试论数字图像水印算法的研究与实现
2016-09-25金灿
金 灿
(湖南文理学院,湖南 常德 415000)
试论数字图像水印算法的研究与实现
金灿
(湖南文理学院,湖南常德415000)
网络时代的到来及数字多媒体技术的飞速发展与广泛应用,极大地便利了人们的日常生活。与此同时,有关数字产品版权保护的呼声也越来越高。作为一种现代化数据版权保护与认证技术,数字图像水印技术成为当前学术领域的研究焦点,具有十分重要的现实意义和应用前景。文章结合数字水印技术的特点,探讨了数字图像水印的几种重要算法,以供参考。
数字水印;版权保护;算法
随着数字技术的发展,虽然带给了人们无限的便利,但也导致安全隐患问题日趋突出。数字图像的获取、修改、传输过程愈来愈方便、简单、容易,其真实性、完整性验证、版权问题就愈来愈突出,极大地限制了信息化技术的持续、健康发展。为了保障数字图像版权不受侵犯,有必要引入数字图像水印技术,本文重点就该技术的几种算法进行探讨。
1 数字水印技术特点
数字水印系统具有如下特点:(1)隐蔽性。也就是透明性,要求嵌入水印之后,载体具有足够的感知度。要求嵌入数字水印后,数字产品不会出现显著的降质,且不会被察觉。(2)鲁棒性。鲁棒性指的是对数字水印系统的常规处理能力加以评估,经过多重信号处理后,数字水印依然能够确保其完整性,仍能受到科学的鉴别。(3)容量。容量指的是系统所能承载的最大的有效数据量。对于水印系统而言,要求所嵌入信息应足以表达特定信息,并能够对版权问题加以解决,确保用户权益。(4)安全性。指的是系统能够抵抗蓄意攻击的能力,要求其嵌入算法具有较强的抵御攻击水平,水印检测及提取方法对于未授权者绝对保密,难以轻易加以破解。(5)自恢复性。系统经过处理、变换之后,会引发原图的破坏,自恢复性指的是通过所留片段数据,可以将水印信息恢复,恢复时不需要最初图像。在所有特点中,隐蔽性、鲁棒性、容量三大特征最为关键,其相互矛盾、彼此制约,在应用过程中很难实现兼顾,其实,对于所有数字水印方案而言,只能结合实际情况,从三者中寻求一个平衡点。
2 数字图像水印的几种主要算法
2.1空域算法
该算法是最早提出的一种水印算法,以最低有效位算法为例进行说明,其指的是采用水印信息代替传统的图像所进行的一种算法。该图像很容易实现,主要利用模运算对水印嵌入的位置进行计算,并利用比特位对信息加以隐藏。其主要通过原始图像像素选择,将被选像素及邻域像素的大小关系进行调整,并将其嵌入水印。还可以采用量化策略,实现水印图像的嵌入,虽然此种算法简单,所隐藏的信息量大,但任何滤波器都能够改变值,因而鲁棒性差,不适用于最低有效位(Least Significant Bit,LSB)算法系统。
2.2变换域算法
鉴于空域法较差的鲁棒性,变换域算法应运而生。其通过将水印信息嵌入图像某个变换域中,再利用反变换,实现水印能量的分散,极大地隐藏了水印图像,提高了其水印嵌入强度,同时,确保了其不可见性。以离散余弦变换为例,进行分析。该技术应用十分广泛,为了理解此种方法的优越性,需要对其进行定义。
对于离散余弦反变换而言,进行如下定义:
当图像像素矩阵变换后,所得频域矩阵左上角具有最大的元素值,属于直流分量,表示的是图像的整体亮度平均值。剩余元素值逐步降低,中、低频代表的是图像平滑区域,高频为图像边缘、复杂区域。如此可以利用双离合变速器(Dual Clutch Transmission,DCT)将其各特征区域进行区别,并根据要求选取相应区域嵌入水印。
2.3盲水印法
应用过程中,很多情况下用户希望自主进行水印检测,但原始数据难以获得,此时需要利用盲水印算法进行解决。下文通过实例,提出了一种通过图像变换域上运用业务支撑系统(Business Support System,BSS),实现水印图像的盲检测的一种算法。该算法所选择的是二值图像作为水印,由于其具有良好的鲁棒性,能够有效嵌入图像中,并达到不可见等要求,因而近些年来应用十分成熟。
(1)水印的生成。在该算法中,水印分别被嵌入经小波分解的原始图像水平、垂直细节分量中,确保了其尺寸小于原图像的1/2。在算法中,选取二值图像作为其水印图,并将其转换为像素值为0,1的图像,经自上而下、自左向右的扫描,转换为0-1序列w。具体而言,原始图像属于N×M灰度图像I,水印S属于N×M二进制样本,且“0”和“1”的量一致。也就是:S={sIJ},i={0,1,…,N-l},j={0,1,…,M-1},sIJ={0,l}。根据原始图像将其划分为大小均等的子集A、B。其中,A={vIJ|sIJ =1},B={vIJ|sIJ =0}。
(2)水印嵌入。仍采用变换域法思想,以离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)方法为基础,在原始图像小波域上将水印成功嵌入,再利用IDWT取得水印图像。在嵌入操作时,先生成了集合C={vIJ⊕k|vIJ∈A},再将集合B,C加以合并,得到了水印化图像I=C∪B。由于k值足够小,因而可以确保视觉的不可见性。任取其中一行向量作为水印向量,另一个作为密钥向量。最终获取水印、密钥向量作为新分量,结合伪随机序列将其置于原小波分量中,并对其进行重构,分别获取水印、密钥图像。
(3)水印提取。在嵌入中,采用的是线性叠加方式,将其嵌入图像中,也形成了相应的线性瞬时混合模型,为获取嵌入水印,通过盲源分离进行水印提取。本文采用的是自然梯度算法,将水印、密钥图像分别进行小波分解,获取低、高频子带。在高频子带中,选择水平、垂直两大分量作为待选区间。并输入密码获得伪随机序列,利用该序列获取待选区间中的分量系数,这样,水印、密钥分量系数共同构成观察信号。经反馈网络学习规则训练获取分离矩阵W,其中一个是水印向量,将两大行向量均从一维序列转换为二维图像,经过两幅图像内容的判断,获取水印图像,通过水印后处理,得到较好的图像质量。
(4)鲁棒性实验。本文选取256×256灰度图作为原始图,水印化图像为64×64二值图。原始图像通过小波分解,获取水印图像,嵌入强度为0.05。图1为多次运算中每一次提取出的水印图像。
图1 水印嵌入效果
根据图1(a)和图1(b),原始图和水印化图几乎无差别,已经达到了不可见性等的要求。实验显示,水印提取时每次运算所得图像的质量并不一致。甚至得到与原始水印图反色的图像,需要将所求得像素值取绝对值恢复为同原始水印相同的黑底、白字。图像质量存在降低现象,由于水印图像的二值性,可将其反色问题忽略。通过进行鲁棒性测试,对水印化图像进行处理,考察借助于算法嵌入的鲁棒性强弱,经加噪、剪切、灰度调整、JPEG压缩和缩放等一系列处理,得到最终的水印图像。结果显示,该算法具有较好的鲁棒性,且能够嵌入较大信息量,满足了盲水印方案的具体要求。
3 结语
在数字图像水印算法中,空域法是一种最早的算法,具有简单、隐藏量大等优势。但是,在图像压缩、处理中鲁棒性能较差,更多的用于无过多处理的图像中。变换域法具有良好的鲁棒性,但是变换、反变换所需计算时间长,操作不易。对于稳健性攻击而言,往往需要利用嵌入模板水印傅里叶变换(Discrete-Fourier Transform,DFT)信息对其进行抗旋转操作,而可以抵抗此类操作的水印算法仍是当前该领域的难点,也是研究的热点。
[1]易开祥,王铁,石教英.基于DCT域的自适应二维数字水印系统[J].计算机应用,2010(8):112-115.
[2]茅耀斌,卓成春,王执锉,等.一种基于人眼视觉特性的图像水印方案[J].厦门大学学报(自然科学版),2011(8):232-234.
Research and implementation of digital image watermark algorithm
Jin Can
(Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)
The arrival of the network era along with the rapid development and wide application of digital multimedia technology have greatly facilitated people’s daily life. At the same time, the voice of the digital products copyright protection is also getting higher and higher. As a modern data technology of copyright protection and authentication, digital image watermark technology has become the focus of research in the current academic field, with a very important practical significance and large application prospects. Based on the characteristics of digital watermark technology, this paper discusses several important algorithms of digital image watermark for reference.
digital watermarking; copyright protection; algorithm
湖南文理学院青年启动项目;项目名称:图像数字水印算法和数字水印协议研究;项目编号:QNQD1204。湖南省教育厅科研基金项目;项目名称:基于DWT和SVD的鲁棒数字水印技术研究;项目编号:14C0793。
金灿(1984— ),男,湖北通城;研究方向:计算机网络,图像处理。