基于離散余弦變換的數字水印算法研究與實現

池越 周亞同

【摘要】討論了基于離散余弦變換的數字水印算法原理及其具體步驟，并通過仿真實驗實現了數字水印的嵌入和提取，驗證了算法的可行性。

【關鍵詞】數字水印小波變換離散余弦變換

一、前言

數字水印作為信息隱藏的一項重要技術，已廣泛應用于信息安全的多個領域之中。離散余弦變換（DCT）作為一種傳統的算法，是數字圖像處理和信號處理的一種正交變換，具有壓縮比高、誤碼率等優點，將其應用于數字水印算法實現水印的前如何提取十分有效。

二、基于離散余弦變換的數字水印算法

從數字水印的不可見性出發，基于DCT域數字水印算法應將水印信息嵌入到原始圖像的低頻部分，但這樣得到的水印圖像無法抵御如JPGE壓縮等有損壓縮的攻擊；如果從數字水印的魯棒性角度出發，應將水印嵌入到原始圖像的高頻部分，但這樣得到的水印圖像與原始圖像在視覺上會有明顯的差別[2]。這里提出的基于離散余弦變換的數字水印算法，主要是將水印嵌入到圖像DCT頻域的DC分量上，因為這是對人類視覺感受比較重要的部分。算法在保證數字水印魯棒性的前提下，考慮圖像的HVS特性和自身特點，使數字水印的強度自適應于原始圖像，進而保證了數字水印的不可見性。

基于DCT的數字水印算法是先將原始圖像分割成8x8的塊，依據HVS特性對塊進行分類后，再對所有的塊進行DCT變換。在DCT域中，根據各塊的分類結果，將不同強度的水印分量嵌入到相應塊的DCT系數當中。原始圖像的分塊示意圖如圖1所示，每個8x8塊的DCT系數都按照的順序進行排列。圖像左上角的第一個系數為直流系數用DC表示，接下來排列的是低頻系數，并且隨著排列序號的越大對應的頻率越高，圖像右下角對應的是最高頻率的系數。因此不難看出，DCT變換可以按照能量的大小將圖像的頻譜系數進行區分，這更有利于進行相應的頻譜操作[3]。

三、基于離散余弦變換的數字水印算法的實現步驟

采用的水印信息是一幅64×64的二值圖像，原始圖像是512×512的lena圖像。基于離散余弦變換的數字水印的嵌入算法具體步驟如下：Step1：讀入并顯示原始圖像和水印圖像；Step2：將原始圖像分割成8×8的塊，用坐標將需要隱藏的圖像表示出來，并對每一塊圖像進行DCT變換；Step3：嵌入水印圖像，如果水印圖像值為1，則取，如果水印圖像值為0，則取（其中為隨機矩陣）；Step4：將水印信息嵌入原始圖像的所有塊中，并對嵌入后的圖像進行IDCT變換；tep5；顯示嵌入水印后的圖像。

基于離散余弦變換的數字水印提取算法是水印嵌入算法的逆過程，具體步驟如下：Step1：讀出嵌入水印后的圖像。Step2：將讀入的圖像分成8×8的塊，并對每一塊圖像進行DCT變換；Step3：讀出嵌入水印圖像時和的信息，即嵌入的水印圖像信息；Step4：讀出并顯示提取出的水印圖像。

四、水印嵌入提取實驗結果

采用的原始圖像是256×256的lena圖像如圖2，水印信息是一幅32×32的二值圖像如圖3。

經DCT變換后生成嵌入水印圖像，圖4為嵌入水印后的圖像，根據人的視覺特性，可以觀察出水印嵌入之后對原始圖像在視覺上變化甚微。具有良好的透明性。水印的提取和嵌入是相反的過程。圖5為提取后的水印圖像與原水印圖像的比較。

五、結論

數字圖像水印技術的核心是將數字水印信息嵌入到圖像中，同時保證所加水印的不可見性。通過對基于DCT變換數字水印算法的研究實驗發現，算法嵌入后的水印圖像具有很好隱蔽性，并可以順利的提取水印，提取出的水印與原水印相似度很高。

參考文獻

[1]劉為超.基于小波的數字圖像認證水印研究：[學位論文]，西安：西安電子科技大學，2005

[2]孫圣和，陸哲明.數字水印處理技術.電子學報，2000（8）：85～90

[3] CT Hsu，JL Wu. Hidden Digital Watermarks in Images[J] .IEEE Transactions on Image Processing， 1999，8（1）：58～68