[doc格式] 基于DWT域的图像数字水印算法

1、基于dwt域的图像数字水印算法lssn10093044computerknowledgeandtechnology电脑知识与技术vo1.4,no.1,october2008,pp.190192基于dwt域的图像数字水印算法email:edufcccc.net.entel:+8655156909635690964陆宇光1,2.龚声蓉(1.苏州大学汁算机科学与技术学院,江苏苏州215021;2.常州r学院计算机信息工程学院,江苏常州213001)摘要:提出了一种基于dwt域的图像数字水印算法.通过对宿主图像,经过arnold变换加密后的水印图像分别进行多分

2、辨率小波分解,达到自适应嵌入水印信息的目的.实验结果表明,该方法嵌入的数字水印不但具有较好的不可见性,而且对图像处理有较好的鲁棒性关键词:数字水印:dwt:图像置乱中图分类号:tn957文献标识码:a文章编号:10093044(2008)28019003imaginedigitalwatermarkingalgorithmbasedondwtluyuguang.gongshengrong(1.schoolofcomputerscience&technology,soochowuniversity,suzhou215021,china;2.schoolofcomputer&inf

3、ormationengineer-ing,changzhouinstituteoftechnology,changzhou213001,china)abstract:aalgorithmwithimagedigitalwatermarkingbasedondwtisproposed.themultiresolutionwavetetdecompositiclofboththehostimageandthewatermarkimagewhichistransformedandencryptedbyarnoldfortheselfadaptingembeddingprocessisfinished

4、.theexperimentalresultsdemonstratethattheembeddedwatermarkingisinvisibleandhasgoodrobustnessagainstimageprocessing.keywords:digitalwaterrnarking;dwt;imagepermutation1引言随着计算机技术和网络应用的迅猛发展,人们的日常生活与工作越来越趋于数字化和网络化.大量私有数据在网络上的传播,网络交易日益风行,使传统的版权保护手段和数据安全技术面临极大的挑战和某些难以克服的困难,数字水印技术【-由此孕育而生.数字水印是一种新型实用的信息隐藏和版

5、权保护技术,近年来已经引起了极大的关注并得到迅速发展.一般来讲,数字水印分为两大类:空域水印和变换域水印.当前变换域技术主要包括离散余弦变换和小波变换技术.小波变换口1有着良好的能量压缩特性和多分辨率分解特性,且与新一代的媒体压缩标准jpeg兼容,已成为嵌人变换域水印的主要选择.本文提出了一种基于离散小波变换(dwt)的图像数字水印算法.2水印的嵌入2.1图像置乱数亨像置乱i1就是将一幅给定网像按照一定变换规则在空域或频域将其变换为一幅杂乱无章的图像,从而隐藏其图像本身的真实信息.在水印预处理中,置乱技术主要考虑的是尽可能的分散错误比特的分布,提高数字水印的视觉效果来增强水印的鲁棒性.此外,图

6、像置乱还可增加水印信号的保密性,即使水印信号被攻击者识破并提取出来,如果不知道置乱密钥和置乱方法,攻击者也无法恢复出隐藏的图像水印信号.目前己有多种罔像置乱方法,如基于位操作,幻方,fass曲线,arnold变换,gray码变换,骑士巡游,hibe变换,几何变换等.其中arnold变换易于实现,易于恢复,无需多次变换就能达到令人满意的效果,而且实现起来比较简单,比较适合于实际应用.因此本文采用的置乱方法是arnold变换.arnold变换俗称猫脸变换,原意为eatmapping,其定义:假设对于平面单位正方形内的所有点,作如下变换:f=ffm.d】lvj尼k+ljljk为止整数,x,y是平面某

7、点的坐标,x,y是变换后的坐标,平面单位正方形内的点将不断移动其位置,这就是arnold变换.上述arnold变换实际是一种点的位置移动,并且这种变换是一一对应的.此外这个变换可以迭代地做下去,并且存在周期.对于数字化图像而言,我们所说的位置移动实际上是对应点的灰度值或者rgb颜色值的移动.如果把这类变换应用到数字图像的存储与传输,特别是用到网像信息交换方面.则可以取得图像隐蔽的效果.考虑到数字图像的需要,我们把以上的arnold变换改写为:flm.djlkk+lflqyfl即通过变换将原来点(x,y)处像素对应的灰度值或rgb颜色值移动至变换后的点(x,y-)处.arnold变换具有周期性,

8、即当迭代到某一步时,将重新得到原始罔像:在arnold变换中,式中的k与次数n构成数对(n,k)正好可以成为置乱的密钥.2.2图像小波变换小波变换用于图像处理是小波变换应用效果比较突出的领域之一.其基本思想就是把数字图像进行多分辨率分解,分解成不收稿日期:2()080712作者简介:陆宇光,女,讲师,在读硕士,研究方向:数字水印;龚声蓉,男,教授,硕士生导师,主要研究方向:数字媒体与数字技术,包括图像与视频处理,数字媒体中的信息隐藏技术,模式识别,智能信息处理技术等.190多媒体技术及其应用一本栏目责任编辑:唐一东陆宇光等:基于dwt域的图像数字水印算法同空间,不同频率的子图像,然后再根据各个

9、子图像的特点有针对性的进行处理.对一幅图像的三级小波分解示意如图1所示.每一级分解都把图像分解为四个频带:水平fhl),垂直(lh),对角(hh)和低频fll1,其中低频(ll1部分还可以进行下一级的分解,从而构成了小波的塔式分解.一幅图像经过分解之后,图像的主要能量主要集中于低频部分,这也是视觉重要部分;而图像的高频部分即图像的细节部分所含能量较少,分布在hl,lh,hh三个子图中,主要包含了原图的边缘和纹理部分信息.基于小波分析的数字水印算法的基本思想是把水印嵌入到图像小波变换后的低频子带或高频子带系数中.图像的低频子带携带了图像的大部分信息,因此可以嵌入更多的水印信息,使水印更加鲁棒,但

10、同时也产生了问题,即图像低频子带的变化容易导致较大的图像失真.相反,高频子带携带的是图像的边缘和纹理信ll3lhl3hi2lh3lhh3hlllh2hh2lhlhiil图1三层小波分解示意图息,人眼对这部分信息不敏感,因此,在这部分嵌入水印,可以避免引起图像的失真,但同时水印容易遭到破坏(如有损压缩等).因此,一个有效的小波域水印算法必须在鲁棒性和图像的失真度之间取得平衡.2i3水印嵌入算法在本算法中,采用具有特殊意义的图像作为水印信息.另外,为了提高水印的不可见性和稳健性,在水印嵌入之前,先对原始水印进行arnold变换预处理.在水印嵌入时,结合人类视觉模型,根据小波变换的特点,采用多分辨率

11、分析思想,将水印信息和原始图像分别进行小波分解后,进行对应子图的多分辨率嵌入,从而较好的满足了水印算法的不可见性和鲁棒性要求【叫.具体算法描述如下:设x代表大小为mxm的原始图像,w代表大小为nxn水印图像,一般的,基于小波多级分解的特点考虑,水印尺寸的选择要小于原始图像尺寸,并且满足m=2pn(p为正整数).水印嵌入算法具体步骤如下:1)分别读人宿主图像x和原始水印图像w:,2)对原始水印w采用arnold变换进行置乱预处理,处理后的水印图像为w.保留置乱次数k做为密钥:3)将置乱后的水印图像w进行级小波分解,得到一级分辨率下的三个细节子图w.,fk=l,2,3)和一个逼近子图wo;4)将宿

12、主图像x进行三级小波分解,得到不同分辨率级下细节子图x.(i,k=1,2,3)和一个逼近子图x;5)将w一级小波分解后的子图分别嵌入对应的宿主图像第三级小波分解的子图,其中,xwo,xw,(k=1,2,3)分别为嵌入后的各分块:xw0=x3o+dwl.xwk_x3+bwl,k=l,2,3式中,p表示嵌入水印的强度因子,考虑到逼近子图xo对应原始图像的低频部分,即平滑区域,经大量仿真测试证明,如果这一部分嵌入量较大,则对于嵌入水印图像的视觉质量影响较大,而x,(k=1,2,3)对应于原始图像的高频部分,具有不同的特点,兼顾到水印不可见性和鲁棒性的要求,d的取值要小于b;6)将上述操作后的xw.,

13、xw,(k=l,2,3)与x,(j=l,2;k=1,2,3)重新组合并进行三级小波重构得到最终的嵌入水印图像xw.3水印的提取数字水印的提取过程是嵌入过程的逆过程,本算法提取时需要借助于原始图像,其过程如下:1)依次读人原始图像x和已嵌入含水印图像xw:2)将原始图像x和已嵌入水印图像xw分别进行三级小波分解,分别得到不同分辨率级下的多个细节子图x_k.xw.(j,k:1,2,3)和两个逼近子图x.,xw.;3)读取x3,xw3k(k=0,1,2,3),并分别依据下述公式提取已嵌入的水印子图:w(xw3o-x30)w3k(xw3k-x3k)i13,k=l,2,34)将上一步公式中得到的w,.,

14、w3k(k=l,2,3)进行组合并进行一级小波重构得到w:5)根据嵌人时设置的置乱密钥k,并根据水印图像的尺寸求得其置乱周期t,对ws进行tk次置乱,便得到最终的提取水印wz.4实验结果及分析4.1仿真实验我们采用经典的elaine图像(512x512x8)作为测试图像,以有特殊意义的图像”苏州大学(128x128)作为水印.在matlab7.0和windowsxp平台上进行仿真实验.对于原始图像失真度用峰值信噪比(psnr)进行量化评估,对于提取出的水印用归一化相关系数(nc)进行量化评估,按照上述的方法进行水印的嵌入和提取.结果如下图所示:图2原始图像与原始水印本栏目责任编辑:唐一东苏州大

15、学图3嵌入水印的图像与直接提取的水印州学苏大computerknowledgeandtechnology电脑知识与技术2008年第4卷第1期总第8期)网2为原始像及原始水印图像.图3为嵌入水印后的图像和未受到任何攻击下提取出的水印图像,计算得到psnr=32.00db,nc=i,说明本文算法使水印具有很好的不可见性水印检测性能稳定4.2性能检测实验为检验算法的鲁棒性,我们对嵌入水印的图像分别进行剪切,压缩,叠加噪声等攻击,对攻击后水印的提取结果进行分析评估.11剪切攻击嵌入水印后的陶像在网络上流通时,有可能受到剪切操作.我们对含水印冈像进行了剪切实验,结果如图4所永,分别对含水印图像进行了1/

16、4和1/2大小的剪切,尽管随着水印图像被剪切部分的增大,水印信息的损失也相应增多,但是由于算法是变换域嵌入水印,水印信息被分散在全部像素上.所以从结果来看,提取出的水印nc值都很高,可见本算法对剪切攻击具有很好的稳健性(a)1/4剪切攻击后的水印图像和恢复出的水印(b)1/2剪切攻击后的水印图像和恢复出的水印psnr=1368nc=0.9765psnr-984nc=【).9556图4剪切攻击后的水印图像和恢复出的水印21jpeg压缩jpeg压缩是数字图像最容易经受的图像处理.目前网络上流行的网像多数都是jpeg格式,此水印对于jpeg有损压缩是否具有较强的免疫力是衡量一种水印算法是否成功的重要

17、标准.本文对算法抗jpeg压缩的性能进行了检验.通过实验,得到不同品质冈子的jpeg压缩后提取出水印的nc值,如下表所示:表2jpeg压缩实验结果町见本算法对jpeg压缩有较好的抵抗性.31噪声攻击一般情况下,图像在网络上传输时,很容易受到噪声的污染.本文对嵌入水印的图像添加一种较为常见的噪声:椒盐噪声.图5为添加_r强度为o.02的椒盐噪声后的像和提取的水印实验数据表明本算法对噪声干扰具有较好的抵抗能力.嘲图5d=0.02的椒盐噪声攻击后的水印图像和恢复出的水印psnr=22.22nc=o.91345结论本文捉出.种基于dwt域的图像数字水印算法.本算法在水印嵌入之前对水印信息进行了置乱处理

18、,之后采用了多分辨率思想,住原始图像的小波变换域进行水印信息的自适应嵌入,从实验结果看出,水印信息在嵌入后具有良好的不可见性和提取的稳健性该算法计算简单,容易实现,并且具有较好的效果,有一定的应用价值.参考文献:coxij,millermi.thefirst50yearsofelectronicwater-markingj.journalofappliedsignalprocessing,2002,(2):126132.21杨义先,钮心忻.数字水印理论与技术【me京:高等教育出版社,2006.31程正兴./j,波分析与应用实例m】.西安:两安交通大学出版社,2006.丁玮,闫伟齐,齐东旭.基于arnold变换的数字图像置乱技术lj1.计算机辅助设计与图形学,2001,13(4):338341.f51陈武凡小波分析