基于BEMD的數(shù)字圖像水印算法

王巖 王曉光 張立旻

摘 ?要：數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏在多媒體領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它的主要思想是將信息的秘密嵌入進(jìn)圖像視頻等數(shù)字信息產(chǎn)品中，使信息版權(quán)得到有效地保護(hù)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是一種全新的多尺度分析方法，在非線性非平穩(wěn)信號(hào)分析方面有良好的性能。文章實(shí)現(xiàn)了將二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法應(yīng)用于數(shù)字水印的嵌入與提取，對(duì)水印圖像添加高斯白噪聲和JPEG壓縮圖像進(jìn)行攻擊并進(jìn)行水印再提取，驗(yàn)證了算法具有一定的不可見(jiàn)性和較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水印;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;固有模態(tài)分量

中圖分類號(hào)：TP309.7 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0142-02

Abstract： Digital watermarking technology as information hiding has been widely used in the field of multimedia. Its main idea is to embed the secret of information into digital information products such as image and video， so that the information copyright can be effectively protected. Empirical mode decomposition is a new multi-scale analysis method， which has good performance in nonlinear non-stationary signal analysis. In this paper， the two-dimensional empirical mode decomposition method is applied to the embedding and extraction of digital watermark. White Gaussian Noise and compressed JPEG image are attacked and the watermark image are re-extracted， which proves that the algorithm has certain invisibility and strong robustness.

Keywords： digital watermarking; empirical mode decomposition; intrinsic mode function

引言

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，文本語(yǔ)音圖像和視頻等信息可以很方便地被傳播和復(fù)制，對(duì)于信息的安全和版權(quán)保護(hù)越來(lái)越被重視，為了解決這些問(wèn)題，提出了信息隱藏的思想，數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏在多媒體領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它的主要思想是將信息的秘密嵌入進(jìn)圖像視頻等數(shù)字信息產(chǎn)品中，使信息版權(quán)得到有效地保護(hù)。它一方面保證了信息的完整性，版權(quán)者可以通過(guò)水印分析信息動(dòng)態(tài);另一方面可以證明版權(quán)者對(duì)信息的所有權(quán)。因此數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)成為保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和數(shù)字信息防偽的有效有段。但目前，數(shù)字水印技術(shù)存在一些問(wèn)題，限制了水印技術(shù)的發(fā)展，例如水印受到攻擊時(shí)，已經(jīng)水印的魯棒性問(wèn)題，都有待進(jìn)一步加強(qiáng)[1-3]。

本文從經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解入手，將該方法與水印嵌入的方法相結(jié)合，形成隱含水印圖像，并通過(guò)不同的攻擊手段，驗(yàn)證算法的有效性，證實(shí)算法具有較好的魯棒性。

1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）

實(shí)際生活中得到的大部分信號(hào)都是多頻分量信號(hào)，多頻分量信號(hào)性質(zhì)不宜分解，但單頻信號(hào)因?yàn)槊恳粫r(shí)刻僅有一個(gè)頻率分量，性質(zhì)易于分析，因此，可以從多分量信號(hào)中提取出代表原信號(hào)特征的單分量信號(hào)，通過(guò)對(duì)單頻分量來(lái)解釋原始信號(hào)的特性。1988年Huang根據(jù)單頻分量信號(hào)本身的特征提出一種提取單頻分量的方法——經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EMD），它能從時(shí)變信號(hào)中分解出保持信號(hào)自身性質(zhì)不變的單頻信號(hào)分量。EMD是一種全新的針對(duì)非線性非平穩(wěn)信號(hào)處理的算法，它把一個(gè)信號(hào)分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），再將這些IMF進(jìn)行希爾伯特變換，從而得到具有真正意義的瞬時(shí)頻率[4]。

2 數(shù)字水印技術(shù)

將具有標(biāo)識(shí)的信息作為水印信息而嵌入到載體信息中，保持水印信息在載體信息中具有足夠的安全性，這就是數(shù)字水印的基本原理。從圖像的角度來(lái)講，嵌入水印可以被看作在強(qiáng)信號(hào)下迭加一個(gè)弱信號(hào)，因?yàn)槿说囊曈X(jué)分辨具有一定的局限性，只要迭加的信號(hào)取合適的幅度就能做到讓人的視覺(jué)無(wú)法感知到水印信號(hào)的存在。因此可以對(duì)原始圖像進(jìn)行調(diào)整，在不改變視覺(jué)效果的同時(shí)嵌入一些特定的水印信息。即數(shù)字水印技術(shù)就是特定的信息嵌入到被保護(hù)的載體信息中同時(shí)保護(hù)信息被再提取或檢測(cè)的過(guò)程。因此數(shù)字水印技術(shù)分為了兩個(gè)基本部分，即水印嵌入和水印提取。

實(shí)現(xiàn)水印系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試主要在兩個(gè)方面進(jìn)行，一是不可見(jiàn)性，是通過(guò)人類肉眼條件下將原始圖像和嵌入水印后圖像進(jìn)行比較，分辨嵌入水印是否能被察覺(jué)到;另一方面是魯棒性，是對(duì)嵌入水印后的圖像進(jìn)行相關(guān)的攻擊，攻擊后提取水印[5]。

3 數(shù)字水印的嵌入與提取

3.1水印嵌入的步驟：

（1）對(duì)水印圖像W進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，分解成N個(gè)固有模態(tài)函數(shù)用IMFW1、IMFW2、到IMFWN來(lái)表示。

（2）將原始圖像I進(jìn)行分塊，分成K個(gè)子塊，對(duì)K個(gè)子塊分別作經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，每個(gè)子塊得到N個(gè)固有模態(tài)函數(shù)，用IMFIKN表示。

（3）用水印圖像分解的固有模態(tài)函數(shù)IMFWN代替上圖所示相應(yīng)位置的子圖像固有模態(tài)函數(shù)。

（4）合成子模塊的固有模態(tài)函數(shù)。

（5）把各子模塊的固有模態(tài)函數(shù)合成含有水印的圖像IW。

3.2 水印提取的步驟

水印提取是水印嵌入的反變換，把含有水印的圖像IW進(jìn)行分塊，對(duì)各子塊分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，提取相應(yīng)位置的固有模態(tài)函數(shù)，從新組成水印圖像的固有模態(tài)函數(shù)，合成水印圖像。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

本文選取JPG格式的512×512點(diǎn)的經(jīng)典“l(fā)ena”灰度圖像作為數(shù)字水印的原始載體圖像，專門(mén)制作的64×64的BMP格式的二值圖像作為水印圖像。

4.1 水印的嵌入實(shí)驗(yàn)

圖1為水印嵌入圖像，分別為水印圖像、載體圖像和嵌入水印后圖像。

4.2 水印的提取實(shí)驗(yàn)

圖2為嵌入水印的載體圖像和提取出的水印圖像，可以看出，人的視覺(jué)是無(wú)法察覺(jué)的。

4.3 魯棒性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

（1）高斯白噪聲攻擊測(cè)試

將方差0.0005高斯白噪聲添加到圖像中，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以得出圖像在經(jīng)過(guò)高斯白噪聲的攻擊后是否具有較好的魯棒性。

（2）JPEG壓縮攻擊測(cè)試

JPEG標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為靜止圖像所建立的第一個(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，為了就是讓水印的嵌入和檢測(cè)都能夠在數(shù)據(jù)的壓縮域中直接進(jìn)行。經(jīng)過(guò)不同碼率JPER壓縮攻擊后提取出水印圖像對(duì)比。說(shuō)明該算法對(duì)JPEG壓縮攻擊抵抗性在碼率越高的時(shí)候越好。

表1是圖像的互相關(guān)系數(shù)表，將原始水印圖像與受攻擊后提取出的水印進(jìn)行對(duì)比，NC值最高為1，在NC值小于0.9000時(shí)，水印不可見(jiàn)性越來(lái)越大，也就是說(shuō)通過(guò)肉眼讓人難以接受。

5 結(jié)論

本文分析了二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解原理，并應(yīng)用于圖像的水印處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像進(jìn)行水印的嵌入與提取，通過(guò)添加噪聲和壓縮圖像對(duì)含水印圖像進(jìn)行攻擊測(cè)試，并計(jì)算水印圖像的互相關(guān)系數(shù)，驗(yàn)證了算法的有效性，說(shuō)明了算法具有較好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭夏旭.抗打印掃描攻擊圖像水印算法研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

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[4]趙犁豐，王振芬，張曉亮.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾南柌刈儞Q包絡(luò)提取在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（6）：965-970.

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