基于Turbo碼的DCT域直流分量圖像水印算法

韓哲鑫

摘 要 該文提出了一種基于Turbo碼的DCT變換域直流分量圖像水印算法。首先對原始水印信息進(jìn)行偽隨機(jī)置亂，接著對置亂的水印進(jìn)行Turbo編碼并進(jìn)行BPSK調(diào)制，生成待嵌入的水印信息。在充分考慮人眼視覺特性的基礎(chǔ)上，分別采用兩種方式將水印嵌入到DCT變換系數(shù)的DC分量中，并進(jìn)行性能比較。文中對算法在多種常見的攻擊如JPEG壓縮、噪聲、剪切、濾波下進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該算法實(shí)現(xiàn)的水印具有良好的不可見性和魯棒性。特別是非自適應(yīng)加性嵌入方式對JPEG壓縮攻擊具有很強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞 Turbo碼 DC分量 偽隨機(jī) DCT變換

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

數(shù)字水印要解決的兩個(gè)主要問題就是水印的不可感知和魯棒性。考慮到圖像水印系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的模式很相似，人們將糾錯(cuò)編碼用于數(shù)字水印中來提高性能，取得了很好的效果。本文將具有接近Shannon理論誤碼極限的糾錯(cuò)性能的Turbo編碼應(yīng)用到水印生成來提高其性能。本文提出了一種基于DC分量和Turbo碼相結(jié)合的信息隱藏方案，仿真結(jié)果表明該水印算法對JPEG壓縮、剪切、濾波等攻擊具有良好的魯棒性和不可感知性。

1水印生成、嵌入和提取

1.1水印生成

水印在密鑰Key1的控制下利用偽隨機(jī)序列先進(jìn)行偽隨機(jī)置亂，再在密鑰Key2的控制下進(jìn)行Turbo編碼，得到經(jīng)過BPSK調(diào)制的二值序列w，w∈{-1，1}，w即為待嵌入的水印信息。假設(shè)原始水印轉(zhuǎn)化為一維序列后的長度為N，Turbo碼編碼的速率為R，則經(jīng)Turbo編碼后的水印的長度為K=N/R。

1.2水印嵌入

大多的DCT域算法都考慮將水印信息隱藏在DCT域的交流分量中，很少考慮將水印嵌入在直流分量中，然而，直流分量是圖像能量最集中的部分，而且在信號(hào)處理的過程中，DC分量比AC分量改變的少，因此從穩(wěn)健性的角度，在保證水印不可見性的前提下，DC分量比AC分量更適合于嵌入水印。故本文選擇在DC分量中嵌入水印。

1.3水印提取及評價(jià)

提取算法需要原始圖像、生成偽隨機(jī)序列的密鑰Key1和Turbo編碼中偽隨機(jī)交織器所用的Key2。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 JPEG壓縮攻擊

JPEG壓縮為有損壓縮，品質(zhì)因數(shù)0-100，品質(zhì)因數(shù)越大，壓縮比越小，圖像質(zhì)量越好。圖1給出了不同品質(zhì)因數(shù)下兩種方式提取的水印信息的相應(yīng)位錯(cuò)誤率（BER）和相似度（NC）。從圖中可知方式1、方式2分別在品質(zhì)因數(shù)為20、50以上時(shí)基本可以正確的提取出水印信息，相似度都為1。可見本算法兩種方式對JPEG攻擊有很好的魯棒性，尤其是方式1抗JPEG壓縮能力更好。

2.2剪切攻擊

對圖像進(jìn)行剪切也是常用的一種攻擊手段。把含水印的圖像剪切掉一部分，再從中提取出水印。圖2給出了不同剪切比例下兩種方式提取的水印信息的相應(yīng)位錯(cuò)誤率和相似度。從圖中可以看出兩種方式都有很好的抗剪切性，在相同的剪切比例下，方式1優(yōu)于方式2。

2.3 濾波攻擊

對嵌入水印的圖像Lena分別進(jìn)行不同窗口大小的均值濾波和高斯低通濾波，圖3給出了濾波后的水印解碼的位錯(cuò)誤率、相似度和濾波器窗寬的關(guān)系。由結(jié)果可知兩種方式的在濾波攻擊下有分別有相似的性能。而對比兩種方式可以發(fā)現(xiàn)，方式1在兩種濾波攻擊下的魯棒性都要好于方式2。可見本算法對濾波攻擊具有很好的魯棒性，同時(shí)方式1的性能更為突出。

3小結(jié)

綜上所述，本文將偽隨機(jī)序列和Turbo碼編碼技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字水印中在DC分量中來隱藏水印信息，取得了良好的效果。該算法在滿足不可見性的同時(shí)，具有很好的魯棒性。

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