（计算机软件与理论专业论文）一种基于分块dct的双彩色图像水印算法研究.pdf

摘要 摘要 本文开头部分介绍了数字水印的一些相关概念、原理与技术、图像预处理 方面的知识等；接着以j - p e g 图像压缩编码、人眼视觉特性为基础，对基于d c t 域的一些图像水印算法进行研究；然后采用扩频技术，提出了一种基于分块d c t 的双彩色图像水印算法，算法描述如下： 首先，把彩色的水印图像和原始载体图像都从r g b 色彩空间转换到y c b c r 颜色空间，然后将水印图像和原始载体图像的y 、c b 和c r 分量都分别进行分块 d c t 变换，对水印图像的每一子块量化后保留它的低频系数，接着将得到的低 频系数编码成一维二进制序列后进行扩频和置乱，这样就得到了待嵌入的水印 序列。 其次，将之前生成的水印序列嵌入到原始载体图像的y 、c b 和c r 分量经 d c t 变换后的中低频系数中，然后通过d c t 逆变换和色彩空间转换得到含水印 的图像。 最后，根据位纠错的方法，在含水印图像中鲁棒性地提取出水印图像。 用v c + + 和m a t l a b 7 0 编程实现了本文提出的图像水印算法。对算法进行了 性能检验和攻击测试，实验结果表明，本文提出的算法具有良好的透明性和鲁 棒性。 关键词：扩频技术；图像压缩；y c b c r 颜色空间；分块d c t ；位纠错； a b s t r a c t a b s t r a c t t h i s p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e s an u m b e ro fd i g i t a l w a t e r m a r k i n gc o n c e p t s ， p r i n c i p l e sa n dt e c h n o l o g y , i m a g ep r e p r o c e s s i n gk n o w l e d g e ，e t c ；a n du s e sj p e g i m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n ga n dh v s 鼬b a s i c s ，s t u d y ss o m ed o m a i n - b a s e dd c t i m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ；t h e ni l s eo fs p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y , p r e s e n t sa b l o c k - b a s e dd c td u a l - c o l o ri i i l a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw h i c hi sd e s c r i b e da s f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h ec o l o rw a t e r m a r ki m a g ea n dt h eo r i g i n a lc a r r i e ri m a g ea l e c o n v e r t e df r o mt h er g bc o l o rs p a c et ot h ey c b c rc o l o rs p a c e t h e nd ot h eb l o c k d c to nt h eyc ba n dc rl a y e ro ft h ew a t e r m a r ki m a g er e s p e c t i v e l y t h el o w f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fe a c h s u b b l o e kw i l lb ee x t r a c t e dt oc o n s t r u c t an e w o n e - d i m e n s i o nb i n a r ys e q u e n c e b yp e r f o r m i n gs p r e a ds p e c t r u ma n ds c r a m b l i n go f t h eo n e - d i m e n s i o nb i n a r ys e q u e n c ew ew i l lg e tt h ew a t e r m a r ks e q u e n c e a tt h es a n l e t i m e ，t r a n s f e r r i n gt h eo r i g i n a lh o s tc o l o ri m a g ef r o mt h er g bc o l o rs p a c et ot h e y c b c rc o l o rs p a c ea n dt h e na l s od o i n gt h eb l o c kd c to nt h eyc ba n dc rl a y e ro f t h eo r i g i n a lh o s ti m a g er e s p e c t i v e l y , o fw h i c ht h ew a t e r m a r ks e q u e n c ei se m b e d d e d i n t ot h em e d d l e 仔e q u e n c ya n dl o w 仔e q u e n c yc o e f f i c i e n t s ，f i n a l l y , aw a t e r m a r k e d i m a g ec a l lb eg e n e r a t e db yr e v e r s ed c ta n dc o l o rs p a c et r a n s f o r m a t i o n , a n dt h e w a t e r m a r kc a nb er o b u s te x t r a c t e da c c o r d i n ga sb i t e r r o rc o r r e c t i o n 、 w eu s ev c + + a n dm a t l a b 7 0p r o g r a ma n di m p l e m e n tt h ei m a g ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i sp a p e r , c a r r yo u ts o m ep e r f o r m a n c ea c c e p t a n c ea n da t t a c k t e s t so ft h i sa l g o r i t h m ；e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h m h a sg o o d t r a n s p a r e n c ya n dr o b u s t n e s s k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y ；i m a g ec o m p r e s s i o n ；y c b c rc o l o rs p a c e ； b l o c kd c t ；b i te r r o rc o r r e c t i o n n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 签字日期：加v7 年少月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解煎昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 签字日期：矿口7 年，己月l 易日撕：篇辱7 辩嗍。刁叫狷坫h 第1 章绪论 1 1 选题的提出 第1 章绪论 现代社会是个信息技术和计算机网络飞速发展的社会，原来许多需要手工 操作的事已经逐渐转化为计算机代劳。信息涉及的技术方方面面，数不胜数， 本文选取的便是近年来研究很热的数字水印技术。我们知道，在互联网上传播 的不只是文件，还有图片、视频等信息，这些信息也称为数字化信息，正是这 些促进了通信的发展。人们在互联网上可以方便的获取信息的同时，也相应的 带来了一些值得我们重视的问题，主要是表现在信息安全方面。这是因为有些 非法者在没有得到授权的情况下，随意的拷贝、传播甚至对有关的内容进行的 删改，这就是如今藐们日常生活中最经常见的盗版。显然这种行为损害了版权 所有者的利益。面对着这些盗版，版权所有者在知道侵犯了自己利益的情况下， 往往无法有效的证明自己对作品的所有权，总是束手无策，不能保护自己的合 法正当权益。因此如何在日益发达的网络环境中，实施有效的版权保护和信息 安全手段成为一个亟待解决的现实问题。原来人们进行通信的方式常采用的是 文件，这些文件通常是重要，需进行保密，尤其是一些军事文件，人们为了保 护文件的信息安全，主要是运用密码学技术，将文件进行加密成密文，而这些 密文是通过特殊的格式转换为另一种同样是文字的信息，往往转换后的信息不 会引起人们的注意，使其在传输中不会被轻易地非法拦截、即使被非法拦截， 也难以破译，这样就将文件很好地保护起来了。然而随着计算机技术的发展， 基于传统密码学的版权保护技术日益暴露出存在的缺点和不足：首先，随着计 算机硬件技术的提高，使得计算机处理能力不断提升，仅仅是利用增加密钥长 度来实现保密的可靠性并不高。更重要的是一旦传输的文件被非法拦截者破解， 那么无论被复制、篡改，它将显得无能为力，这样它的安全性无法得到有效的 保障；其次，人们在网上发布的图片、文本、音频和视频等数字多媒体信息， 通常情况下，除了少数部分内容需要进行保密外，大多数的内容都还是用于正 常的交流为目的，但如果仅仅是为了版权保护的目的，而将信息全部转换成密 文，可是密文对于大多数人来说都看不懂，他们往往会认为这是没有用处的信 第1 章绪论 息，于是这些信息在人们面前将变得毫无意义，显然这样不符合信息的传播和 共享；还有就是一旦人们获得了密钥，那么就能轻易地进行破解其中的内容， 此时加密的密文在人们面前就完全成为了明文，这样人们同样可以方便地复制 和随意的传播，与版权保护的初衷相悖，显然这在现实应用中存在着一定的弊 端。 作为信息隐藏学的一个重要分支，近年来发展起来的数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 技术则为传统密码学技术存在的问题提供了一个潜在的有效解决 方案，同时也成为了国际学术界研究的前沿热点。数字水印技术是利用信号处 理的方法在多媒体数据中嵌入具有特殊意义的标识信息( 也称为水印) ，以此来 达到版权保护的作用，通常情况下，这种嵌入了标识信息的宿主媒体数据在主 观感觉上不会引起明显的质量下降，不易察觉。我们只有使用专用的检测器才 能检测并分析宿主媒体数据中是否存在着水印，并且水印应该具有一定的有意 或无意攻击能力，也就是水印既能满足不可见性又能很好地达到强稳健性的要 求，正是由于数字水印具有这些优势，其在我们日常生活中的应用非常广泛， 尤其是版权保护方面，而且越来越多的研究者都热衷并参与其研究。学术界普 遍认为数字水印技术可以作为抵抗多媒体盗版的“最后也是最厚的一道防线 ， 从这点很容易看出，水印技术具有巨大的经济效益【5 】和广阔的应用前景，不管是 从研究还是现实的角度来看，我把它作为毕业选题是很符合适宜的。 1 2 选题的意义 随着研究数字水印技术的大军日渐增多理论核心思想得到了很快发展和 延伸，产生了大量新颖且实用的算法，这样一来，在1 日算法与新算法的共同作 用下，水印技术在许多方面得到了应用，包括传统的和新近的领域，这些应用 在物质和精神方面给予人类及时雨似的帮助。 数字水印技术经过近些年来的发展，已经成为了当今国际前沿研究的一个 热门的领域，而且在版权保护中作出了一定的贡献，越来越受到了人们的青睐。 研究数字水印技术，有利于数字水印的应用及其自身发展的理论意义，推动数 字水印技术的发展。有利于创造社会的经济价值，更好地服务社会的经济建设。 2 第1 章绪论 1 3 数字水印技术的起源和现状 数字水印技术自2 0 世纪9 0 年代以来，经过了2 0 多年的蓬勃发展，成为了 信息安全领域的一个研究热点，在互联网普及的今天，它对网络信息安全起到 了重要的保护作用。1 9 9 4 年，v a ns c h y n d e l 在其发表的关于图像数字水印的文 章a d i g i t a lw a t e r m a r k 中，第一次提出了数字水印的概念，之后引起了人们的 关注并意识到了数字水印的重要作用，开始关注数字水印技术的发展。从1 9 9 5 年以后，数字水印技术不断引起广大研究人员的积极关注，掀起了数字水印研 究的热潮，并且得到了迅速的发展，英美等欧美国家先后6 次召开了信息隐藏 学术会议，讨论并推动了数字水印的发展。此外，还有一些著名的大学、知名 公司和政府部门等研究机构也相继投入到数字水印技术的研究之中，并取得了 一定的研究成果，国际上也有很多权威学术机构发表了相关的文章。我国水印 技术的发展当然不甘落后，一些研究单位及高校等也纷纷投入到数字水印的研 究，例如中科院，清华大学、北京邮电大学等。我国先后又举办了5 次信息隐 藏技术研讨会。同时，也将数字水印的研究列入了国家8 6 3 、9 7 3 等项目。虽然 我国针对数字水印的研究起步比较晓，但是也起得了一定的成就。 从公开发表的文献来看，当前对于数字水印算法的研究主要是基于图像的 数字水印算法。常见的有空域的基于最低有效位的图像水印，变换域的基于离 散余弦变换和基于小波变换。在空域，t r i k e l 等提出了基于最低有效位( l s b ，l e a s t s i g n i f i c a n tb i 0 的图像水印算法u 6 】，利用最低几位隐藏信息，应用简单，可容纳的 信息量大，但鲁棒性较弱。b e n d e r 等提出了p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方 法旧，该算法不可见性良好，鲁棒性较强，但仅适用有大量纹理的图像。在变 换域，变换域技术保证了水印容量，实现了良好的不可见性和鲁棒性，包括离 散余弦变换( d c t ) 、离散傅里叶变换( d f a ) 、离散小波变换( d w d 。c o x 等提出 了在对图像d c t 变换后将水印信息加到变换后的低频分量上【1 8 】，其水印信息采 取了服从g a u s s i a n 分布的随机实数序列，水印对压缩、剪切等有较好的稳健性。 b a n f f 提出了对图像做全局d c t 变换【1 9 】，将水印嵌入到中频系数中。r u a n a i d h 认为相位信息比振幅信息更重要【2 0 】，提出了图像的d f t 水印。k u n d u r 等人提出 了基于小波变换的私有水印和公开水印算法【2 1 】，将宿主图像和水印图像分别进 行小波变换。随后，越来越多的研究人员开始考虑到了人类视觉的重要性，并 提出了人类视觉的j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 模型。国内外众多的学者开始 第1 章绪论 纷纷提出了基于人类视觉系统的水印算法，并实现了自适应的嵌入水印。例 如，k a e w k a m n e r d 和k w o n 等人在d c t 域结合h v s 来确定水印的嵌入位置和强 度 2 2 - 2 3 ，实现了水印技术与h v s 特性的很好结合，水印对常见的各种攻击具有 鲁棒性。p o d i l c h u k 等在小波变换域内进行水印的嵌入和提取【2 4 】，采用h v s ，控 制嵌入水印信号的最大强度，避免了对图像视觉质量的破坏。在我国，黄继武 也提出了一种利用h v s 特性对水印图像块分类的自适应水印算法【2 5 】。w a n gh q 提出了模糊自适应的d c t 水印算法网，利用h v s 特性，采用模糊推理算法实 现水印的自适应嵌入。还有很多的学者进行了更进一步的研究改进。可以说， 人类视觉特性对于图像处理来说是非常重要的，合理的运用其特性，对于增强 图像水印的不可见性和稳健性具有重要的意义。 1 4 本文研究内容与结构安排 数字水印是个层次很深的技术，按水印所嵌入的原始载体，可以将数字水 印划分为图像水印、音频水印、视频水印等。相对音频、视频水印来说，图像 水印算是研究最多的分类，成果也比较丰富，尤其是彩色水印的出现，更蓬勃 了这个研究圈。由于在图像水印领域，目前对彩色图像水印进行研究的人较少， 特别是针对双彩色图像双水印算法的研究更少，所以在这方面专研是很有潜在 价值并且具有较大难度的。攻克学术时坚，实现自我价值是我坚持走水印这条 路的源源动力。 1 4 1 研究内容 本课题主要研究彩色图像数字水印的问题。并在目前已有图像数字水印算 法的基础上，研究在变换域中鲁棒的数字水印技术，主要的研究内容如下： ( 1 ) 水印图像的压缩：分析h v s 系统在对图像压缩后的给人的视觉效果， 并对量化在图像有损压缩中产生的影响进行分析。 ( 2 ) 水印的嵌入算法：重点研究水印图像的系数在宿主图像的y c b c r 空间 的嵌入容量及嵌入前后对宿主图像造成的影响。 ( 3 ) 图像的攻击类型：重点分析目前网络上常用的图像攻击类型，并研究 攻击后对含水印图像产生了什么影响，并分析含水印图像在各种攻击后发生了 4 第1 章绪论 什么变化。 1 4 2 重点解决的难题 ( 1 ) 水印图像的压缩：在水印图像的压缩过程中，根据h v s 的特性对图像 块分类，根据分类的情况对水印图像d c t 变换后的系数进行量化。 ( 2 ) 水印图像的嵌入：分析目前现有的嵌入算法的优缺点，并根据他们的 思想提出适合于自己的水印嵌入算法。根据宿主图像的纹理复杂程度，在y 、c b 、 c r 三个分量上嵌入相应的水印系数，并分析嵌入强度因子对含水印图像质量的 影响。 ( 3 ) 水印的鲁棒性：本课题主要针对一些常用的图像攻击类型，例如：高 斯低通滤波、椒盐噪声，几何剪切、涂改等攻击，用实验来验证提取到的水印 图像是否具有较好的识别性。 ( 4 ) 水印的检测：一般来说，水印的检测是水印嵌入的逆过程，本课题根 据嵌入算法的思想，提出较高鲁棒性的检测方法，最终实现清晰的水印图像提 取。 1 4 3 结构安排 本文的结构安排如下： 第l 章是绪论部分，主要讲述课题的选择背景、数字水印技术的应用领域、 起源和研究现状，并给出本文主要研究内容与结构安排，特别交代了研究过程 中重点解决的难题。 第2 章主要介绍数字水印的原理与技术，包括图像数字水印的相关概念及 典型的水印嵌入算法等，着重给出了图像数字水印算法的评价参数。 第3 章详细给出了本文的算法描述，即：一种基于分块d c t 的双彩色图像 水印算法，以及核心代码展示、嵌入流程图和程序运行界面截图等。 第4 章是算法性能评估与攻击测试部分，重点对本文提出的算法进行性能 和各类攻击测试，并对测试结果进行数据分析。 第5 章进行总结与展望，肯定了本算法的成果也分析了本算法的不足，在 此基础上，对今后数字水印的研究方向提出个人的些看法。 第2 章数字水印原理与技术 第2 章数字水印原理与技术 众所周知，在信息隐匿的相关研究当中存在很多相关技术，而本文探讨的 数字水印技术可以说是其一个非常重要的支系，也越来越被一些多媒体用于保 证信息的可靠性和安全性，同时，很多版权保护相关也采用了该技术。本章将 详细介绍数字水印的一些相关概念，原理和技术等。 2 1 数字水印的概念及特性 什么叫数字水印? 这个问题可以理解为在验证知识产权所有者身份时，将 一些所有者特有的信息加进去，从而可以在确认身份的时候通过检测，而权限 不够的也就是非知识产权所有者会因为通不过验证而确定不了水印是否存在 【。本文提到的数字水印技术可以理解为信息隐匿技术的一种扩展，它在我们计 算机应用当中有其一定的地位，并且它能够做到双重的安全【l 】，一则为是否添加 水印存在不确定性，我们不能非常确定对它进行认知；- n 是要提取某水印， 通常会进行加密，需要密钥才能通过验证，因而，完全可以用于处理信息安全 相关问题，同时，也提供了人们解决问题的新途径，这类问题包括多媒体的版 权及验证信息是否合法l l j 。 水印技术有很多相关特性，现将其主要几个方面介绍如下： ( 1 ) 对于使用者而言，具有不可见性【1 4 1 ：也有人称为是难以感知性、信息 隐匿性或使用透明性等，操作过程就是指把水印信息加入作品当中，使得该作 品集成两部分内容，一是原始作品数据，二是水印相关信息，其结果是即保护 了原创作品，又不致于影响人们对于作品视觉上的效果。 ( 2 ) 安全系数较耐1 4 】：在信息安全这一块，水印技术可以把水印相关资料 嵌入的位置以及嵌入了哪些信息都加密隐匿，使得未给授权的使用者无法获取 这方面的信息，从而保护了信息的安全。这一块的实现过程一般可以理解为通 过设计一些加密算法而进行预处理。 ( 3 ) 具有鲁棒性的特点【1 4 】：在算法中也有一些书命名为健壮性等，就是说 当我们在原创作品中加入了水印信息后，水印信息就和原创作品融为了一体， 6 第2 章数字水印原理与技术 不会因为一些非法操作或是人为破坏，而失去水印的特性，出现失真或是各种 不正常变化，具有相对稳定性。 ( 4 ) 唯一识别特性【1 4 】：在当今，高仿作品数不胜数，而水印技术的唯一识 别特性就可以为我们识别真假作品提供一个可靠的依据，并且，这种测试结果 可以上升为法律级别。因此，当人们为版权争论不休的时候，嵌入在作品中的 水印技术就可提供很有力的证据。 2 2 数字水印嵌入与提取原理 有关数字水印的算法很多，但归结起来有两层意思：一是如何将水印信息 加入作品中，- n 是加入作品后的水印信息如何能够检测或是获得。基本上所 有的算法都是以这两个方面为基础的，虽然有些嵌入、提取算法的流程图相当 复杂，但是对其步步拆解分析后，应该能将某部分简化为下图2 1 、2 2 所示。“ 水印w 原始媒体信息x 密钥k 图2 1 加入数字水印图 7 加水印的媒体 信gf ( 聊 第2 章数字水印原理与技术 水印w 或 原始媒体信息 待测试媒体信 息f ( 密钥k 水印或置 信度测量 图2 2 检测获取数字水印图 我们可以把数字水印相关信息加入到产品中，假设水印信号为形= 以七) 而产品定义为x o = x o ( 七) ) ，整个加入过程的最简单方法【l 】有： 内= 删f j i ；) + x o o ) 相加方法 ( 2 1 ) 内= 鳓倒w 传x o ( k ) 相乘方法 ( 2 2 ) 2 3 典型的数字水印算法 在当今的水印技术领域，有关数字水印方面的成果是越来越多，算法和成 就都得到了巨大的发展，很多参考书中都有详细的介绍，下面就对典型的三类 算法进行介绍。算法中，有可以适用图象数据的，也有可以适用音频数据的。 2 3 1 空间域的算法 一般情况下，我们通常使用的是一种命名为空间域的算法，这种算法简单， 而将水印信息随机地加入到获取的不是特别重要的像位上就是该种算法的典型 【2 】，这样做的好处就是，使得加入的水印信息绝对保密，非验证通过，用户不能 获取内容 2 1 。另外，在检测端，想要得到加入在作品中的水印数据，我们得将提 取的水印信息与初始信息进行对比，从而最终确定是否存在水印【2 】。当然，这种 算法也存在一些问题，那就是该算法健壮性稍差，加入在作品中的水印信息易 被攻击损坏【z j 。 8 第2 章数字水印原理与技术 2 3 2 变换域算法 变换域算法，采用了扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术， 与空间域算法相比，变换域算法的优点主要是：物理意义清晰；可以充分利用 人类的感知特性；不可见性和鲁棒性较好；与国际压缩标准( j p e g 、m p e g ) 相兼 容。主要方法与空间域水印方法比较，一般来说，具有以下几点： ( 1 ) 在变换域中包含离散余弦变换( d c t ) 嘲、离散傅里叶变换( d f t ) 、离散小 波变换( d w t ) 【6 】等。将水印信息通过该算法加入作品中后，表示该信息的信号可 能会游离到整个空间的任何一个地方，因此对于确保水印的不易发现特性非常 有利，因为破坏都无从下手。本算法正是基于o c t ，选择它的理由是：离散余弦 变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，d c t ) 以其计算比较简单、易实现和与目 前流行的国际压缩标准( j p e g 、m p e g 等) 兼容等自身特有的优点成为众多水印 算法中研究最多的一种。d c t 首先需要把图像进行8 8 的分块，然后进行i ) c t 变 换，经变换后得到的d c t 系数从低频到高频按照z i g z i g 次序进行排列，第一个 值( 左上角) 为直流系数( d c ) ，其余为交流系数( a c ) 。d c t 系数中左上角部分为 直流和交流低频系数，中间部分为交流的中频系数，右下角部分为交流的较高 的频率参数。鉴于各具有不高的特性，我们通常会保存该图的中或偏低的频率 部分。理由是，高频易被处理掉。大多数能量将在中低频这一块，且人们对这 一块也特别敏感。 ( 2 ) 在变换域，人类视觉系统和听觉系统的某些特性( 如频率掩蔽效应【6 】) 可以更方便地结合到水印编码过程中，更好地满足鲁棒性和不可见性之间的平 衡 6 1 。 。 。 ( 3 ) 变换域的方法与数据压缩标准相兼容，从而实现在压缩域内的水印算 法，同时，也能抵抗相应的有损压缩，提高了水印的稳健性1 6 1 。 正因为上述优点，变换域水印方法已成为了当今水印技术研究的主流，在 实际应用中已经得到了较快的发展并取得了丰厚的成果。 2 3 3 压缩域算法 不同于前两类算法，这是一类涉及j p e g 、m p e g 标准的压缩域数字水印算法【2 】。 我们可以把这两种较为规范的算法应用于数字水印系统当中，这样做的好处是： 一能省掉很多需要完全解码或是需要二次编码的流程，二是该技术具有相当大 9 第2 章数字水印原理与技术 的实用性，尤其在数字电视和广播以及v o d 方面具有很大的发展潜力。 2 4 图像数字水印算法的评价参数 对水印方案的评估是需要将多方面的因素考虑进来，主要有健壮性评估， 还有在操作过程当中出现变异后需要做一些人为或数量上的评估。通常水印鲁 棒性与不可见性之间存在着一定的矛盾，需要进行折衷旧。综合来说，水印鲁棒 性和不可见性主要依赖于水印容量和水印的嵌入强度【3 1 。水印容量非常重要，因 为它直接影响水印的鲁棒性。对同一种水印方法而言，如果嵌入的信息量越多， 水印的鲁棒性就会比较差，但是如果嵌入的信息量很少，虽然鲁棒性得到了一 定的保证，然后恢复出来的水印可能不足以证明版权所有【6 】。水印的嵌入强度和 水印不可见性这两者之间是矛盾关系，需要折衷。为了提高水印的鲁棒性就要 增强水印的嵌入强度，相应地会影响到水印的不可见性。因此，水印的嵌入强 度应采用适中的值，以便平衡不可见性和鲁棒性之间的互斥【6 】。 怎么样才能认为检测算法比较适用一直没有一个固定的说法，也无一种能 够兼顾多用户的各种需求，没有一种通有的途径【3 1 。假如下面看到的是m n 的 一张图i ，接下来我们讨论下用得较多的几个参数，这些参数在检测过程中有很 大的用处。 ( 1 ) 不易发现的特性 6 1 ：当然，这个特性也是用来检测水印技术的第一要求， 尤其是对于不可见的那种，需要我们加入在作品中的信号不能超过作品本身的 信息强度，这样子使用都就不能填接从图像中获取水印信息，否则这个算法就 是彻底的失败，违背了信息隐藏的初衷。 ( 2 ) 最大信噪比的概念【6 】：把水印信号加入作品当中后，检测在该噪音情况 下，信噪比的变化，记下最大的值，作为重要参数之一，当然，该值的代表性 有限，但仍然具有相当的参考价值，尤其从健壮性来分析。在图像处理中，通 常采用峰值信噪比p s n r 来定量评价含水印图像的质量，它定义为 m a x l 2 。疗 p s n r - - - 10l o g 。nm a t 7 型百 一” ( ，历厂瓦，一厂 翟 ( 2 3 ) 我们可以约定，n 是初始图里的一个点，。m , n 则为将水印信息加入后图的一个 l o 第2 章数字水印原理与技术 点。就一般而言p s n r 值越大图像质量保持就越好。 ( 3 ) 相似度参数【6 】：我们可以将水印信息从作品中获取出来，用一个算法 来确定其与未加入印信息作品的相似度，得到个商来作为断定是否相同的依 据，也就是如果商为1 就完全一样，当然这是个理论说法，实际中不可能存在； 接近1 表示两者相似，越接近越相似。归一化相关系数定义为 l ，刀l ，刀 = 专i l 一r 脚，疗 ( 2 4 ) 2 5 本章小结 在这一章里，主要阐述了图像的一个操作流程，首先是描述了该项技术的 一些概念，接下来阐述了如何将水印信息加入到作品中以及加入后如何从作品 获取水印信息的一些经典算法。最后，还讨论了下水印算法的好与不好应该从 哪些参数来进行评价及一些公式。 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 本算法不仅载体图像是彩色图像，采用的水印图像也是彩色的，故称之为 双彩色图像水印。由于彩色水印图像数据量大，为便于嵌入故需对其压缩。本 文水印嵌入过程主要由以下步骤完成：( 1 ) 水印图像压缩。( 2 ) 水印序列生成、 扩频和置乱。( 3 ) 水印嵌入。 3 1 水印嵌入过程 3 1 1 水印图像压缩 本文的水印图像是采用j p e g 压缩编码【4 1 来压缩的，j p e g 压缩编码算法的 主要步骤如下： 色彩系统变换 正向离散余弦变换( f d c t ) 量化( q u a n t i z a t i o n ) z 字型编码( z i g z a gs c a n ) 压缩过程如下图： 图3 1j p e g 压缩过程 1 2 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 这些过程也被称为图像的预处理过程，接下来分步骤详细描述。 ( 1 ) 色彩系统变换 计算机上最常用的色彩模型，包括许多图像格式都是采用r g b 三色模型【4 】， 由于本文的水印图像是采用j p e g 压缩编码来压缩的，而j p e g 采用的是y c b c r 色彩模型，其中y 、c b 和c r 分别代表亮度、色度、饱和度 4 1 ，因此需要将r g b 空间的水印图像转换到y c b c r 色彩空间，其相互转换公式如下： 】， c 6 c ， l 隙 吲 o 5 8 7 0 0 3 3 1 3 0 4 1 8 7 o o 1 1 4 00 o 5 0 0 01 2 8 一o 0 8 1 31 2 8 0l 1 0 0 0 0 0 0 0 1 4 0 2 1 0 0 0 0 3 4 4 1 4 0 7 1 4 1 1 0 0 01 7 7 2 0 00 0 0 0 r g 召 1 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 2 ) 正向离散余弦变换( f d c t ) ( 4 1 j p e g 对，y ，c b ，c r 分别做d c t 变换。把整个分量图像分成8 8 图像块， 如图3 2 所示，如果原始图片的长宽不是s 的倍数，都需要先补成8 的倍数。另 外，c b ，c r 都是2 * 2 记录一次，所以大多数情况，是要补成1 6 1 6 的整数块。 按从左到右，从上到下的次序排列。 图3 2 离散余弦变换 ，- l 磅 图像经二维d c t 变换后，其系数可以分为一个d c 分量和一系列的a c 分 量，其中，d c 分量表示平均亮度，a c 分量集中了原图像块的主要能量。而a c 分量又由3 部分组成，即低频部分、中频部分、高频部分。其中，能量主要集 o 盯o 孵堋o 眦m 1，j 8 8 2 2 1 l 1 j y 一 一 6 rd 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 中于低频系数中，中频系数中聚集着图像的一小部分能量，高频系数则聚集着 更少- 4 , 部分的能量。在j p e g 压缩时，首先抛弃的就是a c 分量中的高频成分， 因此，所有把水印信号嵌入中低频部分的算法一般都具有较好的抗j p e g 压缩、 抗缩放重采样性。通过d c t 变换，把图片里点与点间的规律呈现出来了，把能 量集中在少数几个系数上。 ( 3 ) 量化 二维离散余弦变换目前最常使用的有损数字图像压缩系统是j p e g 系统的 核心。它是先将图像进行分块( 8 x 8 或1 6 x 1 6 ) ，当前通常采用8 x 8 的子块进行变 换，这是因为随着子块尺寸的增加，会导致算法的复杂度急剧上升，但是采用 较大的子块可以明显减少图像分块效应。然后对所有的分块进行d c t 变换，图 像经过d c t 变换后的高频部分较小，其系数通常为零，由于人眼对高频部分的 失真并不敏感，因此，在保证图像质量的前提下，为了消除数据冗余，丢弃对 人类视觉系统视觉效果影响不大的信息，我们可以对d c t 系数采取相应的量化 处理，减小高频系数，最终达到无损压缩的目的。量化是对经过f d c t 变换后 的频率系数进行量化，将d c t 系数按比例缩小，并取其最接近的整数值的处理 过程。d c t 变换系数除以量化表中对应位置的量化步长并合入小数部分后，多 数变为零，量化的目的是减小非o ，系数的幅度以及增加“o ”值系数的数目从而达 到了压缩的目的，所以说量化是图像质量下降的最重要原因【4 】。因为人眼对亮 度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：如表3 1 所示的亮度量化 值和表3 2 所示的色差量化值，量化表为8 x 8 矩阵，与d c t 变换系数一一对应。 在基于d c t 的变换编码中，大多数情况下都是先将图像是进行分块( 8 x 8 或 1 6 x 1 6 ) 处理，然后再对各个图像块进行d c t 变换，然而这种变换只是一种局 部的变换，仅仅反映了图像的部分信息。当然，为了体现整幅图像的特点，也 可以对整幅图像进行d c t 变换，但是这样计算量将增大，运行速度要远比分块 d c t 慢。d c t 变换有以下几个特点：( 1 ) 图像经d c t 变换后，能量主要集中到 低频部分，即图像中不为零的系数大多集中在左上角区域，这样使得编码效率得 到提高。( 2 ) 图像经d c t 变换后，它只是从空间域转换到变换域上，而这种变换 往往是无损的，使之更能有效地被编码。( 3 ) 图像经d c t 变换后，原图像块的细 节部分没有保留，从而反映不了原图像块的边缘、轮廓等信息，这一特点是由 d c t 缺乏时域性造成的。 1 4 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 表3 1 亮度量化值表 1 71 8 2 4 4 7 9 9 9 9 9 99 9 1 82 12 66 69 99 9 9 99 9 2 42 65 69 99 99 99 99 9 4 76 69 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 99 99 9 9 99 99 9 9 99 9 表3 2 色度量化值表 1 6l l1 01 62 44 0 5 l6 1 1 21 21 41 92 65 86 05 5 1 4 1 3 1 62 44 05 76 95 6 1 41 72 22 95 18 78 06 2 1 82 23 75 66 81 0 91 0 37 7 2 43 55 5 6 4 8 1 1 0 41 1 39 2 4 96 47 88 71 0 31 2 11 2 01 0 1 7 29 29 59 81 1 21 0 01 0 39 9 ( 4 ) z 字型编码( z i g z a gs c a n ) 量化是压缩最关键的一步，但是量化后的系数需要重新排列，这样做是为 了增加连续的“o 系数的个数，就是“0 的游程长度，如图3 3 所示，按照z 字形的式样编排【4 】如。游程长度编码指的是由z 字构成的数据流中各个字符连续 重复出现而形成字符串的长度，即游程长度编码是指一个码可同时表示码的值 和前面几个零【4 】，这样就可以把z 字形读出的优点显示出来了。如图3 4 所示， 通过f d c t 、量化、z 字型编码这样就把一个8 * 8 的矩阵变成一个1 6 4 的矢量， 频率较低的系数放在矢量的顶部。 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 图3 3 量化d c t 系数的序号 肛囊敦开 图3 4 量化d i 玎系数的编排 量化后的a c 系数通常会有许多零值，以z 字形路径进行游程编码有效地 增加了连续出现零值个数。 ( 5 ) 本文水印图像的压缩步骤 上文中，式( 3 i ) 是将r g b 图像转换成所需要的y c b c r 色彩空阆的图像， 式( 3 2 ) 是将y c b c r 色彩空间的图像转换到r g b 空间。因此，将r g b 空间的 水印图像按式( 3 1 ) 转换到y c b c r 色彩空间，分别记为y l 、c b l 、c r l 。 设图像，= f ( i ，) ，i ，j = 0 , 1 ，n 一1 ) ，则其正向二维d c t 变换如下： 脚加篓鼢磁v 胍加。s 警c o s 掣 3 ， 逆向d c t 变换为： 1 6 第3 章基于分块d c t 的双彩色图像水印算法方案 7 r ( f ，) ：n - i n - i c ( “) c ( 1 ，) f ( 甜，力c o s 7 t u ( f f i + 1 ) c o s n v ( 2 j + 1 ) (3lv-z j v - t 4 ) 巾，歹) - “函一w 0c ( “) c ( 1 ，) 地力c 。s z 州i c o s 百l ( 4 ) i y 卸 二yy 肌= 8 以0 ) = 船炉心) = 屏州，2 n - 1 。 由于j p e g 压缩标准是以8 * 8 的数据块为单位处理的【，所以n = 8 。因此需 要将水印图像的y 。、c b 。和c r 。三个分量分别分成8 * 8 的图像数据块，并定义如 下：y ：，c b ：，c r ：分别为y ，、c b ，和c r 分量的第k 个8 * 8 图像数据块，y ：、 c b ? 和c r ? 经d c t 变换后分别为d y ：、d c b ，d c r ? ，对d y ? ，d c b ：、d c r ： 采用直流系数( d c ) 除以8 、交流系数( a c ) 除以4 的方法进行量化并按z i g z a g 排 序 7 1 后分别记为d q y ：，d q c b ：、d q c r ；，采用此量化的目的是尽可能使低频 量化后的d c t 系数不为0 ，即尽量避免有损压缩带来的图像失真。由于d q y ? 、 d q c b 、d q c r ：的较大d c t 系数往往集中在低频区内，而且根据人眼的视觉特 性，分别保留d q y ：、d q c b ：、d q c r ：的前2 0 、2 0 、5 个d c t 系数。 3 1 2 水印序列生成、扩频和置乱 将待嵌入的水印系数编码成二进制序列后进行互不重叠周期延拓【7 a 2 1 。具体 操作如下：将在d q y ：，d q c b ；和d q c r ：三个分量上保留的d c t 系数依次编 码成二进制序列，然后将这三个分量得到的二迸制序列依次合并成序列 w d c t i 】，( f = 0 ，1 ，2 n 一1 ) ，n = n b i o c k 4 5 幸9 ，其中，甩6 肠如为水印图像三 个分量8 * 8 子块的总数量，然后对w d c t i 】进行扩频处理【8 i ，得到扩频后的水印 序列为s p r e a d j 】= w d c t j n ( j = 0 ，1 ，2 n 册一1 ) ，其中册是根据水印图像 与原始载体图像的大小计算得到的扩频位数。将扩频序列与一个通过密钥劬产 生的同长度伪随机序列( 由0 ，1 组成的序列) 进行异或得到真正要嵌入的水印 序列w a t e r j 】= r a n d j s p r e a d j 】，其中，_ ，= 0 ，1 ，2 n 母册- 1 ，o 是异或操 作。 3 1 3 水印嵌入 借鉴文献【s 1 3 】的嵌入算法思想，首先将r g b 空间的原始载体图像按式( 3 1 ) 转换到y c b c r 色彩空间中，并记为y 2 、c b2 、c r 2 。然后将y 2 、c b 2 和c r 2 三 个分量依次按8 * 8 块进行d c t 变换、z i g z