基于視覺(jué)掩蔽特性的小波域彩色數(shù)字水印技術(shù)

1、第16卷第9期2004年9月計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFCOMPUTER2AIDEDDESIGN&COMPUTERGRAPHICSVol116,No19Sep1,2004基于視覺(jué)掩蔽特性的小波域彩色數(shù)字水印技術(shù)王向陽(yáng)楊紅穎(遼寧師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院大連116029)(中國(guó)科學(xué)院軟件研究所信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100039)摘要應(yīng)用靜態(tài)圖像壓縮編碼技術(shù),實(shí)現(xiàn)了以彩色圖像作為水印信號(hào)的數(shù)字水印算法;性,實(shí)現(xiàn)了水印嵌入位置的自適應(yīng)確定,;采用整型提升小波變換,1文中的小波域彩色數(shù)字水印技術(shù)不僅具有較好的透明性,、圖像增強(qiáng)、馬賽克效果等攻擊均具有較好的魯棒性1關(guān)鍵詞

2、;量化ColorDigitalWatermarkingBasedonIntegerLiftingWaveletTransformandVi2sualMaskingWangXiangyangYangHongying(SchoolofComputerandInformationTechnology,LiaoningNormalUniversity,Dalian116029)(StateKeyLaboratoryofInformationSecurity,InstituteofSoftwareChineseAcademyofSciences,Beijing100039)AbstractWaterma

3、rkisconstructedbyutilizingstillimagecompressiontechnique,performingtheintegerliftingwavelettransform,andquantizingtheperceptuallysignificantwaveletcoefficients1Theproposedalgorithmallowstoextractwatermarkwithoutthehelpoforiginalimage1Experimentalresultsshowthatthepresentedschemeisinvisibleandrobusta

4、gainstvarioussignalprocessingsuchascrop2ping,compression,filtering,noiseadding,imageenhancement,andmosaic1Keywordscolordigitalwatermark;integerliftingwavelettransform;visualmasking;quantization1引言作為數(shù)字媒體作品知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的一種有效手段,數(shù)字水印得到了廣泛關(guān)注,并已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)11近年來(lái),圖像數(shù)字水印技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展,陸續(xù)提出了諸如空域、變換域、壓縮域、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)、基于生理模

5、型等多種數(shù)字水印算法21其中,基于小波變換的圖像數(shù)字水印技術(shù)因其具有良好的多分辨率表示、時(shí)頻局部分析等特性,以及易于兼容JPEG2000,MPEG4壓縮標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn),引起了人們的高度重視3251然而,理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)有小波域圖像數(shù)字水印算法均不同程度地存在如下不足:(1)多采用快速小波變換(即Mallat算法),不僅計(jì)算繁雜、所需內(nèi)存空間較大,而且存在較為嚴(yán)重的舍入誤差(因?yàn)楦↑c(diǎn)運(yùn)算);(2)提取水印信息時(shí)直接或間接需要原始載體圖像;(3)被嵌入的水印信息一般是偽隨機(jī)序列或二原稿收到日期:2003206212;修改稿收到日期:20032092051本課題得到遼寧省自然科學(xué)基金(2003

6、2100)和信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(03202)資助1王向陽(yáng),男,1965年生,碩士,教授,主要研究方向?yàn)樾畔㈦[藏與數(shù)字水印、多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、算法設(shè)計(jì)與分析1楊紅穎,女,1965年生,副教授,主要研究方向?yàn)槎嗝襟w技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)19期王向陽(yáng)等:基于視覺(jué)掩蔽特性的小波域彩色數(shù)字水印技術(shù)1241值標(biāo)志圖像,數(shù)字水印容量太小;(4)未能充分結(jié)合人眼視覺(jué)掩蔽特性確定嵌入位置,數(shù)字水印的透明性與魯棒性有待進(jìn)一步提高;(5)部分算法所采納的量化策略(即水印嵌入規(guī)則)不完善,影響了數(shù)字水印的魯棒性1本文提出一種基于視覺(jué)掩蔽特性的小波域彩色數(shù)字水印算法,該算法以包含豐富信息的24位真彩色圖像作

7、為數(shù)字水印,以灰度圖像作為原始載體1首先,利用DCT靜態(tài)圖像壓縮技術(shù),將彩色水印圖像編碼成一維二進(jìn)制序列并進(jìn)行隨機(jī)置亂;再對(duì)原始載體圖像實(shí)施整型提升小波變換,并結(jié)合人眼視覺(jué)掩蔽特性自適應(yīng)確定水印嵌入位置;最后,通過(guò)全新的量化處理過(guò)程完成水印信息的嵌入11到3Nw的隨機(jī)排列,然后根據(jù)隨機(jī)排列重新調(diào)整V中向量元素的位置,以得到由V轉(zhuǎn)換而來(lái)的新一維二進(jìn)制序列X=xk,0k<3Nw,xk0,113數(shù)字水印的嵌入設(shè)原始載體為256級(jí)灰度圖像I=g(i,j),0i<M,0j<N1其中,g(i,j)代表原始載體圖像的第i行、第j,則彩色水印圖像W(1311實(shí)施4級(jí)整型提升小波變,1312水

8、印嵌入位置的自適應(yīng)確定2W=w(i,j),0i<P,0j<Q1其中,w(i,j)代表彩色水印圖像的第i行、第j列像素的顏色值1為了便于彩色水印圖像的嵌入,本文首先采用DCT靜態(tài)圖像壓縮技術(shù),將彩色水印圖像W編碼成一維的二進(jìn)制序列V1步驟如下:Step11將彩色水印圖像W分解為R,G,B三個(gè)彩色為了提高彩色水印圖像的透明性與魯棒性,本文充分結(jié)合人眼的視覺(jué)掩蔽特性8,給出了數(shù)字水印嵌入位置的自適應(yīng)確定方法(即小波系數(shù)選取方法)1步驟如下:Step11計(jì)算小波系數(shù)C(l,x,y)的視覺(jué)掩蔽特性值T(l,x,y)1其中,l1,2,3,4表示小波分解層次,LL,LH,HL,HH表示高頻子帶的

9、方向;x,y表示小波系數(shù)位置1Step21選擇視覺(jué)重要系數(shù)用于水印嵌入1以視覺(jué)掩蔽分量1Step21將彩色分量R劃分成8×8的子塊1Step31對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換,并量化所得到的DCT系數(shù)1量化矩陣根據(jù)如下規(guī)則設(shè)計(jì):特性值T(l,x,y)為關(guān)鍵字,對(duì)所有子帶內(nèi)的小波系數(shù)進(jìn)行排序(降序),選擇前3Nw個(gè)小波系數(shù)Ck(k=0,1,3Nw-1)作為數(shù)字水印嵌入位置1a1系數(shù)選擇1按照J(rèn)PEG標(biāo)準(zhǔn)所采納的Zig2Zag順序,僅選取保留前10個(gè)DCT系數(shù)(即1個(gè)DC分量和9個(gè)低頻AC分量),其余舍棄;313數(shù)字水印的嵌入本文采用量化小波系數(shù)的方法來(lái)嵌入水印比特,該方法雖然與文獻(xiàn)9210中

10、的方法有類似之處,但在量化方案上有較大差別1設(shè)Ck表示待量化小波系數(shù),Ck表示量化處理后的小波系數(shù),xk為待嵌入水印比特,l表示量化間隔(其中l(wèi)=數(shù)字水印過(guò)程(步驟)如下:Step11定義量化規(guī)則1本文將量化函數(shù)定義為用量化b1量化1在保留下來(lái)的系數(shù)中,只有DC分量和前4個(gè)低頻AC分量量化成8位,其余5個(gè)AC分量量化成4位1于是,可得到壓縮編碼后的一維二進(jìn)制序列VR=Rvk,R0k<Nw,vk0,1,Nw=116其中,Nw=×(1+4)×8+5×4)=18×816Step41對(duì)于彩色分量G,B實(shí)施與Step2和Step3的相l(xiāng),為正2整數(shù),l表示小

11、波分解層次),則量化修改系數(shù)嵌入同操作,即可得到彩色水印圖像W的壓縮編碼后一維二進(jìn)制序列V=vk,0k<3Nw,vk0,11間隔l對(duì)待量化小波系數(shù)Ck進(jìn)行二次取模求余運(yùn)算,即Q(Ck)=Ckmod(l)mod(2)1如果Ckmod(l)為奇數(shù),另外,為了進(jìn)一步消除彩色水印圖像的像素空間相關(guān)性,提高數(shù)字水印算法的魯棒性,確保含水印圖像某一部分受到破壞后仍能全部或部分地恢復(fù)水印,宜對(duì)上面得到的一維二進(jìn)制序列V進(jìn)行置亂變換1本文采用了文獻(xiàn)6中的方法,由密鑰K生成由則Q(Ck)取1,即Ck歸于1類;否則Q(Ck)取0,即Ck歸于0類1Step21量化系數(shù)嵌入水印信息1對(duì)所選視覺(jué)重要小波系數(shù)Ck進(jìn)

12、行適當(dāng)修改,并賦予二值信息1如果Q(Ck)不等于xk,則1242Ck-l,如果CklCk+l,如果l>Ck0Ck=計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)2004年Step11對(duì)待檢測(cè)灰度圖像I3實(shí)施4級(jí)整型提升小波變換1Step21與第312節(jié)相同的操作,自適應(yīng)選擇視覺(jué)重要的(k=0,1,3Nw-1)1小波系數(shù)Ck33)(0k<3Nw)提取水印Step31利用規(guī)則xk=Q(Ck;Ck-l,如果0>Ck>-lCk+l,如果Ck-l否則,不對(duì)Ck做任何處理1這里的量化嵌入方案與文獻(xiàn)9210中提出的量化嵌入方案雖有類似之處,但文獻(xiàn)9210中的量化規(guī)則定義為:如果Ckmod(l)為奇數(shù),則

13、Q(Ck)取1;如果Ckmod(l)為偶數(shù),則Q(Ck)取01顯然,該規(guī)則沒(méi)有考慮Ckmod(l)=0的情況1另外,文獻(xiàn)9210中所采用的量化嵌入策略為Ck-l,如果Ck>0Ck=Ck+l,如果Ck如果按照文獻(xiàn)92,當(dāng)l>Ck>-l時(shí)0,既不是偶數(shù)也不是奇數(shù),1本文通過(guò)改進(jìn)文獻(xiàn)9210的量化規(guī)則與量化嵌入方案而提出的新量化嵌入方法將更加有效,適用范圍更廣1314整型提升小波逆變換用含有數(shù)字水印信息的小波系數(shù)Ck代替Ck并結(jié)合未修改的小波系數(shù)進(jìn)行4級(jí)整型提升小波逆變換,便可以得到含水印信息的灰度圖像I1信號(hào)1Step41按照彩色水印圖像預(yù)處理(見(jiàn)第2節(jié))的相反操作,便可將所提取

14、出的一維二進(jìn)制序列X3=xk,0k<333Nw,xk0,1W=w(i,j),0i<P,0j<Q1,、實(shí)驗(yàn)、,需采用歸一化相2correlation,NC)11對(duì)抽取15實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證本文所給小波域彩色數(shù)字水印算法的高效性,下面給出256級(jí)標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像Lena(512×512)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1實(shí)驗(yàn)中,彩色水印圖像選用了32×32的24位真彩色圖像Camel,整型提升小波變換采用了常見(jiàn)的Haar小波基,參數(shù)選取為1/161由于采用的水印在感覺(jué)上是可視的,因此提取的水印信息很容易辨別1另外,本文還采用NC定量分析了提取水印與原始水印的相似度,采用峰值信噪比(PSN

15、R)評(píng)價(jià)了原始載體圖像與含水印圖像之間的差別1511檢測(cè)性能測(cè)試圖1所示為數(shù)字水印嵌入及檢測(cè)結(jié)果,圖1c,1d所示分別為嵌入水印后的灰度圖像(PSNR=4119dB)和提取出的彩色水印圖像(NC=1100)(未受到任何攻擊)14數(shù)字水印的檢測(cè)本文討論的彩色數(shù)字水印檢測(cè)算法屬于目標(biāo)檢測(cè)算法,即在檢測(cè)彩色水印圖像時(shí)不需要原始的載體圖像1設(shè)待檢測(cè)灰度圖像為I3,則數(shù)字水印檢測(cè)過(guò)程如下:圖1數(shù)字水印嵌入與檢測(cè)結(jié)果512抗攻擊能力測(cè)試通常,對(duì)含水印圖像的攻擊方式主要包括疊加噪聲、JPEG壓縮、平滑濾波、幾何剪切、圖像增強(qiáng)、馬賽克等1表1所示為本文算法對(duì)常見(jiàn)圖像處理與攻擊的抵抗能力(歸一化相關(guān)系數(shù))19期

16、王向陽(yáng)等:基于視覺(jué)掩蔽特性的小波域彩色數(shù)字水印技術(shù)表1數(shù)字水印對(duì)常見(jiàn)圖像處理與攻擊的抵抗能力攻擊方式疊加噪聲參數(shù)隨機(jī)分布(10%)均勻分布(5%)JPEG壓縮1243歸一化相關(guān)系數(shù)攻擊方式幾何剪切參數(shù)二分之一四分之一歸一化相關(guān)系數(shù)質(zhì)量系數(shù)為70%質(zhì)量系數(shù)為80%圖像增強(qiáng)銳化邊緣銳化平滑濾波低通濾波中值濾波馬賽克效果2×2塊3×3塊5MeerwaldPeter,Uhlofwavelet2domainwa2AofSPIESanJose,16結(jié)束語(yǔ)本文算法以整型提升小波變換、編碼、視覺(jué)掩蔽特性、,果表明,、JPEG壓縮、平滑濾波、幾何剪切、圖像增強(qiáng)、馬賽克效果等攻擊均具有較好的魯

17、棒性1本文算法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)1特別地,該算法在抽取水印信息時(shí),不需要原始載體圖像,大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍19,1HiddendigitalwatermarksinimagesTransactionsonImageProcessing,1999,8(1):58687DaubechiesI,SweldensW1FactoringwavelettransformsintoliftingstepsJ1JournalofFourierAnalysisandApplications,1998,4(3):2452678WangXiangyang,YangHongying1Anovelembedd

18、edzerotreewaveletimagecodingbasedonvisualmaskingJ1JournalofComputer2AidedDesign&ComputerGraphics,2003,15(11):13931396(inChinese)(王向陽(yáng),楊紅穎1基于視覺(jué)掩蔽特性的嵌入零樹(shù)小波圖像編碼算法J1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(11):13931396)KunderD,HatzinakosD1Digitalwatermarkingfortelltaletam2perproofingandauthenticationJ1ProceedingsoftheI

19、EEESpecialIssueonIdentificationandProtectionofMultimediaIn2formation,1999,87(3):1167118010HeRenya,ChengQiansheng1DigitalwatermarkingembeddedinthediscretewaveletdomainforauthenticationJ1JournalofComputer2AidedDesign&ComputerGraphics,2001,13(9):812815(inChinese)(賀仁亞,程乾生1一種用于認(rèn)證的小波變換域的數(shù)字水印參考文獻(xiàn)1LuCS,LiaoHYM1Multipurposewatermarkingforimageau2thenticationandprotectionJ1IEEETra