基于小波分解的灰度水印嵌入方案

1、基于小波分解的灰度水印嵌入方案        摘  要  文章提出了一種基于小波的多分辨率分解與重構(gòu)的水印算法。結(jié)合HVS的掩蔽特性，實(shí)現(xiàn)了將一幅灰度水印嵌入到彩色圖像中，比較實(shí)用于對彩色圖像的版權(quán)保護(hù)。實(shí)驗(yàn)證明，水印能抵抗大多數(shù)圖像處理的攻擊，該方案較好地兼顧了對圖像水印的不可見性要求和魯棒性要求。 關(guān)鍵詞  數(shù)字水印  小波變換  不可見性  魯棒性0 引  言      隨著信息技術(shù)和機(jī)的飛速，數(shù)字多

2、媒體信息的存儲、復(fù)制與傳播變得非常方便。在我們毫無限制地任意編輯、修改、拷貝和散布那些數(shù)字和圖像時(shí)，數(shù)字媒體的原創(chuàng)者的版權(quán)和利益如何得到保護(hù)已成為亟待解決的問題。 數(shù)字水印通過在受保護(hù)的數(shù)字對象（靜止圖像、音頻和視頻等）中嵌入水印來證明版權(quán)歸屬或跟蹤侵權(quán)行為，水印可以是序列號、公司標(biāo)志、文本等。它通過一定的算法將水印直接嵌入到多媒體內(nèi)容中而不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能蝗說母兄低巢煬酢畔梢圓糠只蛉看踴旌鮮葜謝指闖隼矗源锏槳嬡；淖饔謾?lt;/DIV> 1 數(shù)字水印生成      目前，關(guān)于水印嵌入的文章很多，但多數(shù)嵌入的水印為二值水印。灰度水印

3、比較二值水印，它所能表達(dá)的內(nèi)容更加豐富，包含的信息量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二值水印。因此，直接嵌入灰表1   DCT量化表度水印必將嚴(yán)重影響原始載體圖像的質(zhì)量，這時(shí)可以考慮的一種方法是對原始信息進(jìn)行壓縮。本文采用DCT系數(shù)量化的方法，具體如下：      圖1      （1）將原始灰度水印信息的每個(gè)像素值減去128以盡可能消除直流成分，按8×8的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行二維DCT變換，變換后的DCT系數(shù)用量化表（表1）進(jìn)行量化。       （2）將

4、量化后的系數(shù)按“之”字形排序，并選取前28個(gè)系數(shù)。       （3）將該28個(gè)系數(shù)分成三組：第1組                     系數(shù)為前3個(gè)系數(shù)，即直流系數(shù)DC及前2個(gè)交流系數(shù)AC1、AC2；第2組系數(shù)為第4到第10個(gè)系數(shù)，即AC3AC9；第3組系數(shù)為第11到第28的系數(shù)，即AC10AC27。如圖1-1所示。   

5、     (4)將第1、2組系數(shù)按位平面進(jìn)行分解，考慮盡量減少嵌入的信息量，提取第1、2組系數(shù)的負(fù)號，并保存相應(yīng)的位置，取絕對值后，按系數(shù)的大小分別用2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)位平面分解，然后轉(zhuǎn)化為一維系列并將所有的0以-1代替，最后形成對應(yīng)于第1、2組系數(shù)的W1、W2待嵌入；仿效前面的方法處理第3組系數(shù)，因第3組系數(shù)所包括的交流系數(shù)過多，且大多數(shù)值較小（為0、1的占大多數(shù)），所以與前面不同的是將系數(shù)值大于7的系數(shù)置0，并按系數(shù)大小分別用1個(gè)、3個(gè)位平面分解。最后得到對應(yīng)于第3組系數(shù)的一維系列W3。 通過以上處理的好處在于：    &

6、#160; 減小嵌入的信息量，保留較多的DCT系數(shù)，從而保證原始水印的質(zhì)量，1采用前5個(gè)系數(shù)用8位二進(jìn)制表示，后5個(gè)系數(shù)用4位二進(jìn)制表示，僅保留了前10個(gè)系數(shù)，而本文中保留了前28個(gè)系數(shù)。圖2給出了原始水印圖像和分別取前28個(gè)、前10個(gè)系數(shù)的比較結(jié)果。     由于減少嵌入的信息量，可將前10個(gè)重要系數(shù)嵌入到原始彩色圖像的低頻、中頻小波系數(shù)中，而將后18個(gè)系數(shù)嵌入到高頻小波系數(shù)中，從而在保證圖像透明性的同時(shí)，增強(qiáng)了圖像的魯棒性。     文獻(xiàn)1中，將保留的前10個(gè)系數(shù)量化生成1維系列V后進(jìn)行置亂處理，如果V中有嵌入到高頻小波

7、系數(shù)中，這樣做的結(jié)果很可能將原始信息的一些重要系數(shù)嵌入到高頻部分，從而降低了魯棒性（對JPEG的壓縮處理尤為明顯）。本文中未對二值化后的1維系列進(jìn)行置亂處理，卻保留了DCT系數(shù)的負(fù)號，并且在位平面分解中，位平面?zhèn)€數(shù)隨DCT系數(shù)值的大小而有所不同，在已知水印嵌入算法的條件下，也不可能恢復(fù)出水印，從而保證水印的安全性。 1.1 水印的嵌入      圖3 靜態(tài)圖像的三級小波分解1.1.1 小波變換與多分辨率分析       圖3給出了一個(gè)基于小波變換的靜態(tài)圖像的金字塔式多分辨率分解示意圖。圖像的離散

8、小波變換（DWT）由二維可分離的Mallat算法實(shí)現(xiàn)。      圖像數(shù)據(jù)的每一級小波分解總是將上一級低頻數(shù)據(jù)劃分為更精細(xì)的高頻數(shù)據(jù)。在多分辨率分解的第三層中，最低頻子帶LL3包含原始圖像的最低分辨率信息，而HL3，LH3和HH3是LL3的精細(xì)圖像信息，第三層圖像的HL3，LH3和HH3包含第二層圖像（HL2，LH2和HH2）的粗糙信息，而第二層圖像（HL2，LH2和HH2）包含第一層參考圖像（HL1，LH1和HH1）的粗糙信息。基于小波變換的圖像多分辨率分解特點(diǎn)表明，它具有良好的空間方向選擇性，與人的視覺特性十分吻合。1  

9、0;      1.1.2 水印嵌入       彩色圖像有RGB、NTSC、HSV和YCbCr等色彩模型。最常見的是基于三基色原理的RGB模型，即界的任何一種顏色都可以用R、G、B三種基本顏色按不同比例混合得到，這三種顏色是相互獨(dú)立的。NTSC模型特點(diǎn)是同一個(gè)信號可以同時(shí)表示彩色圖像和灰度圖像。在NTSC格式中包括Y亮度信息、I色度信息、Q飽和度信息。文中將圖像轉(zhuǎn)換到Y(jié)IQ空間可以抵抗針對RGB空間的分色攻擊，利用人類視覺系統(tǒng)的亮度掩蔽效應(yīng)，將水印全部嵌入到Y(jié)分量中。RGB與YIQ之

10、間的相互轉(zhuǎn)換可用下列等式表示： 水印嵌入按下列步驟進(jìn)行： 步驟1：圖像色彩空間轉(zhuǎn)換 實(shí)驗(yàn)用到原始載體24位真彩色圖像Lena.bmp(512×512)和64×64×8bit的灰度水印頭像。按（1）式將原始載體圖像轉(zhuǎn)換為YIQ空間。 步驟2：圖像的小波變換 對原始載體圖像YIQ平面的Y分量進(jìn)行三級小波分解。 步驟3：嵌入策略 將前面數(shù)字水印生成（4）中的W1嵌入到圖2-1 HL3、LH3、HH3中，W2嵌入到圖2-1 HL2、LH2、HH2中，W3嵌入到圖2-1 HL1、LH1、HH1中，W1、W2、W3分別嵌入3次。水印嵌入的位置按以下方法進(jìn)行：將原始載體圖像X分

11、解后的小波系數(shù)取絕對值后排序，根據(jù)嵌入信息量的大小確定嵌入閥值k，只有絕對值大于k的小波系數(shù)嵌入信息。然后判斷每一系數(shù)是否大于k，若大于k則嵌入水印，并記錄其位置。水印嵌入公式為： XW = X（1+W）（2） 步驟4：恢復(fù)RGB圖像 將調(diào)整后的小波系數(shù)分別進(jìn)行小波逆變換得到新的亮度分量Y，再將Y與原來的I、Q分量組合并轉(zhuǎn)換為RGB顏色空間。得到含水印圖像XW。 2 水印的提取過程 提取是嵌入的逆過程。分別將原始載體圖像X與含水印圖像XW進(jìn)行RGB到Y(jié)IQ的轉(zhuǎn)換，然后將Y分量三級小波分解，根據(jù)嵌入水印時(shí)記錄的嵌入位置，由（2）式得： W = XW/X-1（3） 若W>0，則提取的水印信息

12、W取1； 若W<0，則W取-1； 因?yàn)槊拷M水印共嵌入3次，即分別嵌入到HL，LH和HH中各1次，根據(jù)W的三次提取值，若有2次或3次提取值為1，則最終W=1；否則W=-1。將-1轉(zhuǎn)換為0，按位平面分解時(shí)的逆順序恢復(fù)數(shù)據(jù)，根據(jù)嵌入水印時(shí)保存的負(fù)號及位置，給相應(yīng)的系數(shù)前加上負(fù)號。再進(jìn)行DWT逆變換，恢復(fù)出水印。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論 3.1 水印的嵌入與提取 水印的嵌入根據(jù)子帶所處的級數(shù)不同采用不同的加權(quán)系數(shù)。其中，對于低頻部分，嵌入強(qiáng)度=0.1；對于中頻部分=0.2；對于高頻部分=0.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果PSNR=51.122 dB，NC=0.9958。水印具有良好的透明性。 3.2 各種攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

13、 4 結(jié)束語      本文根據(jù)人類視覺的掩蔽特性，針對原始載體圖像小波分解后系數(shù)所處的級數(shù)不同采用不同的加權(quán)系數(shù)，并選擇絕對值最大的系數(shù)嵌入水印。水印壓縮后保留了較多的DCT系數(shù)，使壓縮后的水印具有較好的質(zhì)量。水印重復(fù)嵌入3次，若有1次提取錯(cuò)誤，仍可正確恢復(fù)水印，因此具有一定的糾錯(cuò)功能。該算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 : 1 王向陽，楊紅穎，趙巖，張煒東，陳利科.基于人眼視覺特性的自適應(yīng)空域彩色圖像數(shù)字水印算法.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)，第27卷第2期，2004.6 2 孫圣和，陸哲明，牛夏牧等著.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用.出版社，2004 3 夏輝，姜建國.彩色圖像的一種小波自適應(yīng)水印算法 4 石培新，王穎.一種帶