【基于DCT变换的数字图像水印研究】 数字图像水印

　　[摘 要]数字水印(Digital Watermarking) 技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域,它通过往多媒体数据(如图像、音频、视频信号等) 中添加某些数字信息(水印) 而不影响原数据的视听效果,并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来,以达到版权保护等作用。此文提出了一种离散余弦变换实现数字水印的嵌入和恢复的技术方案,试验表明这种方案有一定的抗攻击能力,与传统的LSB算法和Patchwork算法相比,该方案有较好的抗攻击能力。
　　[关键词]离散余弦变换 数字水印 抗攻击 水印恢复
　　[中图分类号]TP[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0026-02
　　
　　1 引言
　　数字水印的研究从嵌入方式上看,可分为两类:一类方法是将数字水印按某种算法直接叠加到图像的空间域上;另一类方法是先将图像做某种变换(特别是正交变换),然后把水印嵌入到图像的变换域中。从目前的情况看,变换域方法正变得日益普遍。因为变换域方法通常都具有很好的鲁棒性,对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力,并且一些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准。常用的变换域主要包括离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)和离散小波变换(DWT)等。[1]
　　本文对基于DCT变换的数字图像水印技术等方面进行了一些探索。在研究中采用了分块DCT变换技术和实验验证等手段,提出了一种数字图像水印实现方案,该方案实现了数字水印的嵌入与还原,并且有一定的抗噪声攻击能力。由于DCT变换主要将水印信息叠加在中低频段,而人眼的感觉主要集中在这一频段,攻击者在破坏水印的过程中,不可避免地会引起图像质量的严重下降,因此与传统LSB算法和Patchwork算法相比,该方案的抗击攻击能力更强。
　　2 数字水印技术的基本原理
　　数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容中,目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥、私有密钥)体系来加强,在水印的嵌入,提取时采用一种密钥,甚至几种密钥的联合使用。[2]水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示:
　　数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现。
　　空间域方法可以细分为如下几种方法:(1)最低有效位法,该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的,具体取多少位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则。(2)Patchwork方法及纹理映射编码方法,该方法是通过任意选择N对图像点,增加一点亮度的同时,降低相应另一点的亮度值来加载数字水印。(3)文档结构微调方法,在通用文档图像(postscript)中隐藏特定二进制信息的技术,主要是通过垂直移动行距,水平调整字距,调整文字特性等来完成编码。[3]
　　基于变换域的技术采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图象变换,基于局部或全部的变换,这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT)、付氏变换(FT或FFT)以及哈达马变换(Hadamard Transform)等等。频域方法具有如下优点:(1)在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布到所有的像素上,有利于保证水印的不可见性;(2)在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性,可以更方便、更有效的进行水印的编码。
　　3 数字图像中的DCT原理
　　离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)简称DCT变换。离散余弦变换是傅立叶变换的一种特殊情况,在傅里叶级数展开式中,如果被展开的函数是实偶函数,那么其傅立叶级数中只包含余弦项,再将其离散化可导出离散余弦变换,因此余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义,DCT变换避免了傅里叶变换中的复数运算,它是基于实数的正交变换。[4]DCT变换矩阵的基向量很近似于ToePlitz矩阵(系数矩阵对称且沿着与主对角线平行的任一对角线上的元素都相等)的特征向量,而ToePIitz矩阵又体现了人类语言及图像信号的相关特性,故DCT常常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换,同时DCT算法较易于在数字信号处理器中快速实现,因此它目前在图像编码中占有重要的地位,目前使用的JPEG和MPEG压缩标准都是基于图像的DCT变换。[5]
　　4 DCT实现方案
　　4.1 嵌入水印
　　(1)将载体图像转至YUV色度空间,提取Y分量。
　　(2)在Y分量开始嵌入水印:a.由载体图像和水印图像计算初始嵌入位置,使得水印大致位于载体图像中央;b.将载体图像划分为(Mm×Nm)大块,每个大块划分为blocksize_sub×blocksize_sub2子块,每个子块大小为blocksize×blocksize;c.对每个大块,将其中的每个小块做DC变换,提取出DC系数,对其除步长之后的值和水印对应位置相加后模2,若为1,则减0.5后乘步长;若为0,则加0.5后乘步长。d.将修改后的DC系数放回原处。e.反DCT后得到嵌入水印后的Y分量。f.与UV分量组合后即得到嵌入水印后的图像。g.获取结束时间,相减即得到整个算法所需时间。
　　4.2 在嵌入水印的图像中加入噪声信号(模拟图像被攻击)
　　4.3 提取水印
　　(1)获取起始时间。(2)设置块(blocksize*blocksize)及子块(blocksize_sub*blocksize_sub2)大小,与嵌入端保持一致。(3)读取嵌水印后图像的长和宽、经攻击后图像、水印图像。(4)将攻击后图像恢复至嵌水印后图像的大小,与嵌水印类似,将图像Y分量划分为(Mm*Nm)大块,每个大块划分为blocksize_sub*blocksize_sub2子块,每个子块大小为blocksize*blocksize,除以步长后模2,最终每个大块得到数目为blocksize_sub*blocksize_sub2的0、1,若0多,表明该位置对应水印为0,否则为1。(5)按水印长宽将生成的一维矩阵重置,得到提取的水印。
　　5 仿真实验结果
　　本实验采用MATLAB软件为工具,对提出的DCT水印方案进行了仿真实验。
　　6 结语
　　通过实验图片的效果显示,我们可以看到加入水印后的图像基本不影响原图片的质量,也看不出水印的图案,而且可以基本保持载体图片的原貌。从被攻击后的图像中也可以顺利恢复出来水印,并且能够识别原水印。因此,通过分块的离散余弦变换可以实现数字图像水印的嵌入与提取,并且有良好的抗攻击能力。
　　
　　[参考文献]
　　[1] 李道远,常敏,袁春风.一种基于图像分割和H V S 的自适应数字水印.计算机工程,2003,11.
　　[2] 党红梅,李人厚,弋英民.几种频率域图像数字水印算法.计算机工程与设计,2003,12.
　　[3] Liu R,Tan T.An SVD2Based Watermarking Scheme forProtectingrightful Ownership [J].IEEE Trans on Multime2dia,2002,4(1):1212128.
　　[4] 刘锋,孙林军.一种基于DCT 和SVD 的数字图像水印技术[J ].计算机应用,2005,25(8):194421945.
　　[5] 蔡月.基于DCT 和奇异值分解的数字水印算法研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.
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