以IMEI/IMSI为水印的手机图像数字水印算法的实现

朱静娴，陆　南，冯金金

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 21003)



以IMEI/IMSI为水印的手机图像数字水印算法的实现

朱静娴，陆南，冯金金

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 21003)

摘要：随着网络、无线通信和摄像机便携设备的快速发展，带来了数字图像很容易散布、复制和修改。针对此类问题，提出一种以手机IMEI/IMSI码为水印信息并嵌入到手机图像的数字水印算法，从而达到手机图像的版权保护。首先获取手机IMEI/IMSI，使用BCD编码将其转换成二进制向量，再使用BCH编码转换成64×64水印位图作为水印信息；然后采用离散余弦变换、离散小波变换和奇异值分解结合的算法将水印信息嵌入到手机图像；最后提取水印信息来获取用户的手机信息。实验表明该算法能够实现盲提取，具有良好的不可见性、鲁棒性，能够抵抗一定的压缩、噪声等攻击。

关键词：IMEI；IMSI；BCH编码；奇异值分解

互联网、无线通信和移动设备的快速发展，带来了数字媒体的快速传播，以手机图像为例，用户使用操作软件方便快捷地对其进行复制、修改、传播[1]。因而手机图像的版权保护已成为一个重大的安全问题。近年来，数字水印已经成为保护图像版权一种不可或缺的技术，但应用于移动设备上的数字水印方案比较稀缺。研究人员[2-4]提出了一些应用于手机上的水印算法，指出水印信息可以是文本、签名标识等。

在实际中，记录手机图像的一个较好的水印信息是IMEI(International Mobile Equipment Identity)和IMSI(International Mobile Subscriber Identity)，原因在于每部手机都有其唯一的编号。为了防止经过某些攻击后提取错误的IMEI/IMSI，因而在嵌入水印信息之前，对其进行BCH编码，增强水印的鲁棒性。同时，综合考虑水印算法盲检测、不可见性、鲁棒性及移动终端的运算速度等，采用一种基于DWT-DCT-SVD盲水印算法来实现水印信息的嵌入和提取。

1理论知识

1.1水印信息的生成和编码

水印信息有无意义和有意义水印[5]，可见和不可见水印之分，文中采用的是有意义的水印，运用算法将其作为不可见水印嵌入到手机图像中，在不影响外观的情况下，保护手机图像的版权，即IMEI/IMSI。IMEI/IMEI均由15位0～9的数字组成，其中IMEI是国际移动设备身份码的缩写，标志了GSM和UMTS网络里的唯一手机，通常被打印在手机电池的上面或在手机拨号界面输入按*#06#，即可获取这串数字；IMSI标志了GSM和UMTS网络中的唯一用户，存储在手机的SIM卡里。通过提取这些水印，可以方便地了解到该图像来自于哪款手机、哪个SIM卡。

为了增强水印的鲁棒性，采用(8，127)BCH编码[6]，即每8位二进制行向量将表示成127位向量，如式(1)所示。其中当Wj8=Cj127,Wj7=Cj126,…,Wj1=Cj120，剩下的119位是纠错位。IMEI/IMSI经过BCH码后表示成8×128矩阵，如式(2)所示，其中C1,128=…=C8,128=0。每个IMEI/IMSI是由1 024((16/2)×128)位表示，通过式(3)将其转换成64×64的水印位图。

(1)

(2)

(3)

1.2水印的嵌入准则

常见的嵌入准则可分为加法准则和乘法法则，从而产生嵌入水印后的数据，该过程可用公式表示为

Iw=f(I,W)

(4)

式中：I为原始图像信息；W为水印信息；f表示为水印的嵌入算法；Iw为嵌入水印信息后的信息。作为典型嵌入准则的提出者Cox等人曾提出了3种水印嵌入算法的公式，分别为：

1)加法准则：Iw=I+αW

(5)

2)乘法准则：Iw=I(1+W)

(6)

3)指数准则：Iw=Ieαw

(7)

式中：α为水印嵌入系数，代表水印的嵌入强度，α越大则水印的鲁棒性越好，但也意味着隐蔽性较差，为了达到两者的平衡，α的取值至关重要。文中采用的是加法准则。

1.3颜色空间的装换

在嵌入和提取水印之前，需将彩色图像在RGB和YCbCr颜色空间之间进行转换，因为RGB颜色空间将色调、亮度和饱和度3个量放在一起表示，难以进行数字化调整。在文献[7]提出在图像较大时，浮点数乘法的运算速度较长，采用移位运算来近似浮点数乘法能够加快运算速度，近似的公式如式(8)和式(9)所示

(8)

(9)

1.4DWT、DCT变换和奇异值分解

检测水印效果的3个重要指标：嵌入量、鲁棒性和可见性。DCT变换是将图像转化成频率域数据，即DC(直流系数)和AC(交流系数)。AC又划分为低频系数和高频系数。虽然AC低频系数因集中较多的信号分量，使得水印嵌入强度较大和鲁棒性较好，但是在其嵌入水印后，不能确保其不可见性。

DWT变换是一种时间—频率信号的多分辨率分析方法，在时域和频域中具有表示特征信号局部特征的能力。基于DWT图像水印算法是将图像进行多分辨率分解，分解成四个不同的频带：水平、垂直、对角线和低频。同时图像的能量主要集中在低频部分，可对其继续分解来提高算法的鲁棒性。但DWT系数不具有几何不变性，所以抗几何攻击能力不好。

SVD是线性代数中的一种方法，可将矩阵对角化，因其具有的稳定特性和旋转不变性，使得SVD在数字水印领域得到广泛的应用。在图像的奇异值上嵌入水印信息，在受到外界攻击时，在能够很好地提取出水印信息和不会损害图像的几何特性同时，还能够保证水印的不可见性和鲁棒性[8]。

2水印嵌入和提取算法

2.1水印的嵌入算法

嵌入水印的算法步骤：

1)调用手机的摄像头或本地图库获取原始图像，并将其缩放到固定尺寸[9]，大小为M×N，设图像为I。

2)将图像I从RGB转换到YCbCr颜色空间，提取亮度分量Y，并进行二级小波分解，得到4个矩阵LL、HL、LH和HH，取出低频分量LL，对其进行水印嵌入。

3)将低频分量LL分成8×8的子块，用B表示。在子块中随机选取L个块进行DCT变换(L由水印位图的大小决定，本文L=64×64)，同时将所选取的位置作为密钥k保存，得到的DCT系数矩阵Bm，n(1≤m，n≤64)。

4)取出矩阵Bm，n的直流分量Bm，n(1，1)来构造一个新的矩阵C。对其进行SVD分解，C=U1S1V1T。

5)获取IMEI/IMSI并采用上述BCD和BCH编码转换成64×64水印位图，用W表示，将W添加S1上并对其进行SVD分解：S1+αW=U2S2V2T，求出U2，S2，V2。再计算矩阵C*=U1S2V1T(α为水印嵌入系数，文中α=0.1)。

6)令C=C*，将其还原到步骤3)中的每个分块中，并进行IDCT逆变换，得到嵌入水印的块LL*。再与细节分量进行二级IDWT逆变换，最后得到嵌入水印后的亮度通道Y*。

7)Y*与原来的Cb、Cr分量结合，并按原来的公式转换到RGB空间，获得嵌入水印的手机图像。

2.2水印的提取算法

将嵌入水印的手机图像用I*表示，提取算法步骤：

1)将I*从RGB转换到YCbCr颜色空间，取出Y分量并进行二级DWT变换。

2)取出低频分量并分成8×8的子块，根据保存的密钥k选取水印嵌入块的位置，对每个水印嵌入块进行DCT变换，得到DC分量，将每个DC分量构造成矩阵B**。

3)对矩阵B**进行SVD分解得到奇异值矩阵：B**=U1*S2*V1*T。

5)将得到的水印矩阵进行逆BCD和BCH编码，得到IMEI/IMSI。

3实验结果和性能分析

3.1实验结果

在Eclipse平台上仿真实现图像数字水印系统的功能后，将其封装打包成APK后并安装到Android手机上，最后运行该水印系统的应用程序。注册并登录后跳转的主界面如图1所示，其中包括获取拍照、图库、水印嵌入、水印提取和保存信息5个按钮，单击这些功能按钮时，将打开相应功能的Activity。点击拍照或图库获取手机图像并显示在主界面上如图2所示。点击水印嵌入按钮，跳转到设置水印信息的界面，包含获取IMEI/IMSI信息和对嵌入水印后图像的命名等信息，如图3所示。

点击获取IMEI和IMSI信息按钮，即可获取手机设备的信息，如图4所示。之后点击嵌入水印按钮，跳转到主界面并显示嵌入水印信息的图像，如图5所示，点击保存信息按钮即可将嵌入水印的图像保存在手机的内部存储/DCIM/Camera文件夹中。点击水印提取按钮后，最终将水印信息显示在主界面上，如图6所示。

总的来说该系统操作简单，方便快捷，每一步的完成都会使用Toast方法告知用户，如“水印信息嵌入成功”和“水印提取成功”。比较图2和图5可知，从视觉上看，没有明显的不同，说明具有良好的不可见性；比较图4和图6可知，提取出的水印信息也是清晰可见的，说明具有较好的鲁棒性。

3.2性能分析

就以上系统的算法，进行部分的性能分析。若将这些攻击在系统中实现会增加系统的复杂性。故实验选取512×512的彩色图像为载体图像，以标有“江科大学”的64×64像素的二值图像为水印图像，在MATLAB 2010a下进行性能测试。无攻击下的结果包括水印的嵌入和提取，如图7所示。

嵌入水印的图像在受到JPEG压缩、低通滤波、添加高斯噪声和图像裁剪4种具有代表性的攻击方式下，从视觉上看载水印图像无明显变化，并且提取出的水印信息在视觉上也是可辨识的，说明设计的数字水印系统具有一定的鲁棒性和不可感知性。提取攻击后的水印如图8所示。

为了更好地说明数字水印系统的性能，分别利用式(10)和式(11)计算PSNR和NC值来做进一步评判。PSNR是对含水印图像质量检测的一个重要标准，其值越高，表明图像质量越好，隐蔽性也就越强；NC是对所提取到的水印信息图像与原水印图像的质量进行判断的标准之一，NC值越接近1，表明二者之间的相似性越高，鲁棒性也就越强。

(10)

(11)

式中：M、N分别是载体的宽度和高度；X(i,j)和X′(i,j)分别为原始参考载体和含水印载体在(i，j)处的像素值；w(i,j)和w′(i,j)分别代表原始水印信息与已提取出的水印信息在(i，j)处的像素值。表1给出了不同算法在攻击下鲁棒性(PSNR)和透明性(NC)的结果，表1中“—”表示文献中没有论述，从结果可以看出，文中算法具有较好的鲁棒性和透明性。

表1不同算法在攻击方式下的性能对比

4小结

文中提出一种以IMEI/IMSI为水印信息的数字水印算法，实验结果表明，在提取水印时，能够实现盲提取，并且通过提取出的水印能够了解到手机设备的信息。这种以IMEI/IMSI作为水印信息的方法，在实现手机图像版权保护的同时也传递了手机信息，具有一定的应用价值。对于一般的用户，可以在保证安全的前提下，即时分享自己的手机图像给他人。

参考文献：

[1]PIZZOLANTE R，CARPENTIERI B. Copyright protection for images on mobile devices[C]//Proc. International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. Italy： IEEE Press，2012：585-590.

[2]SEO J H，PARK H B. Colour images watermarking of multi-level structure for multimedia services[C]// Proc. International Conference on Convergence Information Technology. Gyeongju：IEEE Press， 2007：854-860.

[3]CHEN Y H，HUANG H C. A copyright information embedding system for android platform[C]//Proc.International Conference on Intelligent information Hiding and Multimedia Signal Processing. DaLian： IEEE Press，2011：21-24.

[4]JEEDELLA J S Y， AHMAD H A， SHEHHI O A. Watermarking mobile phone colour images with Reed Solomon error correction code[J]. IEEE electrotechnical conference，2012(2)：375-378.

[5]许文丽，王命宇，马君.数字水印技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[6]JEEDELLA J，AL-AHMAD H. An algorithm for watermarking mobile phone colour images using BCH code[J]. IEEE GCC conference & exhibition，2011(2)：303-306.

[7]宋杰.Android智能手机上彩色图像的版权保护[D].武汉：华中师范大学，2014.

[8]NAVAS K A，AJAY M C，LEKSHMI M，et al. DWT-DCT-SVD based watermarking[C]//Proc. International Conference on Communication System Software and Middleware and Workshops. Bangalore： IEEE Press， 2008： 271-274.

[9]尚南南， 李黎， 李伟. 基于IPHONE手机图像的数字水印算法[J]. 杭州电子科技大学学报， 2014， 34(3)：69-72.

责任编辑：时雯

Digital watermarking algorithm for mobile images using IMEI/IMSI as watermarking information

ZHU Jingxian，LU Nan，FENG Jinjin

(SchoolofElectronicandInformationEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，JiangsuZhenjiang212003，China)

Key words：IMEI；IMSI；BCH codes；SVD

Abstract：With the rapid development of Internet，wireless communication and the camera-capable portable devices， digital images are easily distributed， copied and modified. In view of this， an algorithm for embedding IMEI/IMSI into mobile phone images is proposed， so as to protect the mobile images copyright. Firstly， get the IMEI/IMSI and use the BCD codes into the binary vector. Secondly， the binary vector is transformed using BCH code into 64×64 watermarking bitmap， which is used as watermarking information. Thirdly， combine DCT、DWT with SVD and embed watermarking information into mobile phone images. Then， extract the watermarking information which can be convenient for obtaining the user mobile phone information. The experimental results show that the algorithm can realize blind extraction， has good invisibility and robustness， and can resist some attacks such as compression and noise.

中图分类号：TP311

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.009

收稿日期：2015-07-03

文献引用格式：朱静娴，陆南，冯金金. 以IMEI/IMSI为水印的手机图像数字水印算法的实现[J].电视技术，2016，40(1)：47-50.

ZHU J X，LU N，FENG J J. Digital watermarking algorithm for mobile images using IMEI/IMSI as watermarking information[J].Video engineering，2016，40(1)：47-50.