吴 楠，吕建平

（西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安710121）

基于DCT和DWT的彩色图像双功能水印算法

吴 楠，吕建平

（西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安710121）

针对现今多数数字水印算法仅针对灰度图像并且功能单一的问题，提出一种彩色图像双功能水印算法，不仅增加了水印的信息量同时还可以实现版权保护和内容认证的双重功能。该算法是基于RGB色彩空间，首先提取原始彩色图像的R、G、B 3个彩色分量，然后将版权水印嵌入蓝色分量的低频系数中，认证水印嵌入绿色分量的中频系数中。实验结果表明，版权水印具有较好的鲁棒性和不可见性，认证水印可实现盲提取。

DCT；DWT；彩色图像；版权水印；认证水印

随着计算机应用技术的飞速发展,计算机的处理能力快速提高,信息的安全保护问题日益突出[1]。信息的非法复制与篡改已成为无法避免的问题,为了多媒体传输安全与版权保护,数字水印技术应运而生。数字水印技术是通过在数字化的多媒体数据中嵌入一定的隐秘信息—水印,来实现数字产品所有权的证明,它可以标示企业、作者、所有者和使用者的身份。水印通常是不可见的,隐藏于多媒体数据中,在必要时可以提取出来,是一种有效的信息安全保护手段[2]。

随着数字水印技术在数字产品应用中的不断深入,单一水印在水印嵌入信息量以及多功能应用方面已经不能满足人们的需要,因此便产生了双重以及多重水印技术。通过大量文献分析可知,大多数水印技术采用鲁棒性水印和脆弱性水印共同作用来完成对产品版权保护和完整认证的目的。但这些文献提出的大多是对灰度图像的嵌入,而目前彩色图像的应用范围更为广泛,故本文针对现今多数数字水印算法仅针对灰度图像并且功能单一的问题,提出一种彩色图像双功能水印算法。

1 水印图像的预处理

1.1 版权水印的预处理

版权水印为p×p大小的二值图像S,具体置乱过程如下：

1)对S进行K次Arnold置乱加密得到S′。K作为密钥保存。

2)根据Logistic映射公式,生成混沌序列。然后根据公式(1)经过取值变换得二值序列R。

3)将S′和二值序列R异或得序列S＂,将序列S＂中的值0转换为-1,1保持不变。再将其扫描为大小为p×p的二维序列,即得经预处理后的版权水印S1。

1.2 认证水印的预处理

认证水印基于图像特征产生,其生成和置乱过程如下：

2)按照公式(2)计算低频分量的能量

按公式(3)对每一个低频系数LLL1(i,j)进行修改,得到矩阵。

2 水印图像的嵌入算法

对于图像来说,其质量的好坏很大程度上取决于人眼的视觉特性(HVS,Human Visual System)。对于彩色图像而言,人眼对于彩色分量的敏感程度由低到高为：蓝色(B)、红色(R)、绿色(G),因此,在彩色图像的嵌入系统中,可以将将水印信息嵌入在蓝色分量,这样嵌入的水印信息对载体图像的影响就会降低,人眼一般很难察觉。本文正是基于这个原因,将版权水印嵌入到蓝色分量的低频系数中。认证水印要求抵抗一定的JPEG压缩,因此需在抵抗JPEG压缩性能最好的绿色分量的中频系数上嵌入认证水印,原始载体图像X为彩色RGB图像,大小为M×M。经预处理后的版权水印为二值图像,大小为p×p。认证水印为基于图像特征产生的二值序列,大小为N×N。

2.1 版权水印的嵌入

具体嵌入步骤如下：

2)水印的嵌入[6]。按下面的规则对每一个低频系数LLL2(i, j)进行修改。

规则一：当S1(i,j)=-1时,若modLLL2(i,j),α)∈[0.3α/4],则；

若modLLL2(i,j),α)∈[3α/4,α],则

规则二：当S1(i,j)=1时,若modLLL2(i,j),α)∈[0,α/4],则

若modLLL2(i,j),α)∈[α/4,α],则

其中α为嵌入的强度。

3)对 LLL2(i,j)进行L2级小波逆变换,得到嵌入版权水印的蓝色分量图像。

2.2 认证水印的嵌入

2)将HLL3划分为大小为4×4的子块,对每一子块进行DCT变换,提取出变换后各子块(1,1)位置上的系数组成一个新矩阵D1。

3)对D1的系数进行量化。

其中β为量化系数。

4)在D1(i,j)中嵌入水印[7]。按下面的规则对每一个系数D1 (i,j)进行修改。

规则一：当X(i,j)=S2(i,j)时,D1(i,j)保持不变。

规则二：当X(i,j)≠S2(i,j)时

若D1(i,j)＞0,则

若D1(i,j)≤0,则

5)用矩阵D1中的系数替换各子块(1,1)位置上的系数,然后对每一个子块进行DCT逆变换。

6)对变换后矩阵进行L3级小波逆变换就得到嵌入认证水印的绿色分量图像。

3 水印图像的提取算法

水印的提取算法实际上就是嵌入算法的逆过程。

3.1 版权水印的提取

2)水印的提取。

规则一：若modLL′L2(i,j),α)∈[0,α/2],则W(i,j)=0。

规则二：若modLL′L2(i,j),α)∈[α/2,0],则W(i,j)=1。其中α为嵌入的强度。

3)解密算法。根据Logistic映射公式,生成混沌序列,经过取值变换得二值序列。将W和W′二值序列异或得到,根据密钥H,对W′进行H次Arnold置乱解密得到S′1,即提取出的版权水印。

3.2 认证水印的提取

2)将HL′L3划分为大小为4×4的子块,对每一子块进行DCT变换,提取出变换后各子块(1,1)位置上的系数组成一个新矩阵D1′。

3)水印的提取。

其中β为量化系数。

4 实验结果与分析

本算法采用Matlab7.0编程环境,原始载体图像X采用512×512的彩色图像lena,如图1(a)所示；版权水印S是采用大小为64×64的二值图像,如图1(b)所示；认证水印S2由绿色分量G提取,大小为32×32,分解层数分别为L1=4,L2=3,L3= 2。版权水印的嵌入强度α=0.5,认证水印的量化系数β=0.28。使用harr小波变换。图1(c)为嵌入水印后的图像,嵌入版权水印后图像的峰值信噪比psnr1=39.6761,嵌入认证水印后图像的峰值信噪psnr2=31.4761,嵌入双水印后图像的峰值信噪psnr =30.8640。

图1 载体图像和版权水印图像和嵌入水印的图像Fig.1 Carrier image and the copyright of embedded watermark image and the watermark image

4.1 水印算法的鲁棒性测试

为了测试本文算法的鲁棒性,对嵌入水印的图像进行各种攻击实验,包括添加椒盐噪声、高斯低通滤波、中值滤波、JPEG压缩、图像剪切。通过对比原始水印与经受攻击后提取出的水印的NC值来判断水印的鲁棒性,并进行分析比较,具体的结果如表1所示。

表1 攻击后提取的水印和NC值Tab.1 attack after extraction of watermarking and NC value

实验结果表明：水印对噪声、高斯低通滤波、中值滤波PEG压缩、剪切攻击具有很好的鲁棒性。由实验结果还可知,本算法可以检测出对图像完整性的破坏以及对图像像素值的篡改,如对含水印图像进行剪切攻击,可从认证水印判断图像是否被恶意篡改,可有效地实现了图像的内容认证。对比本算法与文献[7]的算法结果如表2所示。

表2 本算法与基于提升小波的多功能彩色数字图像双水印算法的NC值比较Tab.2 this algorithm and color image based on DCT and DWT bilnd digital watermarking algorithm NC value comparison

对比结果表明在剪切攻击方面本算法明显优于文献[7]。

4.2 水印算法抵抗JPEG压缩的能力

对于认证水印,要求能抵抗一定的JPEG压缩。为了测试本文算法抵抗不同程度JPEG压缩的能力,对嵌入水印的图像进行各种不同程度的压缩并与文献[7]比较。

实验结果表明在抵抗JPEG压缩方面,本算法版权水印抵抗压缩能力明显优于文献[7]。

5 结束语

提出的基于DCT和DWT的彩色图像双功能水印算法,不仅测试了版权水印的鲁棒性,还测试了认证水印抵抗JPEG压缩的能力,实验结果表明在高斯低通滤波、中值滤波、JPEG压缩、图像剪切攻击下所提取的版权水印均有较好的鲁棒性,但

对于其他攻击方法如添加噪声还有待进一步研究。而对于认证水印,它可以很好的抵抗一定的JPEG压缩,具有很好的鲁棒性,可有效的实现图像的内容保护。由于认证水印是基于图像的特征产生,故可实现盲提。

表3 本算法水印抵抗JPEG压缩的能与基于提升小波的多功能彩色数字图像双水印算法的NC值比较Tab.3 the algorithm in the watermarking resistance to JPEG compression can compared with color image based on DCT and DWT bilnd digital watermarking algorithm NC value comparison

[1]胡学龙.数字图像处理[M].2版.北京：电子工业出版社,2011.

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Dual watermarking algorithm based on DCT and DWT for color image

WU Nan,LV Jian-ping
(1.School of Computer Science and Technology,Xi'an University of posts and Telecommunications,Xi'an 710121,China)

Contrapose?the?existing?problem in the majority of digital watermarking algorithms nowadays only aiming at gray image and single function,a dual watermarking algorithm for color image was proposed.Not only increase the watermarking information at the same time also can achieve the dual function of copyright protection and content authentication.The algorithm is based on RGB color space,first extracting three color components of R、G、B from the original color image,and then embedding copyright watermark into the low frequency coefficient of blue component and authentication watermark into the intermediate frequency coefficient of green component.The experimental results show that the copyright watermark has good robustness and invisibility,authentication watermark can realize blind extraction.

DCT；DWT；color image；copyright watermark；；authentication watermark

TN918.4

：A

:1674-6236(2015)23-0161-04

2015-03-03稿件编号：201503041

吴 楠(1989—)，女，河南许昌人，硕士。研究方向：模式识别与人工智能。