TD-SCDMA交织算法在图像数字水印中的应用

周炳忠，张 浩，李永平

（温州职业技术学院 信息技术系，浙江 温州 325035）

0 引 言

交织技术在话音通信中有着广泛的应用，如应用于GSM、TD-SCDMA中可抵抗无线环境中的突发干扰。话音通信中采用的交织多为一维交织算法，该交织算法能有效对抗传输中出现的连续、成块、突发错误。语音通信交织处理的是一维信号，而数字图像可看作二维的数字信号。

为提高图像数字水印系统的鲁棒性，需将TD-SCDMA交织算法由一维拓展至二维。如直接将语音的一维交织技术应用于图像数字水印系统中，信号离散化效果较差。这是由于二维数据的连续性特征和一维数据的连续性特征存在很大差异，不能有效地纠正这些二维成块错误数据，成块错误对水印的质量影响很大，可能导致水印信息无法识别。为解决成块错误变成离散的状态，减小水印系统某些几何攻击带来的影响，可将TD-SCDMA帧相关交织算法由一维拓展至二维，并形成基于TD-SCDMA的二维交织算法。关于二维交织算法已有相关研究成果[1-3]，本文结合文献[4]，将TD-SCDMA二维交织算法应用于图像数字水印系统中，可有效抵抗剪切攻击，提升系统的鲁棒性。

1 TD-SCDMA帧相关交织原理

为应对干扰，提升话音质量，交织是TD-SCDMA中抵抗连续突发错误的有效方式。TD-SCDMA帧相关交织算法原理[5]为：假设待交织的一段数据输入序列为x1,x2,x3,…,xu，U为CCTrCH信道的一个无线帧内所包含的比特数，等于分割后各物理信道上所发送的比特数之和，即：

其交织步骤为：

（1）将待交织序列的列数定为C=30，编号依次为1,2,…,30。

（2）计算交织的行数R，使之满足公式：(R-1)C

（3）将形成的行序列输入交织器。如所有比特输入完毕但交织器尚未填满，即当U≤RC时，则需填充相应比特。

（4）按照二次交织列间变换规则（见表1）的交换顺序读出各列。如读出后的数据为填充比特，则删除。

经过以上4个步骤后便可得到二次交织后的数据序列。

表1 二次交织列间变换规则

2 TD-SCDMA交织算法在图像数字水印中的应用

2.1 水印嵌入方案描述

图像数字水印的主要作用是将版权等信息（水印信息）嵌入到数字图像中，嵌入水印后的图像质量未明显变化，在经历一定的攻击后仍能提取出可识别的原始水印，从而实现保护版权、鉴别真伪的目的。

图像数字水印处理流程大致包括数字水印的生成、嵌入和提取三个过程[6]，如图1所示。

将TD-SCDMA交织算法应用于图像数字水印处理，需先将原交织规则拓展至二维，经历以下5个步骤：

图1 图像数字水印处理流程

（1）为增强交织效果，提升数字水印系统的鲁棒性，需将原始水印图像的原始方阵（见图2a）经过3次块间置乱（按顺时针方向置乱），可得到如图2b、2c、2d所示的三个方阵。

图2 原始水印图像的原始方阵及3次置乱后的方阵

原始水印图像与第1次置乱后水印图像的比较如图3所示。

（2）对图2b所示的第1次置乱后的30*30水印图像按列进行交织，第1次交织列间变换规则见表2。

图3 原始水印图像与第1次置乱后水印图像的比较

（3）对第1次按列交织后的水印图像按行再次进行交织，第2次交织行间变换规则见表3。

二维交织过程后的水印图像各个分量已经较为均匀地散布在整个图像区域中，如图4所示。

（4）参照文献[5]的方法，将置乱后的水印图像信息乘以嵌入强度系数0.1后，嵌入到原始图像DCT（Discrete Cosine Transform）变换域的（2,2）、（1,2）和（2,1）三个位置，如图5所示。

表2 水印图像第1次交织列间变换规则

表3 水印图像第2次交织行间变换规则

图4 二维交织后的水印图像

图5 水印图像嵌入原始图像DCT变换域的位置

（5）将嵌入的水印图像执行DCT反变换得到水印加密后的图像。

2.2 实验过程

实验选用256*256的cameraman.tif图像作为原始水印图像（见图6a），30*30大小的二值图像作为水印图像（见图3a），执行以下步骤：

（1）对原始水印图像进行2.1中步骤1的置乱处理。

（2）按2.1步骤2和步骤3实现二维交织过程，得到待嵌入的水印图像。

（3）按2.1步骤4将置乱后的水印图像信息乘以嵌入强度系数0.1，将二维交织后水印数据嵌入原始水印图像二层至三层的低频子带中。

（4）对嵌入水印后的cameraman图像进行剪切攻击，并提取剪切攻击后的水印图像。

嵌入水印受攻击后的cameraman图像及提取的水印图像，如图6所示。

2.3 性能评估

对提取出来的图像数字水印用归一化相关系数（NC）衡量水印算法的效果[6]，NC值在0～1之间，表征两幅图的相似程度，NC值越接近1表示两个图像越相似。

实验后可得到水印算法抗攻击性能，用归一化相

图6 嵌入水印受攻击后的cameraman图像及提取的水印图像

关系数（NC）衡量水印算法的抗攻击性能，即：

其中，W表示原始水印图像，W表示提取的水印图像。

依（1）式计算NC值，结果见表4。

表4 水印算法抗攻击性能NC值

为验证基于TD-SCDMA二维交织算法的有效性，进一步得到剪切攻击程度与NC值的关系，按行和列分别剪切横坐标相应比例的连续像素，计算出对应比例的平均NC值，如图7所示。

由图7可知，当剪切到10/16时，提取水印所得的NC值仍然大于0.7，基本能识别。随着剪切面积越大，NC值越小。

图7 剪切攻击程度与NC值的关系

3 结 论

本文构建了一种将TD-SCDMA交织算法由一维拓展至二维，并将其应用于数字水印中的方案。实验结果表明，基于TD-SCDMA的二维交织算法可处理二维图像信号，应用于图像数字水印系统中，可使因几何攻击形成的成块连续错误分散化，有利于后期的纠错处理，有效提升了图像数字水印系统抗几何攻击的鲁棒性。

[1]潘哲朗，许红山.SP二维交织算法在水印中的应用[J].广州大学学报:自然科学版，2005，4(3):220-223.

[2]易琛，张天骐，胡然，等.BSP二维块交织算法结合RS纠错码在水印中的应用[J].计算机应用研究，2012，29(8):3029-3032.

[3]BLAUM M，BRUCK J，VARDY A.Interleaving schemes for multidimensional cluster errors[J].IEEE Transactions on Information Theory，1998，44(2):730-743.

[4]周品，李晓东.MATLAB数字图像处理[M].北京:清华大学出版社，2012:295-296.

[5]彭木根，王文博.TD-SCDMA移动通信系统[M].北京:机械工业出版社，2007:87-91.

[6]王丽.抵抗几何形变和剪切攻击的鲁棒图像水印[D].北京:北京交通大学计算机与信息技术学院，2005.