一种基于直序扩频和跳频技术的数字水印方案 - 图文-

1、第36卷第6期上海师范大学学报(自然科学版Vol.36,No.6 2007年12月Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences2007,Dec.一种基于直序扩频和跳频技术的数字水印方案姚恒,王沛(上海师范大学数理信息学院,上海200234摘要:打破了传统的基于直序扩频数字水印算法的局限,创新性的提出了一种结合直序扩频(DS和跳频(FH技术的数字水印方案.考虑到系统的频带限制,实际操作中采用软扩频方法来代替直序扩频,跳频的频率范围在图像子块离散余弦变换的中频系数中选择.通过计算相邻系数平均值来自适应调整待量化DCT系数的量化间隔,

2、大大提升了水印系统的逼真度.根据单极性量化方法实现盲检测.整个算法使用双重密钥,使得水印系统针对JPEG压缩攻击具有较强的保密性和抗干扰性.经实验表明:水印是不可察觉的,由于水印嵌入到载体图像的DCT域,所以本算法对抵抗JPEG压缩具有很好的鲁棒性.关键词:数字水印;直序扩频;调频扩频;自适应量化中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:100025137(200706200472060引言数字水印技术是一种通过在被保护的数字对象中嵌入不可见信息来证明版权归属或跟踪侵权行为的新兴技术.扩频水印已成为研究热点.扩频水印具有抗干扰能力强和不易检测等优点.目前主要的扩频水印方法14为直序扩频.直

3、序扩频出现的主要问题有:载体信号的频带有限制,无法充分发挥直序扩频的优势;算法复杂度高,水印的生成和提取算法应用存在难度;算法自适应不高;不易实现盲检测和盲提取.提出一种基于FH/DS系统的数字水印方案.算法主要优点:有效结合直序扩频和跳频技术,使之应用于数字水印领域;水印算法复杂度较低;自适应调整DCT系数的量化间隔,增加了图像的逼真度;实现盲水印提取.跳频(FH和直扩(DS系统都具有很强的抗干扰能力,是用的最多的两种扩频技术.两种方法都有自己的独到之处,但也各自存在不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力.例如直扩系统对同步的要求高,远-近效应影响大,跳频在抗选择性

4、衰落,抗多径等方面的能力不强.需要发送的信号首先被伪随机码I扩频,随后去调制由伪随机码II控制的频率合成器产生的跳变频率,被放大后发送出去.接收端解跳频,得到一固定中频的直扩信号,然后进行解扩,送至解调器,将传送的信号恢复出来.这里用了两个伪随机码,一个用于直扩,一个用于控制频率合成器.一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得多.收稿日期:2007209214作者简介:姚恒(1982-,男,上海师范大学数理信息学院硕士研究生;王沛(1970-,女,上海师范大学数理信息学院副教授.采用FH /DS 混合扩频技术,有利于提高系统的抗干扰性能.干扰机要有效地干扰FH /DS 混合

5、扩频系统,需要同时满足两个条件:干扰频率要跟上跳变频率的变化;干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限.否则,就不能对系统构成威胁.混合系统的处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积,即G p =10lg N +10lg B D SB s dB .(1其中:B DS 为直扩信号带宽;B S 为信号带宽;N 为跳频的可用频道数.1自适应盲水印算法原理本算法主要分为水印生成,水印嵌入和水印提取3个部分1.1水印生成方法水印生成采用先直序扩频再跳频的方法 ,算法框图如图1所示.图1扩频水印生成框图图2DCT 系数Zig -Zag 排序示意图由于水印信号的频带有限,在一些频带受限的情况下难以满足系统的要求,故多

6、采用一种软扩频技术5.所谓软扩频又称缓扩频,即进行频谱的某种缓慢扩展变化.软扩频实际上是一种(N ,k 的编码,用长为N 的伪随机码去代表k 位信息,k 位信息有2k 个状态,则需2k 条长为N 的伪随机码代表k 位信息码的2k 个状态,其扩频率为N /k .由此可见,软扩频就是实现(N ,k 的编码,用k 位信息码的状态,去确定这k 位信息码的状态对应的长为N 的伪随机码,不同的状态对应于不同的伪随机码,从而完成扩频.1.1.1软扩频首先将N ×N 的二进制水印转换成一维序列m ,再将原始信息以k 比特为一组(作为一个字符,共产生L 个字符.基于此,这里设原始信息为单极性二值序列,

7、其长度为kL,即m =m i m i 0,1,0i k ×L -1.(2它产生的字符串可表示为:s =s i 0s i 2k ,0i L -1.(3设最终序列长度为M ,则一共产生2k 个长度为M /L 的正交伪随机序列.当无法找到足够多组的正交序列时,使用近似正交的2k 组序列代替p i =p ij p ij 1,-1,0j M /L -1,0i 2k -1.(4然后每个字符s i 从正交伪随机序列的集合中找到下标为s i 的伪随机序列r i =p s i ,0i L -1.(5最后将所有这些选出的伪随机序列串联起来构成最终的扩频序列W =L -1i =0r i =W i W i

8、1,-1,0i M -1.(684上海师范大学学报(自然科学版2007年1.1.2跳频水印嵌入载体图像的DCT域中.对载体图像进行8×8不重叠分块DCT变换.经过Zig-Zag排序,对子块进行编号.编号排序示意图如图2所示.选择在编号n1n2的一个系数中随机的嵌入水印,符合跳频的思想.n1和n2通过实验选取,原则上是选择子块的中频位置,这样可以在水印的鲁棒性和透明性上达到一种折衷.通过密钥K2产生一组长度为M的在n1,n2范围内的伪随机整数序列Q.即Q=Qi n1Q in2,0iM-1.(7假设欲嵌入第i位序列,则选择在第i个子块的编号为Qi的系数中嵌入水印.1.2水印嵌入算法嵌入算

9、法采用自适应的DCT量化方法.对一幅载体图像的每个子块的n1n2编号的系数中,嵌入一位水印,嵌入位置的选择采用2.1水印生成算法中跳频的方法,嵌入算法采用自适应的单极性量化抖动算法,量化间隔取决于待嵌入系数的相邻编号的系数值.(1计算相邻编号系数特征平均值.假设欲嵌入水印的DCT系数为xQ i,则相邻编号的系数取x Qi-2,x Qi-1,x Qi+1,x Qi+2.计算选择系数x i,j的相邻特征平均值6,7,首先将所有子块中被选中的DCT系数和其相编号系数加上一个f使所有系数成正数,f通过实验选取.随后计算4个相邻编号系数的均值m mean=m ean(x Qi-2,x Qi-1,x Qi

10、+1,x Qi+2.(8(2选择量化步长并划分区间.传统的基于量化的方法中多采用固定的由实验得到的量化间隔,固定的量化间隔必然造成了图像逼真度的降低.每一次量化的步长根据待量化值上下左右4个方向的均值选取.即:=g×mm ean.(9这里g为加权因子,根据实验选取.根据选取的量化步长将坐标轴分割成A区间和B区间,分割方法如图3所示,并计算整数商t 和余数r:t= x Qi/,(10r=x Qi-t×.(11(3量化系数.当Wi =1时,使量化结果xQi等于与xQ i最接近的A区间集中某一区间的中间坐标值;当Wi =0时,使xQi等于与xQ i最接近的B区间集中某一区间的中间

11、坐标值.即当t=0且Wi=1时:xQi=/2.(12当t=0且Wi=-1时:xQi=3×/2.(13当m0且Wi=1时:xQi =2k×+12如果t=2k2k×+12如果t=2k+1以及r12(2k+2×+12如果t=2k+1以及r>12.(14当m0且Wi =-1时:94第6期姚恒,王沛:一种基于直序扩频和跳频技术的数字水印方案x Q i =(2k +1×+12如果t =2k +12k ×-12如果t =2k 以及r 12(2k +1×+12如果t =2k 以及r >12.(15对单极性系数x Q i 进行量化

12、操作后,水印比特W i 包含的信息由量化结果x Q i 所在的区间集唯一确定,如果在A 代表1,如果在B 代表-1.1.3水印提取算法水印提取算法是水印生成和嵌入算法的逆过程.水印提取算法如图4所示.将图像分成不重叠的8×8子块.根据密钥K 2产生范围在n 1,n 2的伪随机整数序列Q.通过Q 选择嵌入水印的位置.设嵌入水印的系数为x Q i ,如果x Q i 处在A 区间,则对应W i 为1,反之W i 为-1.得到长为M 的序列W 后,以M /L 为单位进行分组.每组记为r i 即r i =r ij r ij 1,-1,0j M /L -1,0i L .(16采用同生成方法相同的

13、方法用密钥K 1产生2k 个长度为M /L 的正交伪随机序列p i .分别计算r i 与2k 个正交伪随机序列的互相关值,互相关值最大所对应的序列编号s i 即为一个水印字符.将所有字符转换成二进制并串联,即得到长为kL 的二值水印.图3量化区间分割图4水印提取算法框图2试验数据分析本次试验采用512×512大小的Lena 灰度图像作为载体图像(图5a ,采用32×32的二值图标作为原始水印(图6a .k 取4,2k 组正交的伪随机序列通过两组4级线性反馈移位寄存器并联得到.n 1和n 2分别取6和20.加性因子f 取260,加权因子g 取0.15.嵌入水印后的图像(图5b

14、 峰值信噪比:PS NR =44.973,水印在添加后仍然具有良好的不可见性.(a 原始Lena 图像(b 水印嵌入后的图像图5水印不可见性实验05上海师范大学学报(自然科学版2007年 (a 原始水印(b JPEG (Q =50(c JPEG (Q =30(d JPEG (Q =25图6水印鲁棒性实验针对水印图像容易受到的攻击进行鲁棒性测试.图6b 6d 给出了针对JPEG 压缩(Q =50,30,图7JPEG 压缩响应曲线25攻击手段下检测到的水印图标.图7给出了JPEG 有损压缩攻击下提取出水印的响应曲线图.由图5可以看出,加水印图像达到了水印透明性的要求,水印隐藏效果较好.图6表明遭受

15、JPEG攻击后提取出的水印仍然与原始水印具有很高的主观相似度.图7证明了本算法在受到JPEG 压缩攻击提取出的水印与原始水印具有较高的客观相似度.3结论本文作者针对传统的基于直序扩频水印算法的不足,提出了一种结合直序扩频和跳频思想的数字水印新方案,有效的结合了两种主要扩频方法的优点.通过双重密钥较好的加强了水印系统针对JPEG 攻击的保密性和抗干扰性.水印的提取不再需要原始图像,实现了盲水印检测和提取.在满足不可见性条件和保密性的前提下,对各种攻击尤其是JPEG 压缩表现出了良好的稳健性.由于使用了通过计算相邻系数特征平均值的自适应量化方法,大大提高了图像的自适应性,能够应用于各种图像上.当然

16、,本方案仍有值得改进之处.主要有:当式(4中M /L 足够小或k 足够大时,密钥产生的伪随机序列之间的正交性不足;自适应嵌入算法中没有更好的结合图像的局部纹理特性;算法对除JPEG 压缩攻击外的一些攻击的鲁棒性表现不够理想;抗几何攻击效果不佳.这些不足之处需要在今后的研究中进一步改进.参考文献:1HART UNG F,GI ROD B.W ater marking of uncomp ressed and comp ressed videoJ .Signal Pr ocessing,Special Issue onCopyright Pr otecti on and Access Contr

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22、, WANG Pei ( College of M athematics and Sciences, Shanghai Nor mal University, Shanghai 200234, China Abstract: A novel water marking algorithm based on FH /DS system is p roposed without using the traditional method of direct se2 ogy are both app lied in this scheme. The frequency bandw idth of sy

23、stem is not so w ide, so DS method is rep laced by soft sp read the watermarked im age and the invisibility of the watermark had been enhanced by calculating the neighboring coefficients mean quence sp read spectrum separately D irect sequence sp read spectrum technology and frequency hopp ing sp read spectrum technol2 . spectrum method. Inte