一种鲁棒的数字水印算法.pdf

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1、一种鲁棒的数字水印算法 龚成清【摘 要】数字水印是信息隐藏和版权保护的有效手段。针对一般数字水印算法的视觉性和鲁棒性无法兼顾的问题，对 JPEG 2000 的图像格式提出了一种自适应的盲水印算法。算法使用 m+n 位的线性反馈移位寄存器对水印图像进行移位置乱，然后利用 JPEG 2000 图像的特点，对原始图像进行小波变换处理后选择低频子带进行水印的嵌入，在量化处理的同时完成了水印的嵌入，提高了水印嵌入的速度。根据 LSFR 的性质，算法对水印进行有效地检测和移位复原，实现了水印的盲提取。实验表明，该算法具有良好的视觉性和抵抗攻击的鲁棒性。%Digital watermarking is an

2、 effective means of information hiding and copyright protection.For general digital watermarking algorithm can not balance the visuality and robustness,this paper proposes a robust blind watermarking algorithm of JPEG2000 images.It designes a Linear Shift Feedback Register of m+n bits to scramble th

3、e watermark image,then choses the low frequency which is processed after the wavelet transform to embed the watermark bit.It completes the watermark embedding with the quantification processing.It improves the watermark embedding speed.According to the nature of LSFR,the watermark is detected and to

4、 be shifted to restore the watermark image.So it achieves blind watermark extraction.Experiments show that,the algorithm has a good visuality and robustness.【期刊名称】齐齐哈尔大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6 页(P10-15)【关键词】水印;量化;移位;鲁棒性【作 者】龚成清【作者单位】广东女子职业技术学院 应用设计系，广州 511450【正文语种】中 文【中图分类】TP391.9 数字水印技术

5、广泛用于图像、视频和音频作品中的信息隐藏和版权保护。数字水印技术的研究内容主要有：水印的生成1、水印的嵌入2和水印的提取3。目前，数字水印由空域嵌入技术转变为变换域嵌入技术。变换域水印技术对抵抗攻击有更好的鲁棒性。离散傅立叶变换（DFT）4、离散余弦变换（DCT）5、Contourlet 变换（CT）6、离散小波变换（DWT）7等都是著名的变换域水印方法。JPEG2000 是基于小波变换的图像压缩标准，研究人员利用 JPEG2000 的优越性能对图像的水印算法进行了研究。周容8通过探讨了水印嵌入的量化因子的取值范围在 JPEG2000 中实现了水印的嵌入和盲提取,但算法抵抗攻击的鲁棒性还有待改

6、进；焦占亚和王蕊9 采用时空混沌模型生成混沌序列对水印进行置乱加密，然后把水印信息按特定方式嵌入到分解后的载体图像中，实现了 JPEG2000 图像作品版权的保护，但嵌入水印后的图像视觉性还有待改进；马颖哲和孙劲光10提出了一种抗 JPEG2000 有损压缩的半脆弱图像数字水印算法，具有很好的鲁棒性，但算法较为复杂。本文在前人研究的基础上，深入研究 JPEG2000 图像的特性，将图像小波变换、扩频水印思想与量化索引调制算法相结合，并充分考虑人类视觉特性，提出了一种水印嵌入算法，并实现了盲提取。为了安全起见，对经过预处理的水印图像进行置乱处理。传统的水印置乱算法通常采用 Arnold 置乱。A

7、rnold 置乱具有很好的安全性，但需要进行额外的处理。为了实现在 JPEG2000 的压缩过程中进行水印的嵌入，考虑到安全性和运行的效率，本文采用线性移位反馈寄存器（Linear Shift Feedback Register，LFSR）的工作原理及其 m 序列的性质设计了一个随机数发生器来产生任意周期随机整数序列对水印图像进行置乱。LFSR 是内测试电路中最基本的标准模块结构，既用作伪随机测试码产生器，也作为压缩测试结果数据的特征分析器，广泛应用于通信领域的信道编码和加密中。LFSR 加密的基本思想是利用密钥 k 产生一个密钥流 Z=Z0Z1Zn，用此密钥流依次对明文 X=X0X1Xm 进

8、行加密。一个标准的 n 级线性反馈移位寄存器由 n 个二元存储器和一个反馈函数 f（a1,a2an）组成（反馈函数是线性函数）。每一存储器称为移位寄存器的一级，在任一时刻，这些级的内容构成该反馈移位寄存器的状态，共有 2n 种可能状态。初始状态由用户确定，当移位时钟脉冲到来时，每一级存储器都将其内容向下一级传递，并根据寄存器此时的状态（n 维向量），计算出反馈函数 f（a1,a2,an），并将计算得出的值作为下一时刻的an，如此不断进行，将得到一个最大周期为 2n-1 的序列。因此，只要选择合适的反馈函数，便可使序列的周期达到最大周期（称为 m 序列），来实现数据的加密和保证加密的安全性。由于

9、 LFSR 的反馈逻辑很简单，因而它的执行速度比二进制计数器快。设水印图像 P 的大小为 2m2n，则使用 m+n 位的线性反馈移位寄存器来进行移位置乱，如图 1 所示。在图 1 中，Si 是存储元件，zi 是输出。LFSR 的初始值可以取全 0 以外的随机数，并可作为密钥对水印进行加密。水印移位置乱的公式如下：算法对大小为 2m2n 输入的水印图像 P 进行置乱输出，算法的核心程序伪代码如下 Prodedure LFSR_MIX Begin k=1;for (i=0;i=2m-1;i+)for (j=0;i=2n-1;j+)w(k+)=w(i,j);使用密钥 key 对 LFSR 初始化；w

10、(0,0)=w(0);for (i=0;i=2m+n-1;i+)应用时钟脉冲；xi=zm+n-12m-1+zm+n-22m-2+zn-12+zn;yi=zn-12n-1+zn-22n-2+z12+z0 w(xi,yi)=w(i);End 水印的嵌入过程就是一个在强背景下叠加一个弱信号，若叠加的水印信号强度低于人类视觉系统对比度门限的感知门限，那么人类视觉系统就无法感知到水印信号的存在11。设原始图像为 I，水印图像为 P，由于小波变换具有能量集中于低频系数的特性，因此对经过小波变换的原始图像 I，选择其经过预处理后的低频子带进行嵌入。原始图像 I 经过一级离散小波变换后，会产生一个低频子带 L

11、1L1。经过三级分解后得到 4 个低频子带 L3L3、L3H3、H3L3、H3H3，如图 2 所示。这 4 个低频子带都可以同时进行水印图像的嵌入，但这样会增加算法的复杂度。因此，本文选择其中的一个子带进行嵌入。通过对 1000 张灰度图片进行试验，L3L3、L3H3、H3L3、H3H3 各低频子带抵抗攻击的鲁棒性如表 1 所示。实验结果看出，L3L3 的鲁棒性最好，但 L3L3 通常难以量化。因此，本文选择L3H3 量化进行水印的嵌入。根据量化的算法和水印信息的比特值，通过调整变换系数直接进行水印的嵌入。变换公式如下。其中，是量化的步长。b 表示的是变换域的一个子带，sign(x)是取 x

12、的符号。水印嵌入使用 LFSR(x)和 LSB(x)（最低有效位）函数进行判断嵌入，具体算法流程图如图 3 所示。水印提取首先要判断某个点是否存在水印信息，如果存在则提取出其值。水印存在性的判断同样使用 LFSR，具体操作是水印嵌入的过程基本一致，在此不再赘述。根据 LSFR 的性质12：若已知 n 级 LSFR 序列 a 的一个状态(ak-1,ak-2,ak-n)及对应状态位置 k-n,那么根据其极小多项式 f(x)向前反推 k-n 次就能得到初态(an-1,an-2,a0)。利用这一性质，不需要使用原始的数据，只需要使用加密置乱时的密钥就可以对含水印的图像进行水印的盲提取。设水印图像 P

13、的大小为 2m2n,含水印的图像是 I,其对应的像素点为，若像素点存在水印，则用式（4）提取水印的值。式（4）提取出来的水印是置乱后的水印，必须经过移位寄存器移位复原。水印提取和复原的算法流程图如图 4 所示。实验的操作系统是 Windows 7，算法使用 Matlab 2012 实现。机器配置为 Intel Core i7 3.0G 的 CPU，4G 的内存。为了验证算法的效率，分别采用峰值信噪比PSNR 和归一化的相关系数 NC 值来评价图像的视觉效果和提取水印结果，公式表示如下 实验使用 512512 的 Lena 的灰度图像为宿主图像，水印图像是 6464 的二值图像。实验结果如图 5

14、 所示 实验成功地对水印的图片进行了嵌入和提取。从实验的结果看出，嵌入水印后的图片 PSNR=49.3601，与原始图片从肉眼上无法分辨差别，水印的嵌入算法具有良好的视觉性，水印图像实现了盲提取，提取的水印图片与原始的水印图片相似度NC=1，能很好地还原出原始的水印图像。为了验证算法的鲁棒性，对本文算法进行了抗攻击的实验，并与文献8的算法进行了对比，实验结果如表 2 所示。实验结果表明，本文的算法可以有效抵抗各种攻击，相对于文献8，本文算法有更好的鲁棒性。由于本文算法充分利用 Jpeg2000 的特性，在压缩过程同时进行水印的嵌入，在抵抗压缩攻击方面，具有更好的性能表现，如图 6 所示。为了验

15、证算法的运行效率，用本文算法和文献9、文献10分别对 1000 张大小为512512 的灰度图片依次嵌入大小为 6464 的图 5（b）二值水印图像，计算出其水印嵌入和提取的平均时间。实验结果如表 3 和图 7 所示。实验结果表明，本文算法相对对比的算法有更好的时间效率。本文根据 LFSR 的工作原理与 m 序列的性质对水印进行了置乱嵌入和盲提取，具有良好的视觉性。通过对提出的算法添加各种攻击实验表明，对于边缘锐化、高斯噪声、缩放、旋转、剪切、平移等攻击具有良好的鲁棒性。本文目前的研究只针对JPEG2000 的图像格式，对于其他图片格式的研究还有待进一步的验证。【相关文献】1 YE Tiany

16、u.A roubust zero-watermarking algorithm resisting JPEG compression and geometric attacksJ.Acta Photonica Sini ca,2012,41(2):210-217 2 窦永梅.基于 DWT 与 DCT 的灰度图像水印的嵌入算法J.计算机与现代化,2014(2)：197-200 3 左姣，范九伦.自嵌入全盲鲁棒水印量化算法J.微型机与应用,2014,33(2):38-41 4 ORuanaidh.J.J.K,Dowling W.J,Boland F.M.Phase watermarking of

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18、es based on DWTC.GVIP special issue on watermarking,2007 8 周容.JPEG2000 中的一种盲水印算法J.科技信息,2007(24):373-374 9 焦占亚,王蕊.时空二维混沌的 JPEG2000 数字水印算法研究J.计算机与数字工程,2008,36(12):108-110 10 马颖哲,孙劲光.一种用于 JPEG2000 认证的半脆弱数字水印J.微计算机信息,2010,26(11):204-206 11 张建伟,吴伟.离散余弦变换数字水印的尺度系数研究J.成都大学学报:自然科学版,2013,32(4):368-370 12 胡金龙等.一种基于移位寄存器的文本水印算法J.信息工程大学学报,2011,12(3):258-262