DCT域大容量魯棒數(shù)字水印

耿 蕓,張貴倉(cāng),柴 智

(西北師范大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院,蘭州730070)

數(shù)字水印技術(shù)作為內(nèi)容認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的一種重要手段,得到了廣泛的關(guān)注,應(yīng)用范圍也越來(lái)越多,成為信息隱藏技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。數(shù)字水印的嵌入位置由空域發(fā)展到變換域,變換域水印的引入大大提高了水印的魯棒性和安全性。水印的嵌入信息也由簡(jiǎn)單的隨機(jī)序列發(fā)展到有實(shí)際意義的版權(quán)信息等,使得數(shù)字水印的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[1]。用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印要求有很強(qiáng)的魯棒性和安全性,一般稱為魯棒性水印?；谧儞Q域的數(shù)字水印技術(shù)往往采用類似于擴(kuò)頻的圖像技術(shù)來(lái)隱藏水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換(基于局部或是全局的變換),這些變換包括離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)、傅氏變換(DFT或FFT)、傅立葉-梅林(Fourie-Mellin)變換以及哈達(dá)馬變換(Hadamard transform)等等?；诜謮K的DCT是常用的變換之一,這是因?yàn)镈CT域的方法計(jì)算量較小,且與國(guó)際流行 的數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)(JPEG,MPEG,H 261/263)兼容,便于在壓縮域中實(shí)現(xiàn),是目前的主流變換[2]。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)志信息等,水印的容量較大時(shí)能夠保證信息的安全性。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性,對(duì)水印的容量需求很大。DCT域二值水印的研究已經(jīng)較為深入,這主要是因?yàn)樗哂休^高的魯棒性,但是其算法一般嵌入容量較小[3,4]。文獻(xiàn)[5]表明,在將載體圖像變換域中的部分系數(shù)代替時(shí),圖像能夠保證較好的圖像質(zhì)量且水印具有較高的魯棒性。但是常規(guī)的變換域水印僅在8×8分塊中嵌入一個(gè)數(shù)據(jù),筆者為了提高水印容量,我們?cè)诿總€(gè)8×8分塊嵌入4個(gè)數(shù)據(jù),這樣就可以在不明顯降低圖像質(zhì)量的情況下大大提高隱藏水印的信息量。

1 灰度水印的嵌入和提取

1.1 灰度圖像水印的嵌入

由于DCT高頻系數(shù)在常見(jiàn)的圖像處理過(guò)程中都會(huì)被優(yōu)先破壞,使得嵌入水印的魯棒性較差,而低頻系數(shù)的修改又容易導(dǎo)致水印的不可見(jiàn)性比較差,因此綜合考慮,將水印放在中頻系數(shù)上[6]。

1)灰度水印包含的信息量非常大,為了能夠?qū)⒒叶人‰[藏到載體圖像A(256×256)中,必須對(duì)水印圖像進(jìn)行壓縮[6]。本文用離散小波變換的方法將水印圖像進(jìn)行變換,保留其低頻分量B LL。

2)將載體圖A分解成32×32個(gè)大小為8×8大小的塊 A dct,并對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行 DCT變換為。

3)同樣將水印低頻分量B LL分解成2×2大小的塊B LL1,并選擇DCT中頻系數(shù)中的4個(gè)中頻系數(shù)用mB LL1替代為Adct2,其中m為強(qiáng)度系數(shù)。

4)對(duì)變換過(guò)后的A dct2進(jìn)行逆DCT變換,即得到隱藏了秘密圖像的新圖像A*。

1.2 灰度水印的提取

水印的檢測(cè)是水印嵌入的逆過(guò)程,具體檢測(cè)步驟如下：

1)取嵌入水印的灰度圖像A*(256×256),按照8×8的大小進(jìn)行分塊,然后對(duì)每一塊進(jìn)行離散余弦變換得到A*dct,分別提取每塊中頻相應(yīng)的2×2元素矩陣。

2)將該元素矩陣進(jìn)行變換為BLL2,將其他分量皆置為0得到相應(yīng)的圖像B*。

3)對(duì)圖像B*進(jìn)行逆置亂得到提取的水印圖像。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

本文以8位灰度圖像Lena(256×256)作為原始載體圖像,選取 8位灰度圖像 Woman(128×128),對(duì)其進(jìn)行置亂和二維小波分解。本文對(duì)水印的嵌入、提取和攻擊進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。利用峰值信噪比PSNR作為水印圖像的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用歸一化相關(guān)系數(shù)NC(Normalized Cross-Correlation)作為提取水印與原始水印的相似性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)本文方法嵌入灰度水印圖像后的PSNR為41.215 dB,從圖1中可以看出,含水印的圖像保持了良好的圖像質(zhì)量。對(duì)嵌入的水印進(jìn)行提取時(shí)發(fā)現(xiàn),水印的提取效果比較好,主觀識(shí)別較清晰,NC系數(shù)分別為0.9921。

圖1 嵌入水印前后載體圖像和水印圖像

表1 攻擊后提取效果

DCT變換將圖像信號(hào)從時(shí)域變換到了頻域,是廣泛使用的有損數(shù)字圖像壓縮系統(tǒng)的核心步驟之一。因此DCT域水印的研究已經(jīng)較為深入,這主要是因?yàn)樗哂休^高的魯棒性。但是常見(jiàn)的DCT域水印為二值水印,這是因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的算法在 DCT域中添加的信息量有限。筆者采用對(duì)部分中頻系數(shù)進(jìn)行置換的方法大大提高了隱藏的信息量。本文中,每個(gè)DCT分塊都能添加4個(gè)數(shù)據(jù),因此可以將壓縮的灰度圖像添加到載體圖像中而不降低圖像的質(zhì)量。

圖像在使用和傳輸?shù)倪^(guò)程中,經(jīng)常會(huì)面臨一些非惡意攻擊,如圖像在傳送過(guò)程中的信道噪聲、有損壓縮、圖像增強(qiáng)等;除此之外,也可能會(huì)受到一些惡意攻擊,如圖像剪切、涂改等操作。為了驗(yàn)證本文算法的魯棒性,對(duì)嵌入水印后的圖像進(jìn)行了一些常規(guī)的攻擊,以進(jìn)行魯棒性評(píng)估。本文中使用了Stirmark Version 4.0對(duì)含水印圖像分別進(jìn)行圖像剪切和添加噪聲等操作以后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。從本文的仿真實(shí)驗(yàn)中也可以看出,該水印的在經(jīng)受一系列攻擊之后仍然能夠較為清晰的提取出水印。

為了進(jìn)一證明本算法的優(yōu)越性,參考了兩種具有代表性的文獻(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比,列在表2中。

表2 與文獻(xiàn)的水印特征比較

一般來(lái)說(shuō)DCT域二值水印都具有較強(qiáng)的魯棒性,但是嵌入容量都比較小如文獻(xiàn)[7]。而隱藏大容量的灰度圖像則一般不能在變換域進(jìn)行,且不能實(shí)現(xiàn)盲提取,如文獻(xiàn)[8]。從表中可以發(fā)現(xiàn),相對(duì)于其他的幾種水印算法,本文的算法在DCT域進(jìn)行,且能夠盲提取,將大容量和魯棒性結(jié)合到了一起,因此具有明顯的優(yōu)越性。

上述的水印算法只在每個(gè)塊中的4個(gè)DCT系數(shù)上進(jìn)行了隱藏,事實(shí)上中頻部分還有許多未知可以隱藏信息。但是由于隱藏的信息量較多的時(shí)候,會(huì)顯著降低水印的不可見(jiàn)性,影響圖像的質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于 DCT域的灰度水印算法,此算法的特點(diǎn)是通過(guò)替換載體圖像的部分中頻DCT系數(shù)來(lái)隱藏信息,由于在每個(gè)8×8分塊中嵌入了4個(gè)數(shù)據(jù),使其嵌入容量大大提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法在變換域嵌入數(shù)字水印,對(duì)JPEG壓縮、剪切和噪聲這幾種常見(jiàn)的攻擊方式都有較好的魯棒性,并且能很好地滿足數(shù)字水印系統(tǒng)的不可見(jiàn)性。由于嵌入信息量大大提高,該水印算法對(duì)于在隱蔽重要的通信數(shù)據(jù)等特殊領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。該算法的創(chuàng)新之處是在基于DCT域?qū)崿F(xiàn)了大容量的灰度圖像的信息隱藏,在不降低其透明性的情況下較大地提高了嵌入容量和魯棒性,并且水印是可以盲提取的。嵌入的水印信息對(duì)媒體的所有權(quán)等具有證明作用,還有必要進(jìn)一步在盲提取的情況下提高嵌入水印的信息量和水印的魯棒性。因此下一步需要研究所選擇的中頻系數(shù)的個(gè)數(shù)和不同中頻系數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量和水印的魯棒性及安全性的影響,并考察其在隱蔽通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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