數(shù)字圖像水印系統(tǒng)算法研究與設計

姚楠 周子裔

摘要：在數(shù)字水印技術中，數(shù)字圖像水印技術是發(fā)展最成熟、應用最廣泛的分支。它指定了“圖像”這一嵌入對象，與廣義的數(shù)字水印技術相比，其使用的技術大多涉及信號處理和數(shù)字圖像處理兩大學科領域。基于Matlab設計數(shù)字圖像水印系統(tǒng)，利用離散余弦變換算法實現(xiàn)了數(shù)字圖像水印的嵌入、檢測和攻擊測試，取得了較好效果。

關鍵詞：數(shù)字水印；圖像處理；離散余弦變換；Matlab

DOIDOI：10.11907/rjdk.161096

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0196-03

0 引言

目前，數(shù)字水印技術已廣泛應用于圖像、視頻、音頻、文本等方面，且圖像數(shù)字水印發(fā)展最為成熟、應用范圍最廣。圖像是視頻的基礎組成部分，對圖像的水印研究成果可以直接用于視頻水印上，并且圖像信息量適中，有足夠的空間來嵌入一定信息量的水印，而不會導致圖像的總數(shù)據(jù)量太大，因而處理速度較快[1]。本文基于Matlab構(gòu)建數(shù)字水印系統(tǒng)，利用離散余弦變換算法實現(xiàn)了數(shù)字圖像水印的添加、提取及攻擊測試，以期為相關研究提供參考。

1 離散余弦變換域水印算法

離散余弦變換域數(shù)字水印算法是目前研究最多的一種數(shù)字水印技術。離散余弦變換域數(shù)字水印技術比簡單的空間域水印技術的健壯性更好[2]。這種算法對于簡單的圖像處理操作，如低通濾波、亮度調(diào)整、對比度調(diào)整和模糊等是魯棒的。離散余弦變換域水印可分為全局離散余弦變換域水印和塊離散余弦變換域水印。塊離散余弦變換域水印首先對圖像在空域中分割成塊，將每個分塊進行離散余弦變換后，將水印信息添加到低頻或直流分量中，再進行離散余弦反變換，并且拼回完整的圖片[3]。利用這種算法檢測水印時需要以原始圖片作參考，即明水印，該算法隱蔽性好，且由于JPEG和MPEG有損壓縮算法是基于離散余弦變換的中頻和高頻分量，因而對這兩種常見有損壓縮有很好的魯棒性，同時也具有良好的抗噪聲性能。因此，本文采取改進的塊離散余弦變換域水印算法。

2 塊離散余弦變換域水印算法

2.1 水印選取

水印類型多種多樣，可以總結(jié)成兩個分類：無意義水印和有意義水印。無意義水印指生成一段偽隨機數(shù)序列，水印嵌入者對偽隨機序列嵌入水印的同時，將該序列留存，檢測水印時，檢出的水印與該序列對比，可用于確定水印存在與否。如果水印遭到攻擊而破損，則檢測時可以通過統(tǒng)計策略來確定水印是否存在。有意義水印則指具有一定意義的、預先設計確定的一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是多種多樣的，可以是另一張圖像、一段以二進制編碼的文字、一組二進制序列號，如果水印的容量足夠大，還可以是音頻等信息[4]。

數(shù)字圖像按其特性，可以分為二值圖像、灰度圖像和彩色圖像3種。嵌入的水印往往是一個名字或者一個標識，一般都可以用二值圖像表示，并且嵌入灰度圖像和彩色圖像信息量很大，通常需要預處理。因此，本文選擇二值圖像作為水印。

水印的大小也是有限制的，如果水印的大小超過了源圖像的大小，則需要對水印進行預處理才可以被嵌入。水印的信息量也不能超過嵌入算法在源圖像中的容量上限。在不進行預處理的情況下，水印圖形與原始圖像大小的比值越小，水印嵌入的質(zhì)量就越好。

2.2 嵌入位置選擇

嵌入位置的選擇由兩方面構(gòu)成：一是空域中的位置選擇，即選擇將水印信息嵌入在哪些像素中，對于塊水印，還涉及塊大小的選擇；二是頻域中位置的選擇，即選定一個性能好、具有較好魯棒性、嵌入水印后對原圖影響較小的的頻率位置[5]。一般而言，對圖像進行分塊時，分塊是等寬高的。本文在設計水印時，使用了等寬高的水印，所以如果不作特殊處理，只能對寬高相等的源圖像進行處理。若要設計針對不同分辨率的圖像均可處理的程序，則需要對源圖截取一個等寬高的部分，然后對該部分進行水印嵌入操作。水印信息嵌入的頻域位置影響著圖像經(jīng)過基本壓縮的魯棒性，選擇適當?shù)那度胛恢脤D像質(zhì)量及水印信息至關重要。

圖像經(jīng)離散余弦變換的能量大多集中于低頻和直流部分，而高頻分量則明顯較少。在低頻或直流分量中添加水印信息，其較大的幅度使得其提取時的信噪比更高，更有利于水印提取。并且，有損圖像壓縮算法（如JPEG、MPEG）對該低頻信息的改動較少，加在低頻或直流區(qū)域的水印能夠有效地抵御有損壓縮攻擊。此外，人類視覺主要集中在低頻頻段，攻擊者在破壞水印的過程中，會引起圖像質(zhì)量嚴重下降，因此在該頻段中嵌入水印有利于阻止攻擊者對水印發(fā)起攻擊[6]。

2.3 水印嵌入算法設計

塊離散余弦變換域變換算法有很多變種，在實際設計時往往會根據(jù)實際使用情況加以修改，因此不盡相同。本系統(tǒng)采取的算法是：設原始圖像I為一個M×N像素大小的RGB彩色或者灰度圖像，J是P×P像素大小的二值灰度圖像水印。如果是RGB彩色圖像，則需提取其某個顏色的值。該算法具體描述為：

（1）首先確定分塊系數(shù)K，該系數(shù)通常是一個指定的值，但在通過Matlab實現(xiàn)數(shù)字水印的過程中，為了能夠體現(xiàn)通用性和對不同圖像的適應性，K應該由程序計算得出一個恰當?shù)闹担员隳軐⑺〖虞d在各種分辨率和寬高比的圖像中去[7]。本設計中令A為M和N的最小值，設定K=A[]P。

（2）對圖像I進行分塊，將原圖中A×A的區(qū)域，分割成（A/K）×（A/K） 個 K×K大小的塊Bm，n，0

（3）對每一個分塊進行二維離散余弦變換運算，得DBm，n。

（4）選定其中一個中低頻分量位置i，將水印信息添加至其中，添加過程可表達為：

DB'm，n（i）=DBm，n（i）×J（m，n）×scale

其中scale為縮放系數(shù)，該值一般取0.01～0.02。

（5）對DB'm，n做離散余弦反變換，得IDBm，n。

（6）將分塊的IDBm，n重新拼合成帶水印圖像的A×A部分，再將其余未參與水印嵌入部分的原圖復制整合，即完成圖片的水印嵌入。

如果原圖像是彩色圖像，則要將其它兩種顏色分量處理后進行合并。

在主界面上瀏覽輸入源圖像和水印圖像，設置分塊系數(shù)為5，點擊“嵌入水印”，結(jié)果如圖1所示。

2.4 水印提取算法設計

與嵌入算法對應，水印要通過檢測操作才能發(fā)揮其應有作用。提取算法和嵌入算法很相似，且其中很多參數(shù)必須和嵌入時保持高度一致，才能保證準確提取水印。

由于該水印設計之初就為明水印，因此進行水印檢測時必須有未加水印的源圖像參與。根據(jù)上述已設計出的嵌入算法，確定對M×N像素尺寸、分塊系數(shù)為K的帶水印圖像X進行提取，算法具體描述為：

（1）對帶水印的圖像X進行分塊，將原圖中A×A區(qū)域，即將原圖取其等寬高的區(qū)域，分割成（A/K）×（A/K） 個 K×K大小的塊XBm，n，0

（2）對XBm，n每一個分塊進行二維離散余弦變換運算，得DXBm，n。對IBm，n每一個分塊進行二維離散余弦變換運算，得DIBm，n。

（3）生成一個（A/K）×（A/K）大小的空白矩陣空間Y。

（4）依據(jù)嵌入水印時設計好的嵌入空間位置和頻域位置遍歷全圖，對源圖和帶水印圖像進行比較，若水印圖像在元素較大位置，則置水印該位置為1，否則置為0。

在主界面上瀏覽輸入待檢測圖像，點擊“檢測水印”，結(jié)果如圖2所示。

3 水印攻擊

水印經(jīng)常會遭到各種類型的攻擊，因此水印必須有能力對抗此類攻擊。攻擊抵抗能力是對水印系統(tǒng)性能評估的一個重要指標，即魯棒性。本文設計的攻擊實驗平臺如圖3所示。

3.1 JPEG壓縮

為方便圖像在互聯(lián)網(wǎng)進行傳播或者節(jié)約存儲空間，圖片往往會被壓縮。最常見的圖像壓縮算法是JPEG壓縮，該算法可以非常有效地縮小圖片數(shù)據(jù)量、節(jié)約存儲空間，但這是一種有損壓縮算法，將不可逆地損壞圖像的視覺效果，同時也對圖像中的水印造成影響。由圖4可知，本算法對JPEG壓縮攻擊的魯棒性較好，即使經(jīng)過質(zhì)量系數(shù)50的嚴重壓縮后，水印圖像仍然可以辨別。同時也可以看出，質(zhì)量系數(shù)越低的JPEG壓縮，對水印的影響越大。

3.2 噪聲攻擊

圖片在通信過程中，往往會因為通信過程而加入噪聲，因此水印往往要對這些噪聲具有魯棒性。實驗中一般采取添加高斯噪聲、椒鹽噪聲的方式，攻擊的檢測結(jié)果如圖5所示。噪聲攻擊后，水印雖然有圖像質(zhì)量上的損失，但是人眼仍然可以識別，即使加強噪聲的強度，使用統(tǒng)計方法也可以檢出水印。

4 結(jié)語

離散余弦變換域數(shù)字水印是目前應用最廣泛、研究最多的圖像水印方案，其計算簡單、算法清晰明了，通過結(jié)果測試可知離散余弦變換域水印各方面性能良好。同時，選擇在低頻部分嵌入水印，利用圖像的離散余弦變換的能量多集中于低頻部分的特點，保證了水印的信噪比，同時也能較好地在JPEG壓縮等主要針對高頻部分的有損壓縮攻擊中表現(xiàn)出較好的魯棒性。本系統(tǒng)設計的可視化應用平臺為開發(fā)者提供了良好的研究環(huán)境。

參考文獻：

[1]楊小平，尤曉東，肖林.多媒體技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]王穎，肖俊.數(shù)字水印原理與技術[M].北京：科學出版社，2007.

[3]VIDYASAGAR M POTDAR，SONG HAN，ELIZABETH CHANG.A survey of digital image watermarking techniques[D].Perth：Curtin University of Technology，2005.

[4]金聰.數(shù)字水印理論與技術[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]葛馨遠.基于Matlab 的DCT 域圖像水印的研究[J].信息技術，2005，29（4）：92-94.

[6]許憲東，季振洲.DCT水印中拉伸系數(shù)與嵌入位置的選擇[J].計算機應用與軟件，2006，23（9）：124-127.

[7]張德豐.Matlab數(shù)字圖像處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

（責任編輯：孫 娟）