基于DCT域自适应中频嵌入的数字水印算法

基于基于 DCT 域自适应中频嵌入的数字水印算法域自适应中频嵌入的数字水印算法 摘 要 本文提出了一种基于 DCT 变换域的自适应中频系数嵌入数字水印信息的算法 该算法根据变换 后各 DCT 子块的能量大小 自适应地选择中频系数 进行水印嵌入 与传统的 DCT 域固定点嵌入算法相比 能更好地实现图像水印信息的隐藏与鲁棒性的平衡 实验结果表明 特别在 JPEG 压缩攻击的情况下 本 文所提出的算法在信噪比和相似度方面较传统固定点嵌入算法均有所提高 关键词 DCT 中频 数字水印 鲁棒性 An Adaptively Middle Frequency Embedded Digital Watermark Algorithm Based on the DCT domain Abstract This paper presents an algorithm of digital watermark embedding in the middle frequency adaptively based on the DCT domain According to the energy of the block size after transforming the algorithm can select the middle frequency coefficient adaptively to do embedding operation Compared with traditional DCT domain fixed point algorithm it reachs a better balance of robust and watermark information hiding The results show that particularly in the JPEG compression attacks the algorithm which this paper presents can improve the signal to noise and the similarity than the traditional fixed point algorithm Key words DCT middle frequency digital watermark robust 1 1 引引 言言 在信息技术飞速发展的今天 数据的 形式已经不仅仅局限于文本 许多信息是 图形图像和视频格式 需要加密 认证及 版权保护的数据也越来越多 数字水印技 术就是应运而生的一种信息隐藏技术 它 是指应用一定的算法将标志性信息嵌入进 多媒体信息当中 同时并不破坏原始文件 的读取及使用 不能被人的感觉系统所察 觉 只有通过专业的仪器或者阅读器来提 取 其中水印信息可以是作者的标识 公 司标志 一些具有特殊意义的文本等等 可以用来识别文件 图像等等的来源 作 者 出版商 使用者的信息 与加密技术 不同 数字水印技术并不能阻止盗版活动 的发生 但它可以判别对象是否受到保护 监视被保护数据的传播 真伪鉴别和非法 拷贝 解决版权纠纷并为法庭提供证据 1 数字水印技术的不可感知性及鲁棒性 是它的两个重要的判别标准 目前的数字 水印技术算法主要分为两类 一类是空间 域方法 是直接将数字水印按某种算法叠 加到图像的空间域上 一类是变换域方法 通过改变图像变换域中的一些系数的值 将数字水印的信息嵌入到图像当中 常用 的变换域算法主要有 DCT DWT DFT 等 等 本文主要对基于 DCT 变换域的数字水 印技术做了研究 第二部分简单地介绍了 离散余弦变换 第三部分阐述了数字水印 的原理及国内外发展 第四部分为本文提 出的自适应中频嵌入算法的介绍及实现过 程 第五部分通过实验将该算法与普通 DCT 算法进行比较 第六部分为结论 2 2 离散余弦变换离散余弦变换 离散余弦变换 Discrete Cosine Transform 简称 DCT 是一种实数域变 换 其变换核为实数的余弦函数 除了具 有一般正交变换的性质外 其向量基能很 好的体现图像信号的相关特性 而且计算 复杂度小 具有压缩比高 误码率小 隐 蔽性好等优点 在数字图像处理中被认为 是最佳变换 2 二维离散余弦变换及其反变换的定义 如下 3 11 00 11 00 21 21 coscos 22 21 21 coscos 22 NN mn NN uv munv C u va u a vf m n NN munv f m nuv c u v NN 其中 u v 0 1 2 N 1 m n 0 1 2 N 1 a u 由下式定义 u 0 N ua 1 u 1 2 N 12 a u N 3 3 DCTDCT 域数字水印发展及算法原理域数字水印发展及算法原理 最早的DCT域数字水印方案是由一个 密钥随机地选择图像的一些分块 在频域 的中频上稍稍改变一个三元组用来隐藏二 进制序列信息 4 该数字水印算法对有损 压缩和低通滤波的效果不错 但是对于人 眼视觉系统的感知破坏较大 后来 Cox 等人提出了基于图像全局变换的数字水印 方法 5 该方案是对整个图像进行DCT变 换 然后将数字水印加载在预先决定的低 频分量上 该算法不仅在视觉上不可感知 性好 且鲁棒性极佳 能经受有损压缩 滤波 D A A D转换等信号处理 同时对 于剪切 旋转 平移等几何操作的抗攻击 性也有很好的表现 下面就针对该算法原 理进行分析 每个数字水印算法都分为水印的嵌入 及提取两个部分 在数字水印嵌入部分中 本文采用文献 6 中的信息隐藏的思想 即 通过调整图像块中 DCT 系数的大小来对水 印信息进行隐藏 用 P Q 表示 DCT 系数 具体做法是 对于第 i 个水印信息 如果 隐藏信息为 0 则使 P Q 否则使 P Q else make P Q if P Q h P P h 2 Q Q h 2 7 对嵌入水印信息后的 DCT 系数块 进行 DCT 反变换 形成嵌入水印后的图像 本文所提出的方法主要是基于 DCT 变 换后系数自适应的找到能量中频进行水印 的嵌入 该方法的优点在于不用像普通方 法一样完全固定 DCT 变换后的像素点位置 来嵌入 而能根据不同的图像来自动的选 择能量的实际中频系数 从而达到不可感 知性与鲁棒性的平衡 4 24 2 水印的提取水印的提取 水印提取的过程与嵌入相反 具体步 骤为 1 将待提取的图像进行分块并进行 DCT 变换 2 将记录位置的中频系数比较其相对 大小 判定出隐藏的水印信息 形成一维 序列 3 将提取的水印信息的一维序列重组 成二维序列并形成恢复后的水印图像 5 5 实验结果分析比较实验结果分析比较 本文在 MatLab 7 的环境下进行实验 将本文的算法与传统的固定点系数比较法 进行对比 通过峰值信噪比 PSNR 的大 小比较两种算法原始图像嵌入水印后的效 果 采用 JPEG 压缩方法进行攻击性实验 比较两种算法提取出的数字水印的相似度 NC 其中 W i j 是原始水印图像的像素 值 W i j 是提取出来的水印图像的像素值 M1 M2分别是水印图像的宽 高 9 12 1212 11 00 1111 22 0000 MM ij MMMM ijij W i jW i j NC W i jW i j 本文使用的测试图像为标准图像 在 实验过程中体现出了良好的信噪比及抵抗 JPEG 压缩攻击的性能 其中 Orginal Image 为原始图像 Massage Image 为原始 水印图像 Watermarked Image 为进行了 50 压 缩的图像 Recovered Image 为从压缩图像 中提取的数字水印 ADCT 为本文提出自 适应中频算法 DCT 为传统 DCT 固定点的 嵌入算法 h 为嵌入深度 Original ImageMessage Image Watermarked ImageRecovered Message 图 2 Lena 使用本文算法的效果 图 3 Lena 嵌入水印后信噪比比较 图 4 Lena 数字水印相似度比较 Original ImageMessage Image Watermarked ImageRecovered Message 图 5 Lake 使用本文算法的效果 图 6 Lake 嵌入水印后信噪比比较 图 7 Lake 数字水印相似度比较 从以上图像的结果我们可以清楚地看 到 使用本文算法的图像信噪比明显大于 传统 DCT 固定点的嵌入算法 在低嵌入系 数的条件下 本算法的信噪比远优于传统 DCT 算法 随着嵌入系数的加大 中频系 数破坏的程度也变大 所以信噪比差距变 小 但是依然好于普通算法 也即说明使 用本算法的水印嵌入后的图像效果更佳 而对于压缩后的图像 由于图像本身的纹 理不同 除了在个别嵌入深度上相差无几 之外 其他深度上使用本算法提取出的数 字水印的相似度也都好于传统 DCT 固定点 嵌入算法 6 6 总总 结结 数字水印技术作为一种重要的版权保 护及防伪技术 在信息安全 数据加密中 有着广泛的应用 随着信息技术的不断发 展 今后还将有更好的发展前景 数字水 印技术是一个新兴的研究领域 有着许多 未触及的课题 现有的技术也有待改进与 提高 本文提出的根据能量自适应选择中 频嵌入水印的算法 通过实验证明 比传 统 DCT 固定点嵌入算法有着更好的信噪比 和抗压缩性能 因为传统的 DCT 嵌入算法 只是选择固定点 而本算法选择的是实际 上的中频 在鲁棒性与不可感知性的平衡 上有着更大的优势 参参 考考 文文 献献 1 张冠男 数字水印技术研究综述 Nov 2003 2 曹丽娜 陈亚军 任林政 一种基于DCT 域的 鲁棒水印算法及其Matlab实现 电脑知识与技术 2007 9 p 813 814 3 章毓晋 图像处理和分析 北京 清华大学出 版社 1998 4 KOCH E ZHAO J Towards robust and hidden image copyright labeling Proceedings of 1995 IEEE Workshop on Nonlinear Signaland Image Processing Neos Marmaras Halkidiki Greece 1995 5 COX I J KILLIAN J LEIGHTON F T et al1 Secure spread spectrum watermarking for multimedia IEEE Transactions on Image Processing 1997 6 12 p 1673 1687 6 王丽娜 郭迟 李鹏 信息隐