基于HVS和DWT的双彩色数字图像水印技术

万志银,唐国红,李桂林

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙　410114)

基于HVS和DWT的双彩色数字图像水印技术

万志银,唐国红,李桂林

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙410114)

摘要根据HVS系统,人眼对于红、绿、蓝三色的敏感程度是不同的。人眼对于蓝色分量最不敏感,故嵌入水印有良好的透明性,但同时在红色分量中嵌入水印具有良好的鲁棒性。为解决水印嵌入的视觉失真问题,采用了不同基色对应不同的加权系数的水印嵌入方案。同时,将彩色水印图像嵌入彩色宿主图像的中频段以及多次嵌入低频段来增加算法的鲁棒性。仿真结果表明,该算法具有较好的透明性,且提取水印效果较好。

关键词HVS;数字水印;鲁棒性

Double Digital Watermarking Technique for Color Images Basedon DWT and HVS Characteristics

WAN Zhiyin,TANG Guohong,LI Guilin

(School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China)

AbstractThe human eye has different sensitivity to the red,green,and blue in the HVS.The human eye is least sensitive to the blue component,so the embedded watermark has a good transparency.But in the red component of the embedded watermark is robust.In order to solve the problem of visual distortion in watermarking,we take a watermark embedding scheme that different color corresponding to different weighting coefficients.While the color watermark image is embedded in the host image color as well as multiple embedded low frequency bands to increase the robustness of the algorithm.Simulation results show that the algorithm has good transparency and good watermark extraction.

KeywordsHVS;digital watermark;robustness

互联网的快速发展使得数字信息的传播和获取变得越来越容易,同时也导致了数字媒体作品被非法复制、篡改、传播等问题的产生,版权保护成为一个亟需解决的问题。在这样的背景下,数字水印技术应运而生,并得到良好发展[1-2]。

数字水印技术是将一些标识信息直接嵌入到数字载体中,并不影响原载体的使用价值,也不影响被探知和再次修改。通过这些隐藏在载体中的信息来达到确认内容的创建者、购买者以及传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的,从而达到数字媒体版权保护的目的。根据水印的嵌入位置可将水印算法分为:空域数字水印算法和变换域数字水印算法[3-4]。空域水印是直接在空域中对采样点的幅度值进行改变,而变换域水印是对变换域中的系数进行改变。近些年来变换域算法是热点之一,常使用的是DCT或DWT两种变换[5]。本文采用离散小波变换,并结合人类视觉系统提出了一种基于HVS和DWT的双彩色数字水印算法。

1离散小波变换

设f(t)为平方可积函数,Ψ(t)为基本小波或母小波的函数,则

(1)

式(1)是连续小波变换,但实际中为精简计算通常采用的是离散小波变换。将尺度因子a和位移b进行离散化,设a=a0,b=ka0b0,扩展步长a0≠1且是固定值。若a0>1,则离散小波变换为

(2)

其中,j∈Z,且a0,ka0b0和t均为连续变量。

图1　二位离散小波变换的二层分解示意图

2水印的嵌入和提取

2.1　HVS特性和嵌入位置分析

人类视觉系统(Human Visual System,HVS)。人类通过人类视觉系统来获取外界的图像类信息,通过光辐射对眼睛的刺激引起生理以及心理上的变化,这种变化就是视觉。人类视觉系统对于图像的认识是非均匀以及非线性的。HVS特性包含了以下几个方面:频率敏感性、亮度敏感性、纹理掩蔽特性,方向特性以及光谱特性[8-9]。本文则利用HVS的光谱特性和频率敏感特性。

人眼对于不同颜色的光其敏感程度不同,对于绿光最敏感。如果彩色图像中绿色分量像素点值稍有改变,人眼就能感知到,则嵌入水印的强度较小;对于红色的敏感程度稍逊于绿色;而对于蓝色则最不敏感,这意味着在彩色图像蓝色分量的小波域中嵌入水印很难被察觉,且嵌入水印的强度较大[10]。水印的嵌入强大越大,鲁棒性就越好,那么水印受到攻击以后提取出的水印也就越完整。因此,采取不同基色乘以不同的权值来解决视觉效果上的失真。权值比εR∶εG∶εB=2∶1∶4(4)时嵌入效果最佳,其中εR为R基色上的权值。

就HVS的频率敏感特性而言,若将图像从空域变换到频域,频率越低,人眼的敏感性越高;频率越高,人眼的敏感性也就越低。HVS的频率特性说明了人眼对于高低频率的敏感程度是不同的,则若在低频部分嵌入水印就不如在高频部分嵌入的水印的透明性好,但在高频部分嵌入水印抗攻击性较差。折中一下,本文采取将水印嵌入到宿主图像的中频部分,并将水印多次嵌入到低频部分来提高算法的鲁棒性。

2.2　小波基的选择

数字水印中的小波基选择通常是正交小波基,而本文选取双正交小波基。双正交小波基的组成是两个尺度函数以及两个小波函数,双正交小波不紧具有正交性和对称性,还同时拥有线性相位以及紧支撑。和正交小波基相比,双正交小波基对正交性的要求较低,本文采用双正交小波基是希望获得其线性相位的特性,同时降低对正交性的要求。

在图像的分解以及重构时,如若使用不同的滤波器,则设计的自由度较大,限制较少,同时图像在分解时失真度较小,而重构时平衡性较好。本文选择双正交小波基bior1.1,它的分解系数Nr=1,重构系数Nd=1。

2.3　权值系数的选取

权值系数的选取影响到算法的鲁棒性及水印提取的效果,εR、εG、εB能直接波及水印的嵌入强度,值越大嵌入强度越大,鲁棒性和水印提取效果越好,但同时水印不可见性就越差,合理地选择权值大小对本文的水印嵌入效果和提取效果影响较大。经过实验得到的数据如表1所示。

表1　权值系数数据分析

根据表1,本文选择εR=0.06、εG=0.03、εB=0.12作为水印嵌入的权值系数。

2.4　水印的嵌入步骤

(1)读入彩色原始图像(c)和水印图像(w);

(2)对原始彩色图像和水印图像进行三色分离,得到R、G、B分量。然后对原始图像和水印图像的R、G、B分量分别进行2级和1级DWT变换,选择原始图像的中频部分和低频部分作为水印嵌入区域。嵌入公式为

(3)

其中,CWR为水印嵌入图像;CR为宿主图像的R分量图像;WR为水印图像的R分量图像;ACW、HCW、VCW和DCW分别是水印嵌入图像的低频系数、水平细节系数、垂直细节系数和对角细节系数;AC2、HC2、VC2和DC2分别为宿主图像进行2级离散小波变换后的低频系数、水平细节系数、垂直细节系数、对角细节系数;AC1、HC1、VC1和DC1分别为水印图像进行1级离散小波变换后的低频系数、水平细节系数、垂直细节系数和对角细节系数。

(3)对于嵌入水印的每个颜色分量进行小波重构,形成了新的R、G、B分量;

(4)将新得到的R、G、B分量进行三色合并,得到了嵌入水印后的图像。

图2　水印嵌入过程

2.5　水印的提取步骤

水印的提取是水印嵌入的逆过程,具体步骤如下:

(1)读入原始彩色图像和嵌入水印后的图像;

(2)将原始彩色图像和嵌入水印后的图像进行三色分离,对原始彩色图像和带水印图像的R、G、B分量进行2级DWT变换得到对应的低频系数以及细节系数,然后用水印提取算法将水印提取出来,其水印提取算法就是水印嵌入的逆算法;

(3)将提取出的水印图像进行IDWT变换,再进行三色合并,得到原始水印图像。

3仿真实验结果

选择256×256的Lena彩色图像作为宿主图像,256×256的“长沙理工大学”彩色图像作为水印,Matlab作为仿真实验平台,嵌入效果如图3所示。

图3　嵌入效果图

嵌入水印图像的PSNR=30.952 6 dB,水印的不可见性好,视觉上也无法分辨原图是否嵌入了水印,提取效果如图4所示。

图4　提取效果图

提取出的水印NC=0.998,接近1,说明提取出来的水印效果良好,与原始水印相似度高。表2为各种攻击仿真结果数据。

表2　水印攻击仿真结果

图5　3种水印提取效果图

从上述结果可以看出,本文算法所得到的嵌入水印图掩藏效果好,经受各种攻击后所提取出的水印和原始水印的相似度高,鲁棒性高。

4结束语

本文提出了一种结合HVS特性和DWT变换的数字水印算法,选取双正交小波基,将水印嵌入到宿主图像的中频部分和多次嵌入到低频部分,以及采取不同基色乘以不同权值的方法来增强鲁棒性,仿真实验得

到的水印嵌入图不可见性好,并且提取的水印效果理想,这证明了该算法的可行性。

参考文献

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[10]钟桦,张小华,焦李成.数字水印与图像认证—算法及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

作者简介:万志银(1991—),女,硕士研究生。研究方向:图像处理。唐国红(1966—),男,副教授。研究方向:智能信息处理与原理。

收稿日期:2015- 05- 08

中图分类号TN918;TP309.2

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)01-145-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.039