試論數字圖像水印算法的研究與實現

金　燦

（湖南文理學院，湖南　常德　415000）

試論數字圖像水印算法的研究與實現

金燦

（湖南文理學院，湖南常德415000）

網絡時代的到來及數字多媒體技術的飛速發展與廣泛應用，極大地便利了人們的日常生活。與此同時，有關數字產品版權保護的呼聲也越來越高。作為一種現代化數據版權保護與認證技術，數字圖像水印技術成為當前學術領域的研究焦點，具有十分重要的現實意義和應用前景。文章結合數字水印技術的特點，探討了數字圖像水印的幾種重要算法，以供參考。

數字水印；版權保護；算法

隨著數字技術的發展，雖然帶給了人們無限的便利，但也導致安全隱患問題日趨突出。數字圖像的獲取、修改、傳輸過程愈來愈方便、簡單、容易，其真實性、完整性驗證、版權問題就愈來愈突出，極大地限制了信息化技術的持續、健康發展。為了保障數字圖像版權不受侵犯，有必要引入數字圖像水印技術，本文重點就該技術的幾種算法進行探討。

1　數字水印技術特點

數字水印系統具有如下特點：（1）隱蔽性。也就是透明性，要求嵌入水印之后，載體具有足夠的感知度。要求嵌入數字水印后，數字產品不會出現顯著的降質，且不會被察覺。（2）魯棒性。魯棒性指的是對數字水印系統的常規處理能力加以評估，經過多重信號處理后，數字水印依然能夠確保其完整性，仍能受到科學的鑒別。（3）容量。容量指的是系統所能承載的最大的有效數據量。對于水印系統而言，要求所嵌入信息應足以表達特定信息，并能夠對版權問題加以解決，確保用戶權益。（4）安全性。指的是系統能夠抵抗蓄意攻擊的能力，要求其嵌入算法具有較強的抵御攻擊水平，水印檢測及提取方法對于未授權者絕對保密，難以輕易加以破解。（5）自恢復性。系統經過處理、變換之后，會引發原圖的破壞，自恢復性指的是通過所留片段數據，可以將水印信息恢復，恢復時不需要最初圖像。在所有特點中，隱蔽性、魯棒性、容量三大特征最為關鍵，其相互矛盾、彼此制約，在應用過程中很難實現兼顧，其實，對于所有數字水印方案而言，只能結合實際情況，從三者中尋求一個平衡點。

2　數字圖像水印的幾種主要算法

2.1空域算法

該算法是最早提出的一種水印算法，以最低有效位算法為例進行說明，其指的是采用水印信息代替傳統的圖像所進行的一種算法。該圖像很容易實現，主要利用模運算對水印嵌入的位置進行計算，并利用比特位對信息加以隱藏。其主要通過原始圖像像素選擇，將被選像素及鄰域像素的大小關系進行調整，并將其嵌入水印。還可以采用量化策略，實現水印圖像的嵌入，雖然此種算法簡單，所隱藏的信息量大，但任何濾波器都能夠改變值，因而魯棒性差，不適用于最低有效位（Least Significant Bit，LSB）算法系統。

2.2變換域算法

鑒于空域法較差的魯棒性，變換域算法應運而生。其通過將水印信息嵌入圖像某個變換域中，再利用反變換，實現水印能量的分散，極大地隱藏了水印圖像，提高了其水印嵌入強度，同時，確保了其不可見性。以離散余弦變換為例，進行分析。該技術應用十分廣泛，為了理解此種方法的優越性，需要對其進行定義。

對于離散余弦反變換而言，進行如下定義：

當圖像像素矩陣變換后，所得頻域矩陣左上角具有最大的元素值，屬于直流分量，表示的是圖像的整體亮度平均值。剩余元素值逐步降低，中、低頻代表的是圖像平滑區域，高頻為圖像邊緣、復雜區域。如此可以利用雙離合變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）將其各特征區域進行區別，并根據要求選取相應區域嵌入水印。

2.3盲水印法

應用過程中，很多情況下用戶希望自主進行水印檢測，但原始數據難以獲得，此時需要利用盲水印算法進行解決。下文通過實例，提出了一種通過圖像變換域上運用業務支撐系統（Business Support System，BSS），實現水印圖像的盲檢測的一種算法。該算法所選擇的是二值圖像作為水印，由于其具有良好的魯棒性，能夠有效嵌入圖像中，并達到不可見等要求，因而近些年來應用十分成熟。

（1）水印的生成。在該算法中，水印分別被嵌入經小波分解的原始圖像水平、垂直細節分量中，確保了其尺寸小于原圖像的1/2。在算法中，選取二值圖像作為其水印圖，并將其轉換為像素值為0，1的圖像，經自上而下、自左向右的掃描，轉換為0-1序列w。具體而言，原始圖像屬于N×M灰度圖像I，水印S屬于N×M二進制樣本，且“0”和“1”的量一致。也就是：S=｛sIJ｝，i=｛0，1，…，N-l｝，j=｛0，1，…，M-1｝，sIJ=｛0，l｝。根據原始圖像將其劃分為大小均等的子集A、B。其中，A=｛vIJ|sIJ =1｝，B=｛vIJ|sIJ =0｝。

（2）水印嵌入。仍采用變換域法思想，以離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）方法為基礎，在原始圖像小波域上將水印成功嵌入，再利用IDWT取得水印圖像。在嵌入操作時，先生成了集合C=｛vIJ⊕k|vIJ∈A｝，再將集合B，C加以合并，得到了水印化圖像I=C∪B。由于k值足夠小，因而可以確保視覺的不可見性。任取其中一行向量作為水印向量，另一個作為密鑰向量。最終獲取水印、密鑰向量作為新分量，結合偽隨機序列將其置于原小波分量中，并對其進行重構，分別獲取水印、密鑰圖像。

（3）水印提取。在嵌入中，采用的是線性疊加方式，將其嵌入圖像中，也形成了相應的線性瞬時混合模型，為獲取嵌入水印，通過盲源分離進行水印提取。本文采用的是自然梯度算法，將水印、密鑰圖像分別進行小波分解，獲取低、高頻子帶。在高頻子帶中，選擇水平、垂直兩大分量作為待選區間。并輸入密碼獲得偽隨機序列，利用該序列獲取待選區間中的分量系數，這樣，水印、密鑰分量系數共同構成觀察信號。經反饋網絡學習規則訓練獲取分離矩陣W，其中一個是水印向量，將兩大行向量均從一維序列轉換為二維圖像，經過兩幅圖像內容的判斷，獲取水印圖像，通過水印后處理，得到較好的圖像質量。

（4）魯棒性實驗。本文選取256×256灰度圖作為原始圖，水印化圖像為64×64二值圖。原始圖像通過小波分解，獲取水印圖像，嵌入強度為0.05。圖1為多次運算中每一次提取出的水印圖像。

圖1　水印嵌入效果

根據圖1（a）和圖1（b），原始圖和水印化圖幾乎無差別，已經達到了不可見性等的要求。實驗顯示，水印提取時每次運算所得圖像的質量并不一致。甚至得到與原始水印圖反色的圖像，需要將所求得像素值取絕對值恢復為同原始水印相同的黑底、白字。圖像質量存在降低現象，由于水印圖像的二值性，可將其反色問題忽略。通過進行魯棒性測試，對水印化圖像進行處理，考察借助于算法嵌入的魯棒性強弱，經加噪、剪切、灰度調整、JPEG壓縮和縮放等一系列處理，得到最終的水印圖像。結果顯示，該算法具有較好的魯棒性，且能夠嵌入較大信息量，滿足了盲水印方案的具體要求。

3　結語

在數字圖像水印算法中，空域法是一種最早的算法，具有簡單、隱藏量大等優勢。但是，在圖像壓縮、處理中魯棒性能較差，更多的用于無過多處理的圖像中。變換域法具有良好的魯棒性，但是變換、反變換所需計算時間長，操作不易。對于穩健性攻擊而言，往往需要利用嵌入模板水印傅里葉變換（Discrete-Fourier Transform，DFT）信息對其進行抗旋轉操作，而可以抵抗此類操作的水印算法仍是當前該領域的難點，也是研究的熱點。

［1］易開祥，王鐵，石教英.基于DCT域的自適應二維數字水印系統［J］.計算機應用，2010（8）：112-115.

［2］茅耀斌，卓成春，王執銼，等.一種基于人眼視覺特性的圖像水印方案［J］.廈門大學學報（自然科學版），2011（8）：232-234.

Research and implementation of digital image watermark algorithm

Jin Can
（Hunan University of Arts and Science， Changde 415000， China）

The arrival of the network era along with the rapid development and wide application of digital multimedia technology have greatly facilitated people’s daily life. At the same time， the voice of the digital products copyright protection is also getting higher and higher. As a modern data technology of copyright protection and authentication， digital image watermark technology has become the focus of research in the current academic field， with a very important practical significance and large application prospects. Based on the characteristics of digital watermark technology， this paper discusses several important algorithms of digital image watermark for reference.

digital watermarking； copyright protection； algorithm

湖南文理學院青年啟動項目；項目名稱：圖像數字水印算法和數字水印協議研究；項目編號：QNQD1204。湖南省教育廳科研基金項目；項目名稱：基于DWT和SVD的魯棒數字水印技術研究；項目編號：14C0793。

金燦（1984— ），男，湖北通城；研究方向：計算機網絡，圖像處理。