印；非重叠块；鲁棒性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引文格式：张倩倩，詹永照，林涵阳基于分块和的彩色图像数字水印算法江苏大学学报（自然科学版），（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：张倩倩（），女，河南杞县人，硕士研究生（），主要从事多媒体数字水印技术研究詹永照（），男，江苏镇江人，教授，博士生导师（），主要从事多媒体语义分析研究，（，）：，：；万方数据第期张倩倩等：基于分块和的彩色

3、图像数字水印算法随着互联网的高速发展和网络化的快速普及，数字媒体越来越受欢迎数字信息作为载体在网络上的传播日益增多随之而来的数字作品（如扫描图像、电脑美术、视频、三维动画、数字音乐等声像数据）的安全性及版权问题以及票据与证件的真伪问题也日趋明显，如一些个人和组织在没有得到任何授权的情况下对在上传输和交换的数字产品进行恶意地窃取、篡改以及非法传播等，严重威胁着网络安全数字水印技术能有效解决以上问题，在数字产品版权保护、信息安全等领域发挥着举足轻重的作用目前，如何提高水印容量以及如何增强数字水印的鲁棒性问题成为该领域的研究热点最早的数字水印技术是将灰度水印嵌入灰度载体图像中，随着研究的深入以及彩色

4、图像的广泛应用，彩色数字水印成为研究的重点目前较为流行的彩色水印算法大多是在（）、（）以及（）的基础上发展而来，并结合奇异值分解（）、（）等算法进行水印的嵌入和提取例如，文献将与相结合，增强了对、椒盐噪声等攻击的鲁棒性，但对低通滤波的抵抗性较弱，且当攻击强度较大时，其抵抗能力明显降低文献根据对于的能量集中特征，引入了两级，该方法对各种攻击具有较强的鲁棒性，但当攻击强度增强时的鲁棒性仍有待提高文献提出了一种二级的方法，提高了一级的抗攻击性，但对剪切和滤波的鲁棒性不强文献将与结合起来，相比和鲁棒性有了明显提高，但是对各种噪声的攻击抵抗性不强文献是一种改进的因式分解法，隐蔽性很好，但对压缩和噪声攻击

5、的抵抗性欠佳文献直接通过奇异值分解进行水印的嵌入和提取，时间复杂度及空间复杂度较低，但是该方法对多种滤波攻击的鲁棒性不强年，等提出了一种变换（）与相比，的优点是分解后的子频图与原始图的大小一样此外，多尺度、多方向及平移不变性的特点，使得它具有较好的方向性定位以及快速实现的特性但算法对剪切的抵抗力欠佳年，提出了一种分块的水印算法，该方法对剪切攻击的抵抗性较强，但对其他的强度较大的攻击的鲁棒性不尽如人意文中提出一种基于分块和的彩色图像水印算法，以提高水印容量，同时实现彩色水印的嵌入和提取，并使水印嵌入的隐蔽性和鲁棒性都得到较好的权衡分块和的水印算法载体图像分块将彩色载体图像分成，共个单色通道后，对

6、每一个通道进行分块处理分块是指将待处理图像分解成若干非重叠块设原始载体图像大小为，可将其分成个大小的非重叠图像块，如图所示图图像分块示意图这样可以同时在个块中嵌入水印，由于提取的水印信息有个，可选取效果最好的一个作为最终的水印提取信息，有利于提高水印的鲁棒性，同时增强水印算法的抗剪切性记原始载体图像为，将分解成，共个通道，将每个通道分成个非重叠的块，可以用公式表示，即，（）基于数字水印的嵌入将原始载体图像进行非重叠块分解以后，对得到的每一个非重叠块进行变换并获取对应的低通子带图像，并对得到的低频子带信息进行奇异值分解与此同时，将彩色水印的，等个单色通道也进行奇异值分解通过奇异值相加的方法进行水

7、印的嵌入最后再选择最佳的嵌入强度因子，以平衡水印的隐蔽性和鲁棒性对任意一个大小的数字图像，可以用的矩阵来表示可对进行奇异值分解，即，（）式中：和都是正交矩阵；是一个对角矩阵，为矩阵分解后得到的奇异值有个组成部分：非下采样塔式滤波器组（，）和非下采样方向滤波器组（万方数据第卷，）基于数字水印的嵌入步骤如下）由对各个非重叠块进行多尺度分解，非重叠块经一级分解可以产生一个低通子带图像（低频部分）和一个带通子带图像（高频部分）之后每级分解都在低通子带上迭代进行迭代次后，可得到一个低通子带图像以及个带通子带图像，其分解示意图如图所示然后通过分解可以得到图像的奇异点再对得到的个带通子带图像分别采用进行方向

8、分解，将分布在同方向上的奇异点合成的系数图级多尺度分解示意图）对原始载体图像各通道的各个非重叠块的低频子带进行奇异值分解：，（）将水印图像分解成，共个通道单色图像，并分别进行奇异值分解，即，（）考虑用水印图像，这个单色通道的奇异值修改经过分解后的各通道各个块的低频部分的奇异值进行水印的嵌入，其式为，（）式中是嵌入因子，图像水印算法有个衡量指标：隐蔽性和鲁棒性但二者是负相关的关系，即增强算法的隐蔽性，其鲁棒性就会降低，反之亦然由于二者的最优值取决于合适的嵌入因子（），因此嵌入因子的选择尤为重要文中选用嵌入水印的图像的（）以及从含水印图像中提取水印的（）值分别作为图像水印算法隐蔽性和鲁棒性的衡量指

9、标为了权衡这两个指标，定义水印嵌入因子的适合度如下：（），（）式中：（，；选择适合度值最小所对应的水印嵌入因子值作为该图像嵌入水印的水印嵌入因子值具体过程如下：通过设定循环次数为次，以步长为更新，按式（）计算各通道各块含水印的低频部分的奇异值将各块含水印的低频部分取代原始块的低频部分再对其进行逆变换处理，即可得到含水印各通道对应的个非重叠块合并各通道的个含水印的非重叠块可得含水印的，通道将得到的个通道合成图像，形成候选的含水印图像按式（）计算值，取最小值的候选嵌入水印的图像为最终嵌入水印的图像水印提取数字水印的提取和检测是数字水印嵌入的逆过程，是水印嵌入的反向操作，其系统架构图如图所示图水印提

10、取系统架构首先将原始载体图像分解成，等个通道，对每个通道进行分块处理可得到各通道对应的个非重叠块；其次对各通道的个非重叠块进行变换得到相应的低频部分，对低频部分进行万方数据第期张倩倩等：基于分块和的彩色图像数字水印算法奇异值分解；然后对含水印图像重复上述处理，得到个通道各非重叠块块的奇异值；最后，将含水印图像各非重叠块的奇异值减去载体图像相对应的奇异值，进行水印的提取之后合并得到的，通道，可得到个水印图像，选择效果最好的一个作为最终的水印提取信息试验结果分析文中试验图像信息选自数字水印领域图像数据库最常用的图像信息，其中图为原始载体彩色图像，为原始水印彩色图像图原始载体图像以及原始水印为了对比

11、试验结果，文中用，值作为试验对比的衡量标准一般而言，值越大表明水印算法的隐蔽性越好；值越大表明水印算法的鲁棒性越好，当时表明提取的水印信息与原始水印基本相同，鲁棒性达到最好表给出了在没有任何攻击的情况下，个水印信息和分别嵌入到载体图像和中的含水印载体图像及对应的值、提取水印及对应的值表没有任何攻击下的含水印图像和提取水印参数文献算法文献算法文中算法含水印图像及提取水印及含水印图像及提取水印及续表参数文献算法文献算法文中算法含水印图像及提取水印及含水印图像及提取水印及由表可知，文献及中算法下的含水印载体图像与原始载体图像相比，损失较为严重相比之下，文中算法下嵌入水印后的载体图像具有更好的视觉透明

12、性，并且载体图像对应的值也最大此外，在没有任何攻击的情况下，所有算法下提取的水印信息都具有很高的质量，但文中算法提取出的水印信息具有最好的视觉效果，且值也最高总之，与其他两种算法相比，文中算法表现出了更好的隐蔽性万方数据第卷表给出了含有水印信息的载体图像以及经过不同强度的压缩攻击及椒盐噪声攻击之后，从含水印载体中提取出的水印信息及相应的值表压缩及椒盐噪声攻击下的提取水印及攻击图像提取水印及文献算法文献算法文献算法不分块算法文中算法椒盐噪声（）椒盐噪声（）由表可见，在压缩攻击下，不分块算法相比文献，及中的算法，提取出的水印信息具有较好的视觉效果，提取出的水印信息与原始水印相比损失最小，且值较大相

13、比于不分块算法，分块的算法具有更好的抗攻击的能力且在攻击强度较大时，文中算法提取的水印信息效果较好，其抗攻击能力最强在椒盐噪声攻击下，文献，及中的算法提取出的水印信息损失较大，视觉效果不理想，且值不高而算法下提取的水印信息效果较好，值较高当椒盐噪声攻击增强时，分块的算法表现出了最强的鲁棒性综上所述，相比于多种不同的水印算法，分块的及算法对攻击以及椒盐噪声攻击都具有较好的鲁棒性表给出了含有水印信息的载体图像以及经过不同强度的高斯噪声攻击、图像模糊攻击及剪切攻击之后，从含水印载体中提取出的水印信息及相应的值万方数据第期张倩倩等：基于分块和的彩色图像数字水印算法表高斯噪声、模糊及剪切攻击下的提取水印

14、及攻击图像提取水印及文献算法文献算法文献算法不分块算法文中算法高斯噪声（）高斯噪声（）模糊（）模糊（）剪切（）剪切（）万方数据第卷由表可见，在高斯噪声攻击情况下，算法相对于文献，及中的算法具有更好的鲁棒性，提取出的水印信息值也较高而分块的算法的抗高斯噪声攻击的能力进一步增强，尤其当高斯噪声强度较大时，优势更加明显在图像模糊攻击下，当攻击强度较小时，文中算法表现的鲁棒性相对其它几种算法较弱，但当模糊攻击强度较大时，文中算法的鲁棒性最强，这说明文中算法具有更好的稳定性在剪切攻击下，文献中的算法具有较强的鲁棒性，这是因为在分块处理条件下，水印将多次嵌入载体的不同位置上，使得攻击后水印图像依然含有完整

15、的水印信息而算法下提取的水印信息效果较差，表现出的鲁棒性最弱但将算法与分块思想相结合有效增强了抗剪切攻击的能力，即使剪切强度较大时，该算法也能有效地抵抗剪切攻击综上所述，文中算法对高斯噪声攻击、图像模糊攻击及剪切攻击均具有较好的鲁棒性，且算法性能较为稳定表给出了含有水印信息的载体图像以及经过旋转攻击、低通滤波、中值滤波及锐化攻击之后，从含水印载体中提取出的水印信息及相应的值表旋转、低通滤波、中值滤波及锐化攻击下的提取水印及攻击图像提取水印及文献算法文献算法不分块算法文中算法旋转（）低通滤波（，）低通滤波（，）中值滤波（）万方数据第期张倩倩等：基于分块和的彩色图像数字水印算法续表攻击图像提取水印

16、及文献算法文献算法不分块算法文中算法锐化（）由表可知，在旋转攻击、低通滤波攻击、中值滤波攻击以及图像锐化处理下，文中算法相对于文献，及算法均表现出了较强的鲁棒性尤其是对滤波表现出了更好的抵抗能力，特别是对强度较大的滤波更是表现出了很好的鲁棒性结论文中提出了一种分块和相结合的彩色图像数字水印算法，该算法不仅提高了水印容量，使得嵌入的水印信息与原始载体信息大小相同，并且利用了较好的方向性定位的特点，可较好地实现水印嵌入的隐蔽性该算法同时结合了嵌入水印具有较好鲁棒性的特点，并通过优选嵌入因子实现水印的隐蔽性和鲁棒性的权衡此外采用对载体图像分块嵌入水印信息的思想，进一步提高了算法的鲁棒性，尤其可有效抵抗裁剪攻击总之，该算法适合于彩色图像的彩色水印信息的嵌入，能有效地实现彩色图像的版权保护参考文献（），：，：，（）：，（）：，：，：，：?，：，：，：，（）：，：，：，（），（）：（责任编辑梁家峰）万方数据