基于QIM的數字圖像水印算法研究

劉玲君

摘 要：隨著計算機網絡的廣泛應用，確保數字產品的版權及安全性已成為日益突出的問題。其中數字水印作為一種有效的手段得到了廣泛的注意。其中，量化索引調制算法（QIM）是一種經典的水印算法，它根據水印信息，把原始載體數據用量化器量化到不同的索引區間，能在獲取較高的魯棒性同時，具有較小嵌入失真。本文用Matlab軟件模擬實現了QIM水印的嵌入的和提取，實驗結果表明QIM算法能有效抵抗濾波、噪聲、剪切等常見攻擊。

關鍵詞：數字水印；QIM；Matlab

1 引言

隨著通信技術、計算機技術的飛速發展以及計算機網絡的廣泛應用，數字產品如圖像、視頻、音頻等的版權日益引起人們的關注，其中數字水印作為一種有效的手段得到了廣泛的注意。它利用數據隱藏技術將特定的信息隱藏在數字產品中達到標示和保護著作權的作用[1-2]。

量化索引調制算法（QIM）是麻省理工大學的Chen和Wornell提出的一種經典的水印算法，能在獲取較高的魯棒性同時，具有較小嵌入失真[3]。QIM算法的水印系統不僅容量大而且計算簡單，因此，引起了廣大研究者的重視。

2 QIM（Quantization Index Modulation）算法

QIM算法的主要思想是：根據水印信息，把原始載體數據用量化器量化到不同的索引區間，水印檢測時則根據調制后的數據所屬的量化索引區間來識別水印信息。QIM算法的嵌入函數為： S（X，W）=QW（X） （1）

式中X和W分別是宿主信號和水印信息，QW（·）為水印量化器，S是量化器的輸出值。

圖1給出了量化器為均勻量化步長時的抖動調制示意圖。圖中量化器Q（ ；W） 用于嵌入水印信息w∈﹛0，1﹜。符號◇和○標記的值分別屬于量化器Q（ ；0）和Q（ ；1）。調制方法為：若W=0，則用Q（ ；0）將宿主信號X量化為最相近的◇值；若W=1，則用Q（ ；1）將X量化為最相近的○值。

在接收端，水印信息可以從有噪的相應水印信號S'中提取，如果S'是Q（ ；0）的輸出值，那么嵌入的水印比特被譯碼為‘0；若S'是Q（ ；1）的輸出值，則提取的比特為‘1。

3 實驗與分析

為了檢驗QIM算法的性能，本節將給出算法的實驗結果。實驗中所使用的載體圖像是512×512大小的Lena的8bit標準灰度圖像，采用64×64大小的有“惠經”字樣的二值水印圖像。數字水印的嵌入有兩個基本要求，一個是不可見性，另一個是魯棒性。實驗中我們使用峰值信噪比PSNR值和歸一化相關來系數NC值分別作為不可見性和魯棒性的評價標準。

算法不可見性：

如圖2所示，算法嵌入水印的不可見性好，PSNR=42.0341。

算法魯棒性

在實驗中，我們對含水印圖像分別進行添加椒鹽噪聲、中值濾波和剪切攻擊三種常見的攻擊后提取水印信息。由圖3可見，含水印圖像受到常見攻擊后算法能正確地檢測出水印。

4 結論

綜上所述：QIM算法在透明性好的前提下可以在椒鹽噪聲、中值濾波和剪切攻擊下能正確提取水印信息，即QIM水印算法能在獲取較小嵌入失真同時，具有較高的魯棒性。

[參考文獻]

[1]葛秀慧，田浩，郭立甫，等.信息隱藏原理及應用[M].北京：清華大學出版社.2008.

[2]張悅，舒華忠，伍家松，等.一種基于新的正交復數變換的魯棒水印算法[J].電子學報.2013（41）：1574-1579.

[3]B.Chen，G.W.Womell.Quantization Index Modulation：A Class of Provably Good Methods for Digital Watermarking and Information Embedding[J].IEEE Trans. on Information Theory， 2001（47）：1423-1443.