一種基于HVS的空域分塊數字水印技術

劉挺

（西安外事學院 陜西 西安 710077）

通信和網絡技術的日益普及，多種數字終端的大量應用，使得人們生活中到處充滿著各種各樣的數字信息。數字信息以其傳播迅速、費用低廉、復制簡單、制作方便、傳播區域廣的特點，方便我們使用的同時，數字信息安全性的關注也更加突出。數字水印技術中大量的借鑒了傳統密碼學和通信學中隱藏術的研究，再與現代各種數字技術相融合，體現了數字水印作為一門新技術的特點。

根據數字水印嵌入數字載體區域的不同，又分為空域水印和頻域水印。空間域算法通常簡單易操作，水印嵌入量較大，抵抗外部幾何攻擊能力強，具有明顯的優勢，但抵抗壓縮、噪聲、濾波等攻擊方面，效果較差。

1 數字水印與HVS

HVS（Human Visual System）指人類的視覺系統。人們的視覺感官對周圍事物的察覺敏感性的差異，會隨著環境的不同，視覺敏感性差異很大。這種變化是與人類視覺自身的生理結構相關的。

大量的研究發現，HVS對于事物各種的顏色敏感性，也有差異。大自然中不同顏色，我們都可由紅、綠、藍3種顏色調配而成，稱之為“3基色原理”。我們目前在生活中所用到的數字影像幾乎都為彩色的，因而本文中選用的水印載體圖像均為彩色的，便于實驗結果更加符合實際運用。對于彩色影像來說，其任一個像素都可以由 R（紅）、G（綠）、B（藍）3 種顏色表示。根據HVS人類視覺系統針對各種色彩的敏感度不同，在數字圖像的不同位置，調整嵌入的水印信息，可極大提高嵌入水印的圖像質量。大量的相關實踐證明，彩色圖像顏色的權值比例系數分別為 R：G：B=2：1：4 時[1]，含數字水印的彩色圖像的效果較好。本文在載體圖像的顏色B（藍色）分量中，嵌入水印信息，調整各種顏色的權值，使加載數字水印后的圖像質量，有很好的不可感知性，不易被察覺。

2 基于分塊的空域水印

空域水印算法思想是指在數字水印載體的顏色灰度值中，隱藏加載數字水印信息。這種水印技術簡單，易操作實現，但抵御外部對水印攻擊能力差，易造成水印信息的丟失。為了提高水印信息的穩定性和強度，使其具有更強的抵御外部攻擊能力，本文提出了一種基于分塊思想的空間域水印算法。在數字水印載體圖像中，把載體數字信息進行分塊，按不同區域重復嵌入水印信息，加載后的水印信息分布兼顧數據的集中與分散特點。嵌入的數字水印越分散，其加載后不可見性就越好，抵抗缺損、變形的外部攻擊的能力更強；數字水印在載體信息中的重復率越高，其強度就會越高，抗外部攻擊能力整體就強[2-7]；嵌入水印信息的局部重復率越高，根據幾何里旋轉中質心不變的特性，加載后的水印信息局部穩定性強，因而在實際中抵御旋轉等攻擊的能力更加明顯。

圖1 水印的嵌入Fig.1 Watermarking imbedding

數字水印的提取算法如圖2所示。數字水印信息提取時，含水印的載體圖像經常會受到外部環境的影響，發生一些形變或遭受一定程度的攻擊破壞，使得水印載體圖像信息不全。我們在水印信息嵌入時，因為有多個重復數據，采用“多數原則”的思想，進行水印的提取，統計分析水印的像素點值；最后，匯集統計出來的水印信息數據，就可恢復出水印圖像信息。

圖2 水印的提取Fig.2 Watermarking extracting

3 水印的嵌入

本文水印算法，具體步驟為：

1）將彩色水印載體圖像（M×M），分解為紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）3個灰度圖像。根據HVS特性，分別設置顏色權值為紅色為0.12，綠色為0.03，藍色為0.12。

3）量化處理水印信息。水印像素點值除以設定的量化步長值，再取整。

4）水印信息的嵌入。

式（1）中 w′x，y含數字水印的像素點值， wx，y為水印像素點值， 為步長值，λ為數字水印量化后的像素點值。

5）在同一數據區域內，重復嵌入同一個數字水印信息。

6）遍歷每一個的數據塊，分別嵌入不同的水印像素值，最后得到含水印信息二維灰度圖像。

7）三色疊加，重構出嵌入水印的彩色圖像。

4 水印的提取

其操作過程為：

1）分解含水印圖像為紅、綠、藍 3個二維灰度圖像。

2）把藍色灰度圖像分解為不重復的數據區域，數據區域的大小為藍色灰度圖像的尺寸除以水印圖像大小，得到的數據取整數，再平方。

3）分別對某一數據區域的像素點值進行量化處理：像素點值除以量化步長值，對其取整數，得到數據?′。4）提取出所對應的水印信息像素點值。

式（2）中 w′x，y為提取出的水印信息值， ?′為量化后水印的值。

5）重復步驟4，得到同一數據區域內多個數字水印值，依據“少數服從多數原則”確定提取的單個水印信息。

6）遍歷每一個的數據區域，重復步驟3-5，最后得到還原后的數字水印信息圖像。

5 實驗結果

實驗平臺選用MATLAB 7.0進行仿真，水印載體選用的baboon.bmp（512×512）彩色 RGB 圖像，數字水印為二值圖像（64×64）；強度參數為4.43，嵌入水印后載體圖像的PSNR為32.638 9＞30，表明載體透明性較好，水印信息不易察覺。部分實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據Tab.1 Experimental data

6 結束語

文中的空域水印在剪切、旋轉、椒鹽噪聲的攻擊下，抗攻擊能力強；空域算法是基于塊分解的，有突出的抗擊旋轉能力；空域水印算法為盲水印算法，提取簡單，不需原圖像，速度快。

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