基于多通道HVS和DW T－DCT相結(jié)合的彩色圖像水印算法

貝依林，周京偉

(泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東泰安 271021)

1 引言

所謂數(shù)字水印技術(shù)，就是將數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，以起到版權(quán)保護(hù)的作用.除此之外，數(shù)字水印還在真?zhèn)舞b別、隱藏通信、標(biāo)志隱含等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值.由于這些在商業(yè)上有著巨大的應(yīng)用前景，數(shù)字水印已經(jīng)引起國(guó)際學(xué)術(shù)界與企業(yè)界的廣泛關(guān)注.

隨著新一代圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000的提出，小波變換越來(lái)越受到重視.小波變換通過(guò)對(duì)一幅圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解后，可以同時(shí)得到圖像在空間域和頻域上變化的信息，克服了傳統(tǒng)傅立葉變換和余弦變換無(wú)法很好體現(xiàn)圖像時(shí)頻特性的缺點(diǎn)，特別是克服了馬賽克現(xiàn)象.不過(guò)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的JPEG壓縮是以DCT變換為基礎(chǔ)的，并且離散余弦變換將其能量的大部分集中于頻率域的一個(gè)小范圍內(nèi)，描述不重要的分量只需要較少的比特?cái)?shù)，DCT變換正是因其具有解相關(guān)能力和聚能作用，因此可改善隱藏算法的性能，所以DCT變換在數(shù)字水印領(lǐng)域也有其不可取代的重要性.

目前基于實(shí)際應(yīng)用情況，彩色圖像水印保護(hù)日益成為人們研究的重點(diǎn)，做法一般是將水印嵌入到亮度通道或者是單色通道，如Kutter等人利用人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)藍(lán)色變化最不敏感的特點(diǎn)，修改藍(lán)色通道像素值進(jìn)行水印的嵌入，此類(lèi)算法的不足之處在于水印嵌入量較小.

本文根據(jù)小波變換的種種優(yōu)點(diǎn)，以及DCT變換在數(shù)字圖像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種基于在多通道內(nèi)進(jìn)行小波域中頻嵌入與DCT變換相結(jié)合的算法，既與現(xiàn)有的JPEG壓縮方法兼容，又具有抗JPEG2000壓縮的能力，又充分利用了YCbCr顏色空間的獨(dú)立性，增加了水印的嵌入量，并且較容易實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)證明，這種算法既保證了圖像具有良好的視覺(jué)效果，又對(duì)剪切、JPEG壓縮、加噪聲等圖像操作均具有良好的魯棒性.

2 色彩空間概述

根據(jù)JPEG標(biāo)準(zhǔn)，RGB色彩空間要轉(zhuǎn)換為亮度與色度(YCbCr)空間.因此為了增強(qiáng)隱藏算法在JPEG壓縮下的穩(wěn)健性，本文提出的彩色圖像隱藏方法是在YCbCr色彩空間下進(jìn)行的，而且YCbCr彩色模型中解除了色度與亮度通道間的相關(guān)性，提高了空間獨(dú)立性.另外，YCbCr彩色模型中將亮度通道分離出來(lái)，而亮度通道對(duì)視覺(jué)感覺(jué)是最重要的，相對(duì)來(lái)說(shuō)色度通道對(duì)視覺(jué)感覺(jué)就不是那么重要，因此在這樣的空間模型下針對(duì)人類(lèi)視覺(jué)的感覺(jué)對(duì)載體圖像的不同通道進(jìn)行水印的添加，從而不影響人觀看的感覺(jué).

RGB色彩空間和YCbCr色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

其中Y代表亮度信息，Cb，Cr是兩個(gè)彩色分量，代表色度信息.

3 算法

為使算法的嵌入量得到保證并具有良好的魯棒性與透明性，本文在Y，Cb，Cr三個(gè)通道中都嵌入水印信號(hào)，下面以Y分量為例做算法說(shuō)明，其余兩個(gè)通道類(lèi)似.

3.1 嵌入位置選擇

首先將圖像分成8×8互不重疊的塊，由于比較復(fù)雜的圖像塊具有較好的視覺(jué)掩蔽特征，我們可以利用這一特征，根據(jù)實(shí)際需要在塊中分別嵌入不同量的水印信息.可以在較復(fù)雜的塊中嵌入水印量多一些，在相對(duì)不復(fù)雜的塊中嵌入量少一些，甚至不嵌入.目前，有許多方法可以計(jì)算塊的復(fù)雜度，在圖像特征提取中通常用紋理特征、邊緣特征來(lái)表征圖像的復(fù)雜度，紋理越復(fù)雜、邊緣越多，說(shuō)明圖像復(fù)雜度越高，視覺(jué)掩蔽效果越好，可以嵌入的水印量就越多.通過(guò)計(jì)算圖像梯度的平均值來(lái)表征紋理的復(fù)雜度是常用的一種方法，通常梯度平均值越高，紋理特征越明顯，塊的復(fù)雜度就越大.本文通過(guò)計(jì)算塊的平均梯度值來(lái)確定塊的復(fù)雜度.

記X方向和Y方向的梯度為E(i，j):

梯度幅值為|E(i，j)|:

本文使用Sobel邊緣檢測(cè)算子來(lái)計(jì)算梯度幅值.Sobel算子表示如下:

塊(p，q)的平均梯度幅值在這里表示為Me(p，q):

每一個(gè)8×8塊中所選擇系數(shù)的數(shù)量與在該塊嵌入的水印數(shù)量相同，且所選系數(shù)的位置與水印嵌入位置一一對(duì)應(yīng).由于復(fù)雜塊的視覺(jué)掩蔽性好，魯棒性強(qiáng)，所以根據(jù)復(fù)雜度來(lái)確定每一塊所選系數(shù)的數(shù)量和塊嵌入量num(p.q)，nump.q由以下公式?jīng)Q定:

將密鑰K2作為偽隨機(jī)發(fā)生器種子，從所有塊中選擇N×N個(gè)中頻系數(shù)組成一個(gè)N×N大小的矩陣Yn＇.其中T1=100，T2=80.

3.2 水印嵌入

以Y分量為例.

3.2.1 水印置亂

利用密鑰K1將水印置亂，這樣做的目的在于增加安全性，同時(shí)增強(qiáng)抵抗剪切攻擊的魯棒性.

3.2.2 色彩空間轉(zhuǎn)換

將原始的彩色圖像由RGB格式轉(zhuǎn)換為YUV格式，并提取Y分量.

3.2.3 小波變換

對(duì)提取的圖像Y分量分成8×8的塊，作三層小波變換，變換結(jié)果如圖2所示.

3.2.4 DCT變換

對(duì)LL3、HH3子帶分塊，分成4×4的塊，并對(duì)每一塊作DCT變換.

3.2.5 嵌入水印

具體嵌入方法如下所示:

將每塊的16個(gè)系數(shù)按Z字形排列，選擇除DC系數(shù)以外的最重要的系數(shù)記為M，其值的絕對(duì)值的一半為A.將水印嵌入到LL3及HH3子帶中的DCT塊里，選擇除DC和系數(shù)M以外的若干系數(shù)嵌入水印(一般為中高頻位置的系數(shù)，設(shè)系數(shù)值為N)，設(shè)定嵌入因子為P，水印值為w.

其中嵌入因子P的大小可適當(dāng)選取，如果P非常大，則影響圖像的視覺(jué)效果，如果P特別小，則魯棒性較差.根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本文選取P值為6.

3.2.6 得到含水印圖像

將嵌入水印的子圖作DCT反變換，并作反置亂.進(jìn)而繼續(xù)將圖像作DWT反變換，并將YCbCr格式轉(zhuǎn)換為RGB格式，得到含水印圖像.

3.3 提取算法實(shí)施步驟

水印提取是嵌入的逆過(guò)程，下面仍以Y分量為例說(shuō)明過(guò)程.

3.3.1 色彩空間轉(zhuǎn)換及頻域變換

將含有水印的宿主圖像由RGB格式轉(zhuǎn)換為YCbCr格式，并提取Y分量，基于8×8分塊作三重小波變換.

將LL3、HH3子帶分塊，對(duì)每一塊作DCT變換.

3.3.2 提取水印

設(shè)嵌入水印后的系數(shù)絕對(duì)值為N＇，將每塊的16個(gè)系數(shù)按Z字形排列，選擇除DC系數(shù)以外的最重要的系數(shù)記為M，其值的絕對(duì)值的一半為A＇設(shè)提取出的水印值為w＇

用密鑰K1將提取的水印作反置亂，得到最后的提取出的水印結(jié)果.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選擇一幅512×512的圖像作為測(cè)試圖像，64×64的二值圖像作為水印，使用PhotoShop7.0對(duì)水印圖像進(jìn)行了一系列的攻擊，以下是圖1、表1、表2幾種攻擊所提取出水印結(jié)果.

圖1

表1 各種攻擊和水印檢測(cè)結(jié)果

表2 各種攻擊提取的水印效果圖

從攻擊結(jié)果來(lái)看，該水印算法對(duì)剪切、JPEG有損壓縮有很好的魯棒性，同時(shí)對(duì)模糊、噪聲也具有較好的魯棒性，但是對(duì)旋轉(zhuǎn)的魯棒性略有欠缺.

5 結(jié)論

本文提出了一種有效的數(shù)字水印方案，該算法利用DWT和DCT變換相結(jié)合，并提出了較新穎的水印嵌入位置，權(quán)衡了水印的不可視性和魯棒性，經(jīng)過(guò)二次加密，將水印嵌入到了圖像的小波中頻區(qū)域，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、算法容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)果和攻擊測(cè)試表明，該算法對(duì)剪切、JPEG、加噪聲、銳化等圖像操作具有很好的魯棒性，尤其是對(duì)剪切、JPEG等操作.但此方法在旋轉(zhuǎn)的情況下還缺乏足夠的穩(wěn)健性，還需要在今后做進(jìn)一步的改進(jìn).總的來(lái)說(shuō)，本算法在檢測(cè)過(guò)程中不需要原始圖像，此外計(jì)算也很簡(jiǎn)單，是一種比較有效的數(shù)字水印算法.

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