高分辨率圖像抗打印掃描數(shù)字水印算法改進研究
2014-04-29 00:00:00陳新
計算機光盤軟件與應用 2014年1期
摘 要：目前，從掃描圖像中提取出水印比較困難。本文結(jié)合數(shù)字水印的應用背景和研究現(xiàn)狀，提供了一種能夠抵抗打印和掃描的數(shù)字水印算法，先將高分辨率圖像分塊并進行下采樣，以保證對圖像的非幾何形變影響較小，然后在相應的塊中嵌入導頻和水印圖樣。實驗結(jié)果顯示：本文提出的水印算法對高分辨率圖像具有很好的魯棒性。
關(guān)鍵詞：抗打印掃描；下采樣；高分辨率圖像；導頻
中圖分類號：TP391
隨著計算機網(wǎng)絡和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)已得到廣泛應用，數(shù)字聲音、文本、圖像、音樂和視頻等電子出版物可以快速準確的獲取、傳輸和儲存。隨之而來的數(shù)字媒體的信息安全，知識產(chǎn)權(quán)保護和認證等問題也變得日益突出，已成為數(shù)字世界中一個非常緊迫的重要議題。
1 抗打印掃描數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
典型的基于頻域的數(shù)字水印算法有黃繼武等人提出的自適應水印算法和DCT域數(shù)字水印算法，劉傳才等提出的關(guān)于真彩色圖像的DCT域數(shù)字水印算法，南京理工大學戴躍偉等人利用DFT的旋轉(zhuǎn)不變性，提出一種修改圖像傅里葉變換幅值譜，在某一圓環(huán)上加入水印的方法，用這種方法在證件上嵌入防偽標記。
2 抗打印掃描的水印算法
根據(jù)水印加載方法的不同，可以分為空間域和變換域水印兩大類?？勾蛴呙杷∷惴ɑ径际窃谧儞Q域?qū)崿F(xiàn)的。變換域水印又可以分為DCT域水印算法、DFT域水印算法和其他變換域算法，本實驗使用的是DCT域水印算法。
2.1 離散余弦變換
由Cox等人提出的擴頻通信水印算法是在DCT域?qū)崿F(xiàn)的較經(jīng)典的數(shù)字水印算法。以每個變換系數(shù)代表二進制水印的一位，分別修改多個DCT變換系數(shù)，在圖像幅值譜中嵌入二進制水印。打印掃描過程對像素值和頻域系數(shù)的影響可初步概括為：
（1）對低頻成分影響小，對中高頻系數(shù)的影響大。
（2）單個像素值或頻域系數(shù)的變化具有偶然性，且變化幅度起伏較大。這種隨機起伏現(xiàn)象給印刷品嵌入水印帶來很大難度。
實現(xiàn)固定歸一化相關(guān)的嵌入器是一個簡單的幾何問題，嵌入?yún)^(qū)域是一個以參考向量wr為中心的椎體表面部分，因此，只需要找出椎體上與給定點v0距離最近的點就可以了。很明顯，這些點位于同時包含wr和v0的平面內(nèi)，這樣，可以通過Gram-Schmidt規(guī)格化正交，為這個平面尋找兩個相互垂直的坐標軸，從而把這個問題轉(zhuǎn)換成二維問題。
（1）
（2）
平面上每個點都能用坐標值x和y表示為Xx+Yy，X軸與參考向量重合。v0的坐標是：
xv0=v0*X （3）
yv0=v0*Y （4）
嵌入?yún)^(qū)域與XY平面交與兩條直線。因為yv0為正值，所以最近的點應在上半平面的線上。其中xt=cos（θ），yt=sin（θ），而角θ嵌入?yún)^(qū)域的錐形內(nèi)角。由于θ=arcos（tnc），tnc是期望的歸一化相關(guān)性，于是有：
xt=tnc （5）
（6）
在通過xt，yt的直線上，距v0最近的點為：
xvw=xt（xtxvo+ytyvo） （7）
yvw=yt（xtxvo+ytyvo） （8）
最后v0水印版本由給出。
vw=xvwX+yvwY （9）
通過使用式（1）-（9），可以為一個利用歸一化相關(guān)作為檢測統(tǒng)計值的系統(tǒng)構(gòu)造一個含輔助信息的嵌入器。
（3）對每一塊的系數(shù)實行離散余弦逆變換，得到圖像Iw。得到Mask：
Mask=Iw-I （10）
將Mask進行上采樣，至原來圖像分塊圖像的大小，嵌入結(jié)束。
2.2 水印的生成
實驗中有兩種類型的水印信號。其中一種是導頻信號p，它是嵌入到特定位置塊中的高斯白噪聲。通過對導頻信號的提取，來判斷掃描后圖像中是否含有水印。另外一種信號是水印負載{bi}，對其進行調(diào)制如下：
，其中bi∈（0，1）或者bi∈{-1，1}。
2.3 在下采樣圖像中嵌入和提取水印
2.3.1 基于分塊DCT的嵌入水印步驟
（1）將原始圖像分塊，分塊大小為640*640，將每塊標記好位置。
（2）將每一個分塊圖片下采樣，本實驗中采用的下采樣率為k=10，在采樣后的圖像中嵌入相應水印。在藍色塊中嵌入導頻信號p，在其他部分嵌入調(diào)制后的水印圖樣w。采樣后圖像記為I。
（3）對每一塊分別操作，嵌入算法在DCT域，每塊采樣圖像進行離散余弦變換。
（4）對DCT系數(shù)采用含輔助信息的嵌入，設(shè)置固定歸一化相關(guān)的嵌入器。
（5）對每一塊的系數(shù)實行離散余弦逆變換，得到圖像Iw。得到Mask。
直至所有的分塊都嵌入了相應的水印，嵌入結(jié)束。
2.3.2 含輔助信息的線性相關(guān)檢測
（1）將掃描圖像進行下采樣并分塊，于給定的導頻信號p進行相關(guān)運算，選定一個閾值標準，判斷該區(qū)域是否含有導頻信號。若檢測不出導頻信號，則認為整幅圖像中不含有水印圖樣。
（2）若步驟（1）含有導頻信號p，在其他分塊中，將每一塊系數(shù)與ui做相關(guān)，如果相關(guān)率大于某一門限，則可認為水印負載bi為1，否則為0。這樣解調(diào)出水印負載，即加入到圖像中的有效信息。
3 對算法的進一步探討
3.1 研究嵌入強度α對算法的影響
本文中采用不同的嵌入強度α進行一系列實驗。研究其對圖像的保真度及檢測結(jié)果的影響偏差。修改α值及相應的檢測閾值，達到最佳的嵌入及檢測效果。
實驗結(jié)果表明，采用不同嵌入強度，對圖像保真度有一定影響。嵌入強度越大，圖像的PSNR越小，保真度越低。所以，選擇合適的嵌入強度是關(guān)鍵因素。
3.2 研究圖像的對抗JEPG壓縮特性
本節(jié)實驗將嵌入水印作品寫入JPEG文件，以品質(zhì)因數(shù)60、80、100寫入，并進行打印掃描，對比其提取水印的效果。這里嵌入強度使用α=0.6。圖像分辨率采用600ppi。結(jié)果表明，該算法的抗壓縮效果較好，算法具有很好魯棒性。
4 結(jié)束語
本文提出了一個適用于高分辨率圖像的水印嵌入和提取的算法。水印信號嵌入到下采樣的圖像中，從而減少了在打印過程中的非幾何形變。導頻用來檢測是否含有水印，大大減少了檢測的工作量。
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作者簡介：陳新（1974-），男，四川達縣人，教師，本科，學士，研究方向：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件工程。
作者單位：廣東省培英職業(yè)技術(shù)學校，廣州 510630
