基于Turbo码的DCT域直流分量图像水印算法

韩哲鑫

摘 要 该文提出了一种基于Turbo码的DCT变换域直流分量图像水印算法。首先对原始水印信息进行伪随机置乱，接着对置乱的水印进行Turbo编码并进行BPSK调制，生成待嵌入的水印信息。在充分考虑人眼视觉特性的基础上，分别采用两种方式将水印嵌入到DCT变换系数的DC分量中，并进行性能比较。文中对算法在多种常见的攻击如JPEG压缩、噪声、剪切、滤波下进行了仿真。实验结果表明，利用该算法实现的水印具有良好的不可见性和鲁棒性。特别是非自适应加性嵌入方式对JPEG压缩攻击具有很强的鲁棒性。

关键词 Turbo码 DC分量 伪随机 DCT变换

中图分类号：TN911 文献标识码：A

0引言

数字水印要解决的两个主要问题就是水印的不可感知和鲁棒性。考虑到图像水印系统和通信系统的模式很相似，人们将纠错编码用于数字水印中来提高性能，取得了很好的效果。本文将具有接近Shannon理论误码极限的纠错性能的Turbo编码应用到水印生成来提高其性能。本文提出了一种基于DC分量和Turbo码相结合的信息隐藏方案，仿真结果表明该水印算法对JPEG压缩、剪切、滤波等攻击具有良好的鲁棒性和不可感知性。

1水印生成、嵌入和提取

1.1水印生成

水印在密钥Key1的控制下利用伪随机序列先进行伪随机置乱，再在密钥Key2的控制下进行Turbo编码，得到经过BPSK调制的二值序列w，w∈{-1，1}，w即为待嵌入的水印信息。假设原始水印转化为一维序列后的长度为N，Turbo码编码的速率为R，则经Turbo编码后的水印的长度为K=N/R。

1.2水印嵌入

大多的DCT域算法都考虑将水印信息隐藏在DCT域的交流分量中，很少考虑将水印嵌入在直流分量中，然而，直流分量是图像能量最集中的部分，而且在信号处理的过程中，DC分量比AC分量改变的少，因此从稳健性的角度，在保证水印不可见性的前提下，DC分量比AC分量更适合于嵌入水印。故本文选择在DC分量中嵌入水印。

1.3水印提取及评价

提取算法需要原始图像、生成伪随机序列的密钥Key1和Turbo编码中伪随机交织器所用的Key2。

2实验结果及分析

2.1 JPEG压缩攻击

JPEG压缩为有损压缩，品质因数0-100，品质因数越大，压缩比越小，图像质量越好。图1给出了不同品质因数下两种方式提取的水印信息的相应位错误率（BER）和相似度（NC）。从图中可知方式1、方式2分别在品质因数为20、50以上时基本可以正确的提取出水印信息，相似度都为1。可见本算法两种方式对JPEG攻击有很好的鲁棒性，尤其是方式1抗JPEG压缩能力更好。

2.2剪切攻擊

对图像进行剪切也是常用的一种攻击手段。把含水印的图像剪切掉一部分，再从中提取出水印。图2给出了不同剪切比例下两种方式提取的水印信息的相应位错误率和相似度。从图中可以看出两种方式都有很好的抗剪切性，在相同的剪切比例下，方式1优于方式2。

2.3 滤波攻击

对嵌入水印的图像Lena分别进行不同窗口大小的均值滤波和高斯低通滤波，图3给出了滤波后的水印解码的位错误率、相似度和滤波器窗宽的关系。由结果可知两种方式的在滤波攻击下有分别有相似的性能。而对比两种方式可以发现，方式1在两种滤波攻击下的鲁棒性都要好于方式2。可见本算法对滤波攻击具有很好的鲁棒性，同时方式1的性能更为突出。

3小结

综上所述，本文将伪随机序列和Turbo码编码技术应用到数字水印中在DC分量中来隐藏水印信息，取得了良好的效果。该算法在满足不可见性的同时，具有很好的鲁棒性。

参考文献

[1] Chiou，H&W;，J. Hidden Digital Watermarks in Images[J].Image Processing，1999，8（01）：58-68.

[2] 黄继武，YunQ SHI，程卫东.DCT域图像水印：嵌入对策和算法[J].电子学报，2000，28（04）：57-60.

[3] 陈心浩，陈军波，陈亚光.基于Turbo码的信息隐藏技术[J]，计算机工程与应用，2004，40（15）：62-64.