二值圖像數(shù)字水印技術(shù)綜述

摘要:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)代，二值數(shù)字圖像作為一種廣為使用的傳輸媒介，對(duì)其進(jìn)行版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)證具有重要意義。對(duì)用于二值圖像版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的綜述，介紹了現(xiàn)有的各種水印算法，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出下一步的研究方向。

關(guān)鍵詞:二值圖像;數(shù)字水印;魯棒性

中圖分類號(hào):TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)32-9043-02

Overview of Digital Watermarking Techniques for Binary Images

XU Nan， LI Wang-yan

(Qinhuangdao Institute of Technology， Qinhuangdao 066100， China)

Abstract: In the era of computer network， it is essential to take measures for copyright protection and data authentication of binary images， whose transmission is a major activity during everyday communication. Digital watermarking techniques have been proposed to address the issue. This paper reviews various watermarking algorithms for binary images， and analyzes their advantages and disadvantages. The paper also proposes several research topics at next stage.

Key words: binary image; digital watermarking; robustness

數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支，是實(shí)現(xiàn)多媒體版權(quán)保護(hù)與信息完整性認(rèn)證的有效方法，現(xiàn)成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，大量的參考文獻(xiàn)主要涉及到灰度圖像、彩色圖像以及視頻、音頻水印技術(shù)研究，二值圖像因只有兩個(gè)亮度等級(jí)，水印實(shí)施困難，故相關(guān)文獻(xiàn)較少。但隨著全球信息數(shù)字化進(jìn)程的日益加快，大批的重要資料，如個(gè)人檔案、醫(yī)療記錄、學(xué)歷證書、專利證件、手寫簽名、設(shè)計(jì)圖樣、館藏圖書、機(jī)要文件等，已掃描成數(shù)字化文檔備存。再者，隨著電子商務(wù)、電子政務(wù)的日趨流行，對(duì)網(wǎng)上發(fā)行的電子刊物進(jìn)行盜版追蹤，對(duì)來(lái)往的電子信函、公文或傳真進(jìn)行完整性認(rèn)證也日益緊迫。而這其中，絕大部分信息資料為二值圖像格式。因此二值圖像數(shù)字水印技術(shù)研究也就顯得尤為重要。

1 二值圖像水印技術(shù)研究需解決的問(wèn)題

二值圖像即黑白圖像， 其每個(gè)像素點(diǎn)只用一位表示，“0”代表黑，“1”代表白，這個(gè)特點(diǎn)決定了任意修改像素值是不可行的。在二值圖像中嵌入水印時(shí)，不能像灰度圖像和彩色圖像中那樣孤立的考慮一個(gè)像素點(diǎn)，而必須考慮該像素鄰域情況，否則會(huì)引起視覺(jué)異常。與灰度圖像和彩色圖像相比，二值圖像的視覺(jué)冗余少，二值圖像的水印技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)考慮視覺(jué)的空間屏蔽效應(yīng)(即視覺(jué)上的隱蔽性)問(wèn)題。

二值圖像水印技術(shù)的嵌入容量與魯棒性是一對(duì)矛盾。 很明顯，魯棒性越強(qiáng)嵌入容量越小，魯棒性越弱嵌入容量越大，增強(qiáng)技術(shù)的魯棒性會(huì)以犧牲隱藏容量作為代價(jià)。因此需在魯棒性與嵌入容量之間尋求一種平衡，根據(jù)應(yīng)用需求不同對(duì)魯棒性與嵌入容量做不同的側(cè)重。

2 二值圖像數(shù)字水印典型算法

二值圖像水印算法可按嵌入原理的不同分為:行移或字移、基于圖像分塊的水印算法、變換域水印算法等幾類。

2.1 基于行移和字移的水印算法

文本行移位和字符移位的嵌入方法就是將文本圖像的一行字符， 一個(gè)字符或是一個(gè)字符群做微小的整體移位來(lái)攜帶信息。這種方法適用于文本內(nèi)容的二值圖像。

Low 發(fā)表文章[1-2] 討論基于字符移位、行移位的水印方法。該技術(shù)通過(guò)修改字符間距、行間距來(lái)攜帶信息， 修改幅度為1/150 英寸(1/381 cm) 。嵌入策略非常簡(jiǎn)單， 比如說(shuō)字符行向上移嵌入“1”， 向下移嵌入“0”; 字符行向左移嵌入“1”， 向右移嵌入“0”， 嵌入的水印可以經(jīng)的起掃描和打印的攻擊，具有一定的魯棒性。由于水印在打印或掃描時(shí)難免會(huì)引入量化噪聲， 水印恢復(fù)時(shí)用極大似然法來(lái)判別。

2.2 基于圖像分塊的水印算法

分塊嵌入的二值圖像水印方法是一種較為典型的水印方法， 由于其算法簡(jiǎn)單、嵌入容量大，相對(duì)于其它算法而言具有更強(qiáng)的實(shí)用性。這一類嵌入方法就是把圖像分成大小為M×N 的子塊， 然后對(duì)劃分的子塊按某種規(guī)則進(jìn)行計(jì)算確定嵌入策略，根據(jù)嵌入策略找出可以修改的像素， 然后直接對(duì)該像素進(jìn)行修改。這種方法對(duì)所有的二值圖像均適用。

2.2.1 修改塊內(nèi)黑白像素個(gè)數(shù)的奇偶性

Wu等人[3]提出一種算法，其主要思想是使通過(guò)控制“可翻轉(zhuǎn)”的像素并利用置亂操作嵌入大量信息，信息的提取不需要原始圖像的參與，可用于內(nèi)容的認(rèn)證和篡改提示，但確定可翻轉(zhuǎn)像素是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。具體實(shí)現(xiàn)方法是，首先根據(jù)每個(gè)像素在其3×3鄰域內(nèi)的連通性和平滑度來(lái)計(jì)算該像素的翻轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)，然后對(duì)圖像置亂使可翻轉(zhuǎn)像素點(diǎn)分散到整個(gè)圖像。最后將圖像分塊，根據(jù)每個(gè)圖像塊中黑白像素的奇偶性分別嵌入“0”和“1”。

文獻(xiàn)[4]對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，把基于距離倒數(shù)的失真?zhèn)榷?DRDM)引入到計(jì)算像素的翻轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)，以減少圖像嵌入信息后的失真度。

文獻(xiàn)[5]中提出，將二值圖像分割成大小為2×2 的圖像塊，利用圖像塊的奇偶性將一條二進(jìn)制信息嵌入到黑白像素鄰近的塊中，嵌入1 位信息平均修改0.5 個(gè)像素，具有計(jì)算量小、嵌入信息量大、圖像質(zhì)量下降少、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]中提出，為了使可翻轉(zhuǎn)像素在空間上均衡分布， 對(duì)原始圖像進(jìn)行隨機(jī)排列和分塊后， 在每一塊中嵌入相同數(shù)量的水印。 并根據(jù)隨機(jī)排列的統(tǒng)計(jì)特性， 自適應(yīng)地確定可嵌入水印像素， 以盡量減少對(duì)圖像質(zhì)量的損害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 嵌入的水印不易被察覺(jué)。

2.2.2 修改黑白像素的比例

Koch和Zhao[7]提出一種算法，把圖像被分成8 ×8 的子塊， 用每個(gè)子塊中黑白像素的多少來(lái)表示嵌入的信息， 具體的嵌入策略為: 根據(jù)圖像中為“1”的像素所占百分比， 設(shè)定一個(gè)門限， 用子塊中為“1”像素的百分比超過(guò)門限來(lái)表示“1”， 低于門限則表示“0”。對(duì)每個(gè)子塊按上述嵌入策略進(jìn)行修改即可完成嵌入。該方法具有一定魯棒性， 但嵌入水印的圖像塊質(zhì)量會(huì)明顯降低。

2.3 變換域

在變換域水印技術(shù)方面，對(duì)二值圖像來(lái)說(shuō)，在變換域嵌入水印信息，再返回到空間域后，為了確保圖像的二值性，需進(jìn)行二值化處理，而這種二值化操作通常會(huì)大大削弱水印強(qiáng)度，甚至?xí)ニ⌒畔?，因此不能直接變換域上通過(guò)簡(jiǎn)單地修改系數(shù)來(lái)嵌入水印。

Lu[8]等人證明:對(duì)于二值圖像，若通過(guò)修改DCT系數(shù)的直流系數(shù)(DC)來(lái)嵌入水印，則經(jīng)二值化操作后，水印將不復(fù)存在;對(duì)于灰度圖像，若通過(guò)修改來(lái)嵌入水印，當(dāng)二值化閾值取為最大亮度與最小亮度的中值時(shí)，水印信息也將被除去。為此，他們提出將二值圖像先經(jīng)模糊預(yù)處理轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過(guò)修改灰度圖像的DC來(lái)嵌入水印，在空間域進(jìn)行二值化處理時(shí)，采用由水印信息動(dòng)態(tài)決定的有偏閾值。該算法對(duì)局部剪切和噪聲具有一定的魯棒性，但提取水印時(shí)需原始圖像。由于修改分量相當(dāng)于將空間域的每個(gè)像素DC疊加上一個(gè)常數(shù)。

文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于DCT–DWT的二值文本頻率域數(shù)字水印算法。算法結(jié)合了DCT 和DWT 二者的特點(diǎn)，將水印信號(hào)進(jìn)行分塊DCT 變換，按照從低頻到高頻的順序?qū)Ω鲏K系數(shù)進(jìn)行重新排列，對(duì)應(yīng)嵌入到原始圖像的DWT 分解子帶中，強(qiáng)化了不可見(jiàn)性。對(duì)JPEG 壓縮、加入高斯噪聲、椒鹽噪聲以及剪切具有一定的魯棒性。但該算法只適用于紋理復(fù)雜的二值圖像，且提取水印時(shí)需原始圖像。

3 幾種典型的水印算法的分析和比較

行移或字移、基于圖像分塊的水印算法屬于空域水印，相比變換域水印算法，該類算法特點(diǎn)是水印嵌入方法簡(jiǎn)單，但魯棒性較差。而變換域水印的抗攻擊能力很強(qiáng)，但是嵌入量較小，計(jì)算更為復(fù)雜。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際需要，選取合適的算法。文本行行移位， 文本字符移位法屬于大塊圖像做微小平行移位的嵌入方法，該方法水印嵌入容量小，但可以抵抗打印掃描、打印、影印、傳真?zhèn)魉偷冗@些二次量化引入的噪聲的攻擊，具有一定的魯棒性。分塊嵌入水印算法，水印嵌入容量較高，但魯棒性較差。變換域水印，可以抵抗局部剪切和噪聲等攻擊，魯棒性較好。表1給出幾種典型算法的各自的特點(diǎn)和不足。

4 結(jié)論

在數(shù)字水印技術(shù)中，水印嵌入算法一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，由于二值圖像只有兩個(gè)亮度等級(jí)，過(guò)去二值圖像數(shù)字水印算法研究主要集中在空域算法，在變換域嵌入水印認(rèn)為幾乎是不可能的，但是現(xiàn)在有越來(lái)越多的研究嘗試并成功地在變化域的嵌入水印，相信今后隨著多媒體產(chǎn)權(quán)保護(hù)和信息安全維護(hù)的推動(dòng)，在這個(gè)領(lǐng)域?qū)⒂懈?、更好的成果出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

[1] LOW S H ，MAXEMCHUK N F， LAPONE A M. Document identification for copyright protection using centroid detection[J].IEEE Trans on Comm，1998，46(3):372-83.

[2] LOW S H ， MAXEMCHUK N K， BRASSIL J T， Document marking and identification using both line and word shifting[C].Infocom 95，IEEE Computer Society Press ，1995.

[3] Wu M， Tang E， Liu B. Data Hiding in Digital Binary Images[C].In: Proc.IEEE Int. Conf. on Multimedia and Expositions，New York，2000:393-396.

[4] Lu H， Alex C. Secure data hiding binary document images for authentication[C].IISCAS '03. Proceedings of the 2003 International Symposium，2003:806-809.

[5] 劉春慶，戴躍偉，王執(zhí)銓.一種新的二值圖像信息隱藏方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，33(z1):98-101.

[6] 周波，陳建.一種適用于二值圖像的數(shù)字水印算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(09):1505-1508.

[7] KOCH E， ZHAO J. Embedding robust labels into images for copyright protection[C]. International Congress on Intellectual Property Rights for Specialized Information，1995.

[8] Lu H， Shi X， Shi Y Q， et al. Watermark Embedding in DC Components of DCT for Binary Images[C].In: Proc. IEEE Int. Workshop on Multimedia Signal Processing， US， Virgin Islands， 2002-12: 300-303

[9] 王慧琴，李人厚.二值文本數(shù)字水印技術(shù)的研究與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(3):521-524.