基于数字水印的西域文化数字图像版权保护方法研究

化希耀 高贤强 陈立平

(1 塔里木大学西域文化研究院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 塔里木大学信息工程院， 新疆 阿拉尔 843300)



基于数字水印的西域文化数字图像版权保护方法研究

化希耀1高贤强2陈立平2

(1 塔里木大学西域文化研究院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 塔里木大学信息工程院， 新疆 阿拉尔 843300)

结合西域文化数字博物馆发展需要，提出将数字水印技术应用到西域文化数字图像版权保护中。首先详细阐述了基于离散余弦变换的数字水印算法和基于小波变换的数字水印算法；仿真实验表明，两种变换域数字水印算法都具有较好的透明性，对Jpeg压缩、椒盐噪声、中值滤波和剪切等攻击具有较强的鲁棒性，且基于小波变换的数字水印算法稳定性和鲁棒性明显优于前者。本文可为今后进一步开发西域文化博物馆数字水印系统提供依据。

数字水印； 西域文化数字图像； 版权保护； 离散余弦变换； 小波变换

1 引言

塔里木大学西域文化博物馆自2002年建馆以来，现已建立和制作西域研究文献书库、西域文化研究网站、“西域影像志”视频库、“人文塔里木”和“文化丝绸之路”等主题数字图像库，为更好的宣传和保护西域文化发挥了巨大的作用[1]。随着学校与对口支援高校共同启动的一系列“数字西域文化”研究项目的实施，西域文化博物馆的数字化建设将更加完善，未来将会有更多的数字资源在网上发布、展示和共享。但数字化使博物馆在更好地发挥其作用的同时，也会伴随着被任意下载、编辑和篡改等版权保护问题。数字水印技术是信息隐藏的一个重要分支，它是在不影响数字产品使用的前提下，将版权信息嵌入到数字产品的冗余信息当中，并且不易被人感知和察觉，达到版权保护的目的[2]。数字水印技术自提出20多年以来，已经在图像、视频、音频、文本、数据库等常规媒体方面都已经开展了很多研究工作，并取得了较好的研究成果[3-6]。典型的数字水印算法有空域水印、变换域水印和压缩域水印等，其中变换域水印是目前常的水印算法[7]。

本文以西域文化数字图像版权保护为出发点，研究和探讨了西域文化数字图像水印的生成、嵌入和提取方法，以期为西域文化数字图像版权保护提供思路。首先介绍了Arnold置乱技术、基于离散余弦变换(DCT)的数字水印算法[8，9]、基于小波变换(DWT)的数字水印算法[10]和水印客观评价方法，然后从西域文化图像库中选取5张图像进行水印嵌入、提取和鲁棒性测试实验。实验结果表明，两种变换域数字水印算法都具有较好的透明性和鲁棒性，且基于DWT变换的数字水印算法明显优于基于DCT变换的数字水印算法，本文为今后进一步开发西域文化博物馆数字水印系统提供了依据。

2 两种变换域数字水印算法

2.1 Arnold置乱技术

置乱是一种图像加密方法，是指通过某种变换重新排列图像中像素的位置，使得原图像的面目全非，从而达到图像保护的目的。在数字水印中采用图像置乱技术，一方面可以改变图像的面貌，另一方面减少了图像中像素的相关性，使得原来集中在一起相关性较高的像素分散到不同位置，这样在水印提取时，不会因部分像素点的变化而影响整体效果，从而提高了水印的鲁棒性[7]。本文采用了Arnold置乱技术对水印进行预处理。Arnold变换，也叫猫脸变换，是V.J.Arnold在遍历理论的研究中提出的一种变换[7]。Arnold变换的过程和算法描述为：

设有一个M阶方阵，则采用Arnold变换后方阵中的元素位置变化满足：x′=(x+y)modM,y′∈=(x+2y)modMx,y{0,1…，M-4}，其中,和x′和y′是变换前后的坐标。

研究表明Arnold变换在经过多次迭代变换后，可以恢复到初始值。所以在设计水印算法时，先将水印迭代变换m次进行预处理，在水印提取时，再继续迭代T-m次。

2.2 基于离散余弦变换的数字水印算法

2.2.1 离散余弦变换(DCT)

在图像处理中常采用离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)和主成分变换(K-L)等变换，将图像从空间域变换到频率域，这样可以在图像的变换域进行相关的操作[8]。基于离散余弦变换的数字水印具有计算量小、易于实现和鲁棒性强等特点，是目前在数字水印算法中采用较多的一种变换。

2.2.2 水印嵌入过程

图1 水印的嵌入过程

设原始图像为IMM×N，水印图像为WMp×q。

2.2.2.1 采用Arnold置乱算法对二值水印图像置乱m次，这样可以减少水印信息的相关性。

2.2.2.2 将原始M×N的图像分割成M/8×N/8个8×8分块，Bloki，j1≤i≤M/8，1≤j≤N/8。

2.2.2.5 最后将反变换后的分块组合成新的图像。

2.2.3 水印提取过程

图2 水印的提取过程

2.2.3.1 将带水印的图像IMM×N′和原始图像IMM×N分别分割成若干个8×8分块。

2.2.3.2 若Blocki'>Blocki则将WM(p,q)赋值为1，否则赋值为0。

2.2.3.3 将得到的水印矩阵WM采用Arnold反置乱T-m次，得到提取的水印图像。

2.3 基于小波变换的数字水印算法

2.3.1 小波变换(DWT)

小波变换在图像处理中的基本思想是把图像进行多分辨率分解,生成不同空间和独立频带的子图像,然后对子图像的系数进行处理[10]。图像经过1级小波变换后,被分解成4个子图： l个水平细节子图HL、1个垂直细节子图LH、1个近似子图LL和1个对角细节子图HH。可对近似子图LL再实施小波变换,得到下一级4个子图。近似子图是原始图像的最佳逼近，包含原始图像的大部分能量。本文采用3级小波变换，选择第3级小波变换的近似子图LL3作为嵌入子图，这样可以提高嵌入水印的信息量和鲁棒性。

2.3.2 水印嵌入过程

图3 水印的嵌入过程

设原始图像为IMM×N，水印图像为WMp×q。

2.3.2.1 采用Arnold置乱算法对二值水印图像置乱m次。

2.3.2.2 采用3级小波变换将原始M×N的图像进行分解。

2.3.2.3 选择第3级小波变换的近似子图作为嵌入对象(可嵌入的水印信息量大，且鲁棒性较好)，将置乱后的水印嵌入到其中。嵌入方法为：LL3i,j=LL3i,j×(1+a×WM(i,j))，a为嵌入强度。

2.3.2.4 再对嵌入水印后的子图像进行3级小波逆变换，得到含水印的图像。

2.3.3 水印提取过程

图4 水印的提取过程

2.3.3.1 将带水印的图像IMM×N′和原始图像IMM×N分别进行3级小波分解。

2.3.3.2 选择第3级近似子图LL3和LL3'，若LL3(i,j)'>LL3(i,j)则将WM(p,q)赋值为1，否则赋值为0,WM为提取的二值水印图像。

2.3.3.3 将得到的水印矩阵WM采用Arnold反置乱T-m次，得到提取的水印图像。

2.4 水印评价

评价嵌有水印图像整体质量的客观标准一般采用峰值信噪比(PSNR)和归一化相关系数(NC)。PSNR越大，代表图像失真越少。NC越接近1，说明水印效果越好。

(1)

其中，M和N表示图像的大小，f(i,j)和fw(i,j)分别表示原始图像和嵌入水印后图像在(i,j)点的像素值。

(2)

M1和N1表示水印的大小，W(i,j)和W*(i,j)表示原始水印和提取的水印在(i,j)点的像素值。

3 仿真实验及结果分析

3.1 样本图像的选取

西域文化博物馆现藏有上千副图像，主题包括新疆各历史时期的珍贵文物、五大文明、环境文明和名人赞像等。这些图像亮度、纹理和特征都不同，本文从图像库中筛选了5副图像进行实验，如图5所示。

3.2 实验结果及分析

本文实验环境采用Matlab7.6，原始图像是5张512×512的灰度图像。原始水印为一张64×64的二值图像。两种变换域水印算法的嵌入强度均为0.03。为进一步测试两种算法的稳定性和鲁棒性，依次选用四种水印攻击方式，包括：①Jpeg压缩(70%)、②0.05椒盐噪声、③3×3中值滤波、④剪切左上角1/4,记作a1～a4。实验结果如表1所示。实验采用峰值信噪比(PSNR)评价原始图像和含水印图像的差别，归一化相关系数(NC)评价提取的水印和原始水印的相似度。

(a)Jpeg压缩 (b)椒盐噪声 (c)3∗3中值滤波 (d)剪切左上角

(a)Jpeg压缩 (b)椒盐噪声 (c)3∗3中值滤波 (d)剪切左上角

表1中a0表示在没有攻击下计算的PSNR和NC，a1～a4表示在四种攻击下计算的PSNR和NC。从表中可以看出，在无攻击时两种算法对含水印的5张图像的峰值信噪比都在35以上，提取的水印归一化相关系数基本都在0.98以上，说明算法的透明性较好。在a1～a4几种攻击下，基于DCT变换的水印算法NC值变化较明显，说明算法的稳定性较弱。而基于DWT变换的水印算法除椒盐噪声攻击下NC值略高于0.8，其它三种攻击下NC值都稳定在0.9以上，稳定性和鲁棒性明显优于前者。图6是在四种攻击下，图像5作为原始图像提取的水印。

表1 水印鲁棒性实验结果

4 结束语

本文针对西域文化数字图像版权保护问题，提出了将数字水印技术应用到数字图像当中，在不影响图像使用的前提下，达到版权保护的目的。采用两种变换域数字水印算法对挑选的5张图像进行了水印的嵌入和提取实验，并分别采用Jpeg压缩、椒盐噪声、中值滤波和剪切等几种方式对含水印图像进行攻击。仿真结果表明，几种攻击方式下，两种变换域算法均能提取出清晰的水印信息，且基于小波变换的数字水印算法明显优于基于离散变换的数字水印算法。本文研究为进一步开发西域文化博物馆数字水印系统提供了依据。然而需要指出的是，数字博物馆中藏有海量的图像，今后如何提高算法的效率和自适应性还需要深入研究和探讨。

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[2] Tirkel A Z, Rankin G A, Van Schyndel R M, et al. Electronic watermark [J]. Digital Image Computing, Technology and Applications (DICTA’93), 1993(1):666-673.

[3] 曹礼刚等.基于数字水印技术的数字博物馆版权保护研究[J].计算机仿真,2005(4):1-6.

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[5] 宗旸.数字水印技术在数字博物馆中的应用[J].东南文化,2010(3):81-85.

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[7] 赵翔,郝林.数字水印综述[J].计算机工程与设计,2006,27(11):1946-1950.

[8] 刘颖.基于DCT数字水印技术的研究与实现[D].东北大学硕士论文,2009:19-54.

[9] 王国明,候整风.基于离散余弦变换的数字水印算法[J].计算机工程与设计,2008,29(21):5635-5637.

[10] 傅德胜,黄伟.基于小波变换的数字水印及Matlab实现[J].计算机工程与设计,2008,29(4):1004-1010.

Study on Copyright Protection Method of Western Culture Digital Image Based on Digital Watermarking

Hua Xiyao1GaoXianqiang2Chen Liping2

(1 Institute of Xiyu Culture,Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

(2 College of Information Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

According to the need of digital western culture museum development, the paper put forward using digital watermarking technology into copyright protection of western culture digital image. Firstly, this paper elaborated the digital watermarking algorithm based on discrete cosine transform and digital watermarking algorithm based on wavelet transform; simulation experiment showed that both of the two transform domain digital watermarking algorithm had good transparency, and had stronger robustness to Jpeg compression, salt and pepper noise, median filtering and shear attack, and DWTwas superior to the former. This paper can provide the basis for further development of the Western Culture Museum digital watermarking system in the future.

digital watermarking;western culture digitalimage; copyright protection; DCT; DWT

2014-10-16

国家自然科学基金(61162018)；新疆生产建设兵团普通高校人文社会科学重点研究基地塔里木大学西域文化研究院开放课题基金资助(XY1408)；塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201414)；塔里木大学高等教育研究项目(TDGJ1411)

化希耀(1982-)，男，汉族，讲师，硕士，主要从事计算机应用技术方面的教学与研究。 E-mail: hua-28@163.com

1009-0568(2015)02-0063-06

TP391

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.02.012