DCT域圖像水印技術(shù)

1、DCT域圖像水印技術(shù)1數(shù)字水印技術(shù)的概念和特點(diǎn)數(shù)字水?。―ig計(jì)alWatermark）技術(shù)是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的使用價(jià)值，并不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者，或者是否真實(shí)完整。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。作為數(shù)字水印技術(shù)基本上具有下面幾個(gè)方面的特點(diǎn)：安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對重復(fù)添加有有強(qiáng)的抵抗性隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是

2、不可知覺的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用；不會(huì)降質(zhì)；魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號(hào)處理過程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘?hào)處理過程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印易損水?。‵ragileWatermarking）,主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，這些水印信息會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購買者的序列號(hào)，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字

3、產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對水印的容量需求很大。2基于DCT域的圖像數(shù)字水印技術(shù)離散余弦變換（DiscreteCosineTransform屬于正交變換圖像編碼方法中的一種。正交變換圖像編碼始于1968年。當(dāng)時(shí)安德魯斯（Andrews）等人發(fā)現(xiàn)大多數(shù)自然圖像的高頻分量相對幅度較低，可完全舍棄或者只用少數(shù)碼字編碼，提出不對圖像本身編碼，只對其二維傅立葉（DFT）系數(shù)進(jìn)行編碼和傳輸。但DFT是一種正交變換，運(yùn)算量很大，常常使實(shí)時(shí)處理發(fā)生困難，第二年他們就用Walsh-Hadamard變換（WHT）取代DFT可以使運(yùn)算量明顯減少，這是因?yàn)閃HT變換只有加減法而無需乘法。但是更

4、有意義的是離散余弦變換和離散正旋變換的出現(xiàn)，它們具有快速算法，精確度高。其中最重要的是1974年提出的DCT,因?yàn)槠渥儞Q矩陣的基向量很近似于托伯利茲矩陣的特征向量，而托伯利茲矩陣又體現(xiàn)了人類語言及圖像信號(hào)的相關(guān)性。因此，DCT常常被認(rèn)為是語音與圖像信號(hào)變換的準(zhǔn)最佳變換。圖像是二維的，所以在研究時(shí)主要用到二維DCT,以及二維IDCT來對圖像進(jìn)行處理。2.1 離散余弦變換（DCT）的定義數(shù)字圖像X（m,n）是具有M行N列的一個(gè)矩陣。為了同時(shí)減弱或去除圖像數(shù)據(jù)相關(guān)性，可以運(yùn)用二維DCT,將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到DCT變換域。根據(jù)定義，二維離散余弦變換（DCT）定義如下：Y（k,l）=2c（k）ai）MW

5、x（m,n）cos12mcosMMNmwn當(dāng)2M2N式中：m,k=0,1，,M-1;n,l=0,1，,N1。其中函數(shù)c(k)="五k"0Jk=1,2,，Mc(l)J/亞1k=0k=1,2,N-1維逆離散余弦變換（IDCT）的定義如下:X(m,n)=,222c(k)c(l)Y(k,l)cos(2m1)k二(2n1)l二cosMNK=0LZ02M2N式中：m,k=0,1，,M1;n,l=0,1N1。2.2 離散余弦變換的特點(diǎn)在基于DCT的變換編碼中，圖像是先經(jīng)分塊（8X8或16X16）后再經(jīng)DCT,這種變換是局部的，只反映了圖像某一部分的信息。當(dāng)然也可以對整幅圖像的特點(diǎn)，但是運(yùn)

6、算速度比分塊DCT要慢。圖像經(jīng)DCT后，得到的DCT圖像有三個(gè)特點(diǎn)：一是系數(shù)值全部集中到0值附近（從直方圖統(tǒng)計(jì)的意義上），動(dòng)態(tài)范圍很小，這說明用較小的量化比特?cái)?shù)即可表示DCT系數(shù)；二是DCT變換后圖像能量集中在圖像的低頻部分，即DCT圖像中不為零的系數(shù)大部分集中在一起（左上角），因此編碼效率很高。三是沒有保留原圖像塊的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從中反映不了原圖像塊的邊緣、輪廓等信息，這一特點(diǎn)是由DCT缺乏時(shí)局域性造成的。如下左圖21是原始圖像經(jīng)過DCT變換后的系數(shù)圖像為圖22。兩條線劃分出圖像的低頻、中頻和高頻分別所在的矩形區(qū)域?？梢钥闯?，圖像DCT變換后大部分參數(shù)接近于零，只有左上角的低頻部分有較大的數(shù)值，

7、中頻部分參數(shù)值相對較小，而大部分高頻參數(shù)值非常小，接近于零。圖21:原圖像2.3 離散余弦變換的數(shù)字水印算法根據(jù)離散余弦變換后的參數(shù)性質(zhì)，本文采用了以ZigZag方式重排變換域系數(shù)的方法，選出中頻分量，用數(shù)字水印序列對其進(jìn)行非線性調(diào)制。水印檢測時(shí)，待檢測圖像仍按比方式選擇變換域系數(shù)，與待水印進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，與閾值比較來判斷是否所含水印。離散余弦域的數(shù)字水印算法的具體實(shí)現(xiàn)分為三步：宿主圖像的變換，數(shù)字水印的嵌入，數(shù)字水印的檢測。2.3.1 宿主圖像的DCT變換對于NXN大小的256灰度級的宿主圖像I進(jìn)行NXN二維離散余弦變換(DCT)o以ZigZag方式對于DCT變換后的圖像頻率系數(shù)重新排列成一維

8、向量Y=yi,y2,yNxn.并取出序列中第L+1到L+M的中頻系數(shù)部分，得到Y(jié)l=Yl+i,Yl+2,，Y+m2.3.2數(shù)字水印的嵌入假設(shè)數(shù)字水印W為一服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列，用數(shù)字序列表示為亞=亞1,W2,-wM。用W對Y序列中第L+1到L+M的中頻系數(shù)部分的值進(jìn)行修改，按以下公式進(jìn)行：yi=yiiML或i之L+m'，2.一,，-yi=yi+CtyiwiL<iEL+M產(chǎn)A0經(jīng)過修改的系數(shù)序列Y'=丫1'，丫2'，.Y'NXn以ZigZag逆變換形式重組，再進(jìn)行NXNDCT逆變換，得到嵌有數(shù)字水印的圖像I'。2.3.3數(shù)字水印的檢

9、測待檢測的可能含有水印的圖像I"。假設(shè)I”未損失大量信息，可以近似認(rèn)為I"=I'。在此假設(shè)下可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法來檢測水印。(1)待檢水印域待檢圖像中頻系數(shù)相關(guān)性的測定同樣對I'進(jìn)行DCT變換，以ZigZag方式將DCT系數(shù)排成一維向量Y"=Y1",丫2",.Ynxn"。由于假設(shè)I"=I',則Y"=Y'。取出Y”(等于Y)中第L+1到L+M的中頻系數(shù)部分Yl"=Yl+i",Yl+2",.Yl+m"。假設(shè)待檢測的數(shù)字水印X=X1,X2,.Xm為一符

10、合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的實(shí)數(shù)偽隨機(jī)序列。則可以通過待檢水印與圖像中頻系數(shù)作相關(guān)運(yùn)算來判斷是否所加入了水印。只有在待檢水印為所加入的水印時(shí)，才能得到較大的相關(guān)值。否則相關(guān)值很小，接近于零。1M12Z=cov(Yl',X)(YLiXi)(YLiXi);(YL2.WXi)MyM用符號(hào)E表示數(shù)學(xué)期望，得到：一一2E(z)=:E(Y)X=WE(z)=0X=WE(z)=0沒有水印存在(2)閾值的確定根據(jù)中心極限定理，參照水印匹配與不匹配兩種情況得到閾值為Tz=qE(Y：)/2。由于原始圖像難以得到，因此從實(shí)用性出發(fā)，閾值定義為：2、工MTz=：E(Y：)/2Mid綜上所述，滿足Z：Tz或2：0.5時(shí)，則表

11、明檢測到匹配水印。否則，未檢2TZ測到匹配的水印。3基于離散余弦變法(DCT)實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)3.1matlab源程序%嵌入水印的程序代碼M=256;%原圖像長度N=32;%水印圖像長度K=8;I=zeros(M,M);J=zeros(N,N);BLOCK=zeros(K,K);%顯示原圖像subplot(3,2,1);I=imread('mona.bmp；'bmp');imshow(I);title('原始公開圖像,);%顯示水印圖像subplot(3,2,2);J=imread(flag.bmp','bmp');imshow(J);t

12、itle('水印圖像');%嵌入水印forp=1:Nforq=1:Nx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;BLOCK=I(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK=dct2(BLOCK);ifJ(p,q)=0a=-1;elsea=1;endBLOCK(1,1)=BLOCK(1,1)*(1+a*0.03);BLOCK=idct2(BLOCK);I(x:x+K-1,y:y+K-1)=BLOCK;endend%顯示嵌入水印后的圖像subplot(3,2,3);imshow(I);title('嵌入水印后的圖像');imwrite(I,'water

13、marked.bmp''bmp');%從嵌入水印的圖像中提取水印I=imread('mona''bmp');J=imread('watermarked.bmp''bmp');forp=1:Nforq=1:Nx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;BLOCK1=I(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK2=J(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK1=idct2(BLOCK1);BLOCK2=idct2(BLOCK2);a=BLOCK2(1,1)/BLOCK1(1,1)-1;ifa<

14、0W(p,q)=0;elseW(p,q)=1;endendend%顯示提取的水印subplot(3,2,4);imshow(W);t田eC從含水印圖像中提取的水印);%水印攻擊測試M=256;N=32;K=8;I=zeros(M,M);J=zeros(M,M);w=zeros(N,N);BLOCK1=zeros(K,K);BLOCK2=zeros(K,K);%對嵌入水印后的圖像進(jìn)行JPEG壓縮L=imread('watermarked.bmp''bmp');imwrite(L,'attack.jpg','jpeg','Quality',45);J=imreadCattack.jpg','jpeg);subplot(3,2,5);imshow(J);title('壓縮后的圖像');I=imread('mona；'bmp');%從壓縮的圖像中提取水印forp=1:Nforq=1:Nx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;BLOCK1=I(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK2=J(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK1=idct2(BLOCK1);BLOCK2=idct2(BLOCK2);a=BLOCK2(1,1)/