（计算机应用技术专业论文）基于阈值调整的半色调数字水印算法研究.pdf

中文摘要 在许多打印和出版应用中，需要在半色调图像中嵌入数据用于作品的版权保 护和认证，因此，研究与常规数字水印“1 不同的半色调数字水印技术有着重要意 义。 半色调数字水印研究的关键问题是，如何在有限信息熵的半色调图像上通过 形成模式来隐藏信息，同时保证半色调图像的视觉效果和水印嵌入能力。本文主 要针对两种已有半色调数字水印算法存在的水印嵌入能力不足和半色调数字水 印图像视觉效果的问题，在水印图像中引入数字置乱技术，提高了半色调水印图 像的视觉效果和水印嵌入能力；针对水印安全性不足的问题，在水印嵌入的半色 调过程中使用混沌数字序列，对半色调数字水印进行了加密，保证了水印的安全 性；针对两种水印算法在阈值调整策略上的不足，提出了一种新的阈值调整策略， 该策略采用较小的阈值调整矩阵，并且考虑了人类视觉系统( h v s ) 特性，兼顾 了半色调图像质量和水印嵌入能力。 通过基于人类视觉系统的半色调质量评价方法证明，本文提出的改进算法， 在半色调水印图像的视觉效果上有了较大的进步；通过水印图像抗噪声测试，水 印嵌入能力也有明显提高：加密保证了水印的安全性；在通用性方面，可以应用 在常见的十多种误差扩散半色调核上。 关键词：半色调数字水印，人类视觉系统，置乱，混沌，阈值调整 a b s t r a c t i nm a n yp n n t i n ga n dp u b l i s h i n ga p p l i c a t i o n s ，i ti sd e s i r a b l et oe m b e dd a t ai n h a l f t o n ei m a g e sf o rc o p y r i g h ta n da u t h e n t i c a t i o np u r p o s e s s o ，i ti ss i g n i f i c a n tt ot a k e m o r ee f f o r t st ow o r ko v e rh a l f t o n ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gd i f f e r e n tf r o mr e g u l a rd i g i t a l w a t e r m a r k i n g t h ek e yq u e s t i o nt or e s e a r c hh a l f t o n ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sh i d i n gi n f o r m a t i o n i nh a l f t o n ei m a g e so fl i m i t e di n f o r m a t i o ne n t r o p yt h r o u g hf o r m i n gr u l e s ，w h i c h e n s u r e st h ev i s i o ne f f e c to f h a l f t o n ei m a g e sa n de m b e d d i n gc a p a b i l i t yo f w a t e r m a r k i n ga tt h es a m et i m e m a i n l ya i m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo fe m b e d d i n g c a p a b i l i t ya n dt h ed i s s a t i s f y i n gv i s i o ne f f e c to fw a t e r m a r k i n gh a l f t o n ei m a g ea t p a r t i c u l a rc o n d i t i o n so ft w oe x i s t i n gh a l f t o n ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ，t h i s p a p e ra d d sd i g i t a ls c r a m b l et oi n c r e a s ev i s i o ne f f e c ta n dw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n g c a p a b i l i t y , u s e sc h a o sd i g i t a ls e q u e n c ei nt h ep r o c e s so fw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n g h a l f t o n e ，e n c r y p t st h e h a l f t o n ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt oe n s u r et h e s e c u r i t yo f w a t e r m a r k i n g f i n a l l y , t h ep a p e rp r o p o s e san e wt h r e s h o l da d j u s t m e n ts t r a t e g yt o r e s o l v et h ed i s a d v a n t a g e so ft h et w oa l g o r i t h m s ，w h i c hu s e sas m a l l e rt h r e s h o l d a d j u s t m e n tm a t r i x ，h u m a nv i s i o ns y s t e mb e i n gc o n s i d e r e d ，h a l f t o n eq u a l i t ya n d w a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gc a p a b i l i t yt a k e ni n t oa c c o u n ta l s o t h r o u g ht h eq u a l i t ym e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nh u m a nv i s i o ns y s t e m ，i ti s p r o v e dt h a tt h en e wp r o p o s e da l g o r i t h mi nt h ep a p e rg r e a t l yi m p r o v e st h ev i s i o n e f f e c t ，i n c r e a s e st h ec a p a b i l i t yd i s t i n c t l yt h r o u g hw a t e r m a r k i n gi m a g ea n t i - n o i s et e s t s ， i m p r o v e sg r e a t l yt h es e c u r i t yi sd u e t ot h ew a t e r m a r k i n ge n e r y p f i n g m o r e o v e r , i tc a n b eu s e do nm o r et h a nt e nr e g u l a re r r o rd i f f u s i o nh a l f t o n ec o r e sg e n e r a l l y k e yw o r d s ：h a l f t o n e w a t e r m a r k i n g ，h v s ， s c r a m b l e ， c h a o s ， t h r e s h o l d a d j u s t m e n t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：蜀良秀毒昌 签字日期：口年0 月27 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：券象福 签字日期： 口年0 月砷日 导师签名：；蕾断享 签字目期：6 占年乎月2 ) 日 第一章引言 第一章引言 现有的常规数字水印技术( 多色调图像数字水印、音视频数字水印) 随着 数字化进程的不断推进以及互连网络的迅猛发展，已经越来越完善，并逐渐形成 完备的理论和技术，在实际中也得到了越来越广泛的应用。然而，无论是从文献 上的论文数量还是理论研究结果看，半色调技术以及基于半色调的数字水印技术 在国内的研究较少，技术和理论的发展相对迟缓。因此有必要在半色调技术以及 半色调数字水印技术方面进行深入的研究。 常规的数字水印技术并不适用于半色调图像，半色调技术从传统半色调( 传 统印刷技术和摄影技术) 发展到如今的数字半色调技术( 数字印刷和摄影技术) ， 无论是从技术还是理论方面，都和常规的图像技术有很大的不同，无法简单的将 常规的数字水印技术应用到半色调图像上来。本文将对应用于半色调图像的数字 水印技术进行深入讨论。 1 1 半色调数字水印的产生背景和研究意义 在这个信息膨胀的时代，各种信息通过不同的媒介传播和储存。纵观各种信 息介质，电存储介质、磁存储介质和光存储介质等目前的主导媒介，他们具有高 速、大容量、高可靠性等特点。但这些介质都是面向计算机或各种电子设备的， 人很难甚至无法直接阅读和理解。各种信息被人理解，需要依赖于各种输出设备。 显示器和音频设备是实时传达信息的设备，它所表达的信息稍瞬即逝，不能被看 作存储介质。所以纸无疑成为最主要的面向人的介质，可以方便的存储、表达人 所感兴趣的图、文等信息，人也可以随意的在纸上做修改和加工。甚至可以说， 纸是最接近人类本能的用户界面，这也是纸和各类印刷品不能被取代的原因之 一。另一方面，打印出的图文却是计算机最难理解的信息。这就提出了另一种要 求：在纸上表示一些计算机易于理解的东西，如条码和二维条码正是这种需求的 产物。各种印刷品、资料要实现计算机辅助管理都少不了这样的数字标记，否则， 靠计算机识别文档内容来整理分类是很难、也是不可靠的。 半色调数字水印的研究意义在于纸质文档应用的长期不可替代性。尽管现在 电子文档普遍被应用，但使用纸质文档来记录和保存信息的状况还将继续在将来 第一章引言 很长的时间内保持不变。这是因为，一方面，电子文档相对于纸质文档有其自身 的局限性：不如纸质文档阅读那样方便，阅读离不开电子设备的支持；另一方面， 电子文档更易被编辑和篡改，一些重要的契约、证件等如果被修改，后果将非常 严重。纸质文档的长期不可替代性，促使人们研究保护纸质文档内容安全性和完 整性的数字水印技术。 除了纸质文档中内容安全性和完整性的保障之外，半色调数字水印的研究意 义还在于，实际应用中存在着需要用数字的二值图像来表示灰度图像的应用场 合。比如，要求保证无误传输的安全电传机的应用。一些文件以传真的形式发给 接收方的过程中，除了信道的噪声影响外，还可能被恶意的篡改。如果借助于加 密技术，那么加密后文档的内容看起来便已面目全非；解密后的文档虽然能够被 看到，但却失去了被保护的能力。这一矛盾也在客观上要求进行半色调数字水印 的研究。 数字半色调技术是针对印刷和摄影输出的方法，而半色调数字水印技术则是 在印刷和摄影输出的过程中隐藏编码的技术。虽然半色调数字水印是图像数字水 印的一个分支，却与通常的图像数字水印有着不同的意义。 半色调数字水印技术是实现基于纸的电子文档的有效途径。可以使打印的图 像和文档作品中包含隐藏的数据信息，这些数据以不易被人们察觉的形式随图像 和文档一起传播。不管是秘密信息还是公开的文档说明和注释，都有广阔的用武 之地。将半色调数字水印技术与加密、解密算法或者容错编码结合，可以满足很 多应用的需要。 1 2 本论文的工作和结构安排 半色调图像可以应用于两个方面，一个是纸质形式的硬拷贝二值图像中，另 一个是数字形式的二值图像中。在硬拷贝二值图像方面，半色调数字水印主要的 目的是防止印刷品图像的侵权和盗版，一般是健壮性半色调数字水印技术；在数 字形式的二值图像方面，一般则是用于做数字认证和防篡改的半色调脆弱水印技 术。 本文研究的是健壮型半色调数字水印。笔者在实验室现有半色调数字水印技 术基础上，做了如下工作： 1 在半色调数字水印中结合数字置乱和混沌技术，为嵌入水印引入了加密 保护，使得水印的嵌入更加安全可靠。 2 为了更好的评价半色调图像质量，引入半色调图像的质量评价。 3 对多种误差扩散情况下水印算法的实现进行了研究。 本文分三个部分进行论述。第二章介绍半色调技术的主要概念、概况和主要 第一章引言 算法。第三章主要论述半色调数字水印及相关技术，如数字置乱、混沌技术等。 第四章在实验室现有数字水印技术的基础上，提出一种更加健壮和安全的数字水 印改进方案，并提出了一种具有更好视觉效果的半色调数字水印技术。第五章进 行全文总结，并对今后的研究方向做出进一步的展望。 第二章半色调技术概述 第二章半色调技术概述 半色调技术是随着印刷技术的兴起而产生的。半色调技术分为模拟和数字两 种。模拟的半色调技术，即传统的半色调技术，已经在印刷业中应用了一个多世 纪，技术已非常成熟，这里我们不做具体研究。下面详细介绍一下论文主要研究 的数字半色调技术。 2 1 数字半色调技术 在现有的数字半色调技术中，比较常见的有：有序抖动法、误差扩散法、点 扩散法和d b s 半色调方法。 1 有序抖动 有序抖动算法是利用一个抖动矩阵t ( k ，k ) ，将一个灰度图像转化为二值图。 其原理如下： 假设输入灰度图像为x ( m ，n ) ，输出半色调图像为n ( m ，n ) ，抖动矩阵为 t ( k ，t ) 。 当x ( i ，jp a t ( i k ，j k ) 铽h ( i j ) = 0 ； 否则h f f ，jj = l 其中，口相当于比例参数，使得吖k , k ) 矩阵各元素的值和灰度图像素的灰 度值在同一个范围之内( 常见的范围0 - 2 5 5 ，0 - 6 4 ，0 1 6 等) 。 最简单的抖动矩阵是常阈值抖动矩阵，但是由于丢失了大部分细节信息，图 像效果最差。另一种矩阵就是b a y e r 矩阵。 2 误差扩散 ( e r r o rd i f h l s i o n ) 方法是1 9 7 5 年最早由r o y d 与s t e i n b e r g 9 1 提出，是一 种比较流行而且效果很好的方法，其思想是先阈值量化图像像素，然后将该像素 的量化误差扩散到相邻的未处理的像素上去。其原理如图2 1 所示。 第二章半色调技术概述 x n n 、 像素误差化阈值化 分配误差 计算误差 当前像素位置 7 1 6 0 p 5 1 6l t 6 。= 口 f m 、 圈2 _ l 误差扩散原理图及f l o y d s t e i n b e r g 误差扩散核 误差扩散的公式： 卅f ，) = 吖f ，j 一坷尼，1 ) x e ( i t 一z j b li j ) = o ( n i1 j ) ) q h i ，j ) ) _ f 瑟鼢 p ( j ，) = b ( i ，) 一u ( i ，) 其中； 玎f ，j ，= 图像像素位置( f ，j ) 的灰度值 叫f ，j ) = 图像像素位置( j ，j ) 的量化误差 b ( i 。j ) = 图像像素位置( f ，j ) 误差扩散后的像素灰度值 h ( k ，f ) = 误差扩散核 q ( o ) = 二值量化器 第二章半色凋技术概述 ，= 量化的阈值 下面以f l o y d s t e i n b e r g 误差扩散算法为例，介绍误差扩散思想。 给定阈值t ，设原图像为x i ，jj ，输出为b ( i ，j j ( 2 5 5 x ( i ，j ，0 ) 。对整幅 图像按从左到右、从上到下的顺序逐点依次执行两步操作： 1 阈值化当前像素为b ( i ，j ) ： = l ，制笔 ( 2 1 ) 2 把量化误差( 输入和输出的差) 扩散到邻近的未被处理过的点： 吖f ，= 可i ，一w f ，jj ( 2 2 ) 量化误差扩散，即改变空间上相邻像素颤“f + 1 ) ，x ( i + 1 ，j 1 ) ，x ( i + l ，j ) ， 工( f + 1 ，j + 1 ) 的值，将当前像素的量化误差按7 ：3 ：5 ：1 的比例转移并叠加到邻近的像 素。 颤f ，j + 1 ) 。( f ，j + 1 ) + 1 二6 8 ( f ，j ) 。( + 1 ，- 1 ) 卜。( + 1 ，j 1 ) + 素8 ( ，j ) 码i + 1 ，j ) 卜飘。+ 1 ，j ) + 意q i ，j ) 可川，j + 1 ) - x ( i + 1 ，j 州+ 去“j j(2-3) 阈值 的选取通常取中间值0 5 。曾有人对其他阈值做过尝试，但结果没有明 显的优点，所以大多数算法仍然用0 5 作为阈值。 换句话说，误差扩散相当于把阈值量化在每一个点上产生的误差再加到周围 的点上，从而保持局部区域的总体灰度基本不变。量化误差扩散的参数可以用一 个矩阵描述，称之为误差扩散过滤器，或误差扩散核。设此矩阵为 ，h = 协。) ， ( ，s ) d ，d 为h 中所有非零元素对应的下标集合。这里的下标r ，5 是整数。这 样( 2 - 3 ) 式可写为 z ( f + r ，j + s ) i x ( i + r ，j + s ) + 。x e ( i ，j ， f r ，jj ed ( 2 4 ) 过滤器有很多选择，如1 a r v h f 、s t u c k i 、s h h 7 一f a n 等等，如图2 2 所示。它们 第二章半色凋技术概述 大部分是在f l o y d - s t e i n b e r g 过滤器基础上做的改进。因为误差扩散抖动算法一定 程度上使图像边缘模糊，有的改进过滤器可以补偿性的增强边缘，使输出图像更 清晰。还有一些过滤器在不同程度上对误差扩散的速度和效果做了优化。 ( 去) ，： ( 口) f l o y d - s t e i n b e r g 过滤器 ( 去x ) 2 4 8 2 4 ： ( c ) ( 去) s t l l c l d 过滤器 75 3 5 7 5 3 l3 5 3l ( e ) j a r v i s - j o d i c e - n i a k e 过滤器 ) ( 圭) ：4 ： ( 刍) z 4 ：ii 2 3 ( 去) 。：8 ( f ) s h i a u - f a n 过滤器 3 2 1 22 63 01 6 1 2 2 61 2 51 21 25 ( g ) s t e v e n s o n 和a r c e 过滤器 图2 - 2 常见误差扩散滤波器 误差扩散过滤器的不同，实际上是量化误差在邻域像素上扩散的位置和比例 不同。一般误差扩散过滤器都是固定的，即所有灰度使用同一个误差扩散核。这 里介绍一种不同的误差扩散方法一变相关误差扩散方法。该算法提供一个误 差过滤器组，组中共有2 5 6 个值不同的过滤器，每个过滤器对应着图像处理的2 5 6 级灰度中的某一灰度级像素的误差扩散核。过滤器组中的过滤器的形式如图2 3 所示： 工v 图2 _ 3 过滤器 第二章半色调技术概述 设给定阈值t ，设原图像为谁，j ) ，输出为r ( i ，j ) ( 娟，j ) 值范围：0 2 5 5 ) ， 过滤器组h 2 5 6 3 。对图像按从左到右、从上到下的顺序依次执行如下操作： 1 根据当前像素灰度值获得对应的误差扩散过滤器：h = h x c i ，j ) 】： 2 利用h 。作为误差过滤器核，对当前像素采用误差扩散方法进行误差扩散 处理。 该误差扩散算法利用比普通误差扩散更简单的过滤器形式，相对运算量更 少；另外，有针对性的为每一级灰度提供一种误差扩散的比例分配，比固定的过 滤器的比例分配更加合理。文献4 2 】【4 3 1 的水印算法的水印算法就是以这种误差扩 散算法为基础的。 3 点扩散方法 点扩散方法【1 1 慑早i 丰1 k n u t h 提出，该方法具有阈值抖动和误差扩散的优点。 该算法的思想是首先处理图像中所有等级为1 的像素，将他们与闽值进行比较， 确定半色调图像相应像素的值，然后将量化误差扩散到等级大的相邻像素上去。 该算法处理后的半色调图像上会有较多的龟纹现象。 4 d b s ( d i r e c tb i n a r ys e a r c h ) 半色调方法 d b s 半色调方法【1 刭是为连续调图像寻找最优半色调图像的一种方法，是一种 基于h v s 的函数搜索方法。该方法首先用一种简单的方法得到半色调图像，然后 使用贪心法，使每次交换后得到的误差图像最小。该方法是一种没有因果性条 件限制的迭代法，其优点是产生的半色调图像的视觉效果令人满意，基本上没有 结构性的龟纹和人工痕迹；能够正确的再现色调，特别在灰暗处再现色调：在桌 面印刷应用中有很大潜力。但是由于它的计算复杂度相对较高，故很难用于实时 处理场合，可以作为半色调效果的基准测试程序使用。 2 2 蓝噪声和绿噪声 半色调技术大都是基于抖动模型的( 无论是点抖动、有序抖动，还是误差扩 散) ，抖动模型可以分为五类：1 ) 白噪声；2 ) 蓝噪声1 1 3 1 ；3 ) 绿噪声1 1 4 1 ；4 ) 离散点有序抖动；5 ) 簇点有序抖动。其中，蓝噪声和绿噪声是用来描述半色调 过程中的非周期性离散点抖动的理想化空域和频域特性的统计模型。 众所周知的“白噪声”( w h i t e n o i s e ) ，之所以叫白噪声，是因为它在所有 频率上具有相同的能量。从视觉效果上看，白噪声呈现明显的随机特性，视觉效 果较差。所以在图像半色调抖动中常常要用到的是“蓝噪声”( b l u en o i s e ) 和 “绿噪声”( g r e e nn o i s e ) 模型。“蓝噪声”是高频的白噪声。而“绿噪声”是中 第二章半色调技术概述 频的白噪声。从频域上来看，蓝噪声半色调模型的能量集中在高频，而绿噪声半 色调模型的能量集中在中频。 若半色调算法的输出的功率谱( p o w e fs p e c t r u m ) 接近于蓝噪声，则可以认 为这样的输出是高质量的 3 “。这是因为图像中对人眼最敏感的部分是低频部分， 若输出图像的功率谱表现出良好的蓝噪声特性，则表明输出对原图的低频部分改 变很小，对人最重要的信息被很大程度的保留下来。蓝噪声模型具有非周期性， 离散的点抖动特性，在半色调图像上会产生较多离散的少数像素点，这些点由于 其离散性和各向异性，呈现为频域上的高频信息，对于人类视觉影响较小，从而 呈现较好的视觉效果。也正是由于这些离散的少数像素点，在打印过程中极易形 成点扩散，造成较差的打印效果。 相比较而言，绿噪声半色调模型在半色调过程中根据图像的局部大小和局 部平均灰度，产生了大量的少数像素点簇，整个图像由这些各向同性的与图像局 部特征有关的不同大小的少数像素点簇组成。通过这些局部的少数像素点簇，有 效的抵抗了打印过程中的点扩散现象，从而呈现了良好的打印效果。 半色调化方法根据其输出结果可以分为离散点( d i s p e r s e da o o 方法和聚集点 ( c l u s t e r e da o o 方法。通过观察这两种方法的功率谱可知，这两种方法分别产生具 有蓝噪声特性的功率谱和具有绿噪声特性的功率谱，因此，可将这两种方法分别 称之为蓝噪声半色调化方法和绿噪声半色调化方法。 蓝噪声特性的半色调图像具有理想的视觉效果，它没有改变原图像的结构， 以至图像显得杂乱无章。绿噪声特性的半色调图像也具有这一特点。不过，从整 体上看，蓝噪声图像由单个的像素点组成而绿噪声图像由点的集合，即由簇组成， 因此蓝噪声图像看来很细腻，故具有更佳的视觉效果，是比较适合用于在显示设 备上显示的半色调。在非理想的打印过程中，由于墨点扩散引起纸张显示效果的 原因，带有绿噪声特性的半色调方法的打印效果更佳。 2 3 图像半色调质量评价 从理论上分析半色调技术以及建立半色调质量的度量和评价是半色调研究 技术中必不可少的部分。但是半色调质量的度量比较困难，一个原因是一些半色 调技术对于某类图片能产生较好效果，但是对另类图片就较差。另外，其它因 素也影响半色调的效果，如纸张质量，墨点类型，打印技术等。本文只关注半色 调对于图像质量的影响。 一种评价半色调图像质量的方法就是寻找具有最小视觉误差的量化图像作 为评级图像。为达到这一目的，需要引入一种评级的半色调算法。这种半色调算 法可能计算复杂度很高，但必须是计算机可计算的。通过和这种评级半色调算法 第二章半色凋技术概述 的结果进行比较，我们就能评价一个实用的半色调算法是否更好。在实际的度量 中，一般可以用一种高计算复杂度的半色调算法( 如d b s 半色调算法) 作为评级 基准。 但是上面的方法并不总是实用，很多时候并不容易提供一个连续色调图像半 色调化的量化定义。例如是什么原因使得我们喜欢一种半色调纹理而不喜欢另一 种。另一个问题是量化的定义可能会随着应用的不同而变化。例如，一张半色调 图像可以被调整到很高的显示质量，但是在某些打印情况下效果却很差。所以， 直观的方法并不能作为我们衡量半色调算法或者图像质量的标准，我们需要提供 一套客观的量化测量分类。 有两种相对客观的量化测量分类。第一种方法基于数学统计定义方式来构 建灰度色级的半色调模型。这种方法提供了半色调图像上像素点分布关系的基本 理解。这类工具通常易于计算，计算复杂度较低，且与观察条件和个人观察者无 关。第二种方法是建立基于人类视觉系统特性( h v s ) 的数学模型，并用来预言 半色调图像的视觉质量。 下面就上面两种分类来介绍与之相关的度量统计模型。关于半色调的度量模 型有很多种，下面介绍一些常用的计算模型。 a ) 均方距离度量方法( m e a n - s q u a r ed i s t a n c em e a s u r e ) 信息丢失的级别可以通过原图像与半色调图像之间点的误差来表达和度量 1 1 5 ，均方误差是度量半色调质量最为简单的标准，下面介绍几种使用均方误差 进行度量的方法。 j ( f ，j ) 为灰度图( f ，j ) 位置像素的灰度，y ( f ，j ) 为半色调之后的灰度，p ( f ，j ) 为 误差，m ，| 为图像的宽度和高度，则： e ( i ，) = x ( i ，- ，) 一y ( i ，) 总的平方误差： k = 。e ( i ，疗 r m s ( 均方误差) ： = 。雁了j 厕 s n r ( 信噪比) ： 姗l o g ( 蒜) ，0 0 i m - i p s n r ( 峰值信噪比) 1 1 6 1 ：其中，d 是最大峰值，在8 位图像中d = 2 5 5 。 酬d b ) = 1 0 l o g l o ( 豇筹矗腿o d i 水印检测用后验概率的方法( m a x i m u map o s t e r i o r i ) ，准则是： a ( 歹) = ： l jd c c o d e 西1 卜l 毒d e c o d e 3 2 原文中用1 2 3 0 7 2 6 的8 位灰度图像和2 5 6 * 2 5 6 的一对抖动矩阵产生1 2 3 0 7 2 6 的二值抖动图像，可以隐藏1 5 位信息。这种方法相比【2 3 】，输出的半色调二值图 的灰度与原图一致，隐藏的信息不容易被发现。缺点是隐藏信息能力很小：而且， 由于使用有序抖动的方法来产生半色调输出，效果总体不如误差扩散好：文中说 很难找到拼接很好的两个抖动矩阵，只好用两个随机矩阵，输出图的质量很差。 s o o - c h a n g p e i 和j i n g m i n g g u o 提出了一种混合半色调的数字水印技术任1 ， 该技术在一次半色调过程中同时使用两种误差扩散核：s t u c k i 核和j a r v i s 核。由 于这两种核在半色调过程中会在图像块上产生不相同的频域分布，该方法首先将 图像分成若干大小相同的图像块，当在该图像块中嵌入0 时，该块用j a r v i s 核来 进行误差扩散，当嵌入l 时，该块用s t u c k i 核来进行误差扩散。提取水印时，根 据各块的频域分布来确定嵌入的是0 还是l 。该方法能很好保持图像的半色调效 果，但是由于强烈的依赖于具体的半色调算法，抵抗攻击的能力较弱。 f um i n g s u n 提出了一种利用奇偶特性的半色调数字水印算法删，该算法将 图像分块( n * n 大小块) ，统计每块中像素的局部奇偶性和全局奇偶性，通过改 变全局奇偶性来隐藏信息。如下所示： ， 、 只。= l b i 吨一l m o d 2 k ( o s k ，1 r + 2 t 五，认为该像素无隐藏能力，通过翻转像素，使 铷 第二章半色调数字水印及相关技术 之满足只( 6 ) r + 3 。a ；如果只) r i 一2 4 a ，也认为该像素无隐藏能力，翻 转像素，使之满足只( 6 ) 局- 3 ，a ；如果该块需要嵌a , o ，而只( 6 ) 墨+ 3 五。对于其余的可隐藏信息的 块，如果隐藏的信息为1 ，则翻转该块像素使之满足墨+ a 只( 6 ) r ，如果隐 藏的信息为0 ，则翻转使之满足一名只( 6 ) 。在信息检测时，如果 r 。+ 2 * 2 只( 6 ) 5 0 ，则认为该块嵌入了；如果- 2 + 五只) 5 0 ，则认为 该块嵌入了0 ；否则，认为该块没有嵌入信息或者嵌入信息被破坏。 作者说明为了在翻转中不过度影响视觉效果，提出翻转的规则是：对抖动的 图像，翻转分散的像素；对高对比度的图像，翻转其边界像素。 胁，3 。五 掣乞一 硒 s 0 轧 r 1 嵌r l - 2 c kr l + 3 吆 圈3 _ 1 图像信息隐藏的空闻分布 z h a o 和k o c h 提出的方法强制块图像中黑色与白色像素个数的比例在某个 范围之内，对于二值图像中的数据插入有一定有效性，通过调整五来提高信息嵌 入的健壮性，抵抗通常的图像处理引起的破坏，但是当图像块中的黑色像素所占 的比例太高或者太低，该块就无法隐藏数据，水印的嵌入量非常有限。而且，不 管该块是否能隐藏数据，都可能要翻转较多的像素，会引起图像视觉效果的很大 失真。 3 2 数字置乱技术 随着信息技术的迅猛发展，一方面人们对信息隐藏技术的研究逐渐深入，确 实取得了可喜的成果；而另一方面人们也清楚地意识到信息攻击者所采用的攻击 手段也越来越高明，能否很好地保证信息的安全，是一个亟待解决的问题。信息 安全技术经过多年的发展，信息的保护已从密码技术发展到了隐藏技术，但在信 息隐藏技术的应用过程中，如果单纯地用各种信息隐藏算法对秘密信息进行隐藏 第二章半色调数字水印及相关技术 保密，那么攻击者只要直接利用现有的各种信息提取算法对被截获信息进行穷举 运算，就很有可能提取出我们的秘密信息。但如果在信息隐藏之前，先对秘密信 息按照一定的运算规则进行置乱处理，使其失去本身原有的面目，然后再将其隐 藏到载体信息里面，这样传输的信息就更加安全。因为即使攻击者将秘密信息从 载体中提取了出来，也无法分辨出经过置乱后的秘密信息到底隐藏着什么内容， 于是就认为提取算法错误或该载体中不含任何其它信息。所以，对秘密信息进行 置乱运算是很有必要的，也是将来信息隐藏技术研究的一个重要方向。 数字化后的图像可以看作一个矩形区域上的二元离散函数，一个像素点对应 于矩形的一个元素。对该矩形的元素进行线性或者非线性的变换之后，图像看起 来将显得凌乱。如果作为嵌入对象的图像经过多次变换之后看起来纯粹像噪声， 那么，攻击者即使知道嵌入算法并提取出嵌入数据，也会把它当成噪声而忽略， 加强了信息的隐蔽能力。关于图像置乱的研究有很多，以a r n o l d 变换和幻方置乱 等为代表的图像置乱算法在实际中受到广泛的研究和应用。 3 2 1a r n o l d 变换 对像素的坐标，x ，y = 0 12 n 一1 ，作如f 变换： 阡料删例 热a = 嘲 即将原来位于b ，) ，) 的像素点移至b ，y ) 处。反复进行这一变换，可以得到迭代 程序： 只”1 = a p j ( m o d n ) ，n = 0 , 1 2 a r n o l d 变换具有周期性，经过一定步骤的迭代之后，图像将恢复原样。 l e n a 原图单步a r n o l d 变换结果7 6 步a r n o l d 变换结果 9 2 步a r n o l d 变换结果 图3 2a r n o l d 变换效果图 第二章半色调数字水印及相