一种基于Arnold技术的彩色图像数字水印算法研究

尚 存，李国梁，马文鹏，李为华

(1.信阳农林学院 计算机信息工程学院，河南 信阳 464000；2.信阳师范学院 计算机与信息技术学院，河南 信阳464000)

0 引言

随着互联网技术的迅速发展，许多知识产品能够迅速地在网上发布和传输，由此带来了数字媒体的知识产权保护和信息安全问题.如何防止知识产品被任意复制及传播，也是当前急需解决的问题[1,2].随着相关技术的发展，数字水印技术在版权保护和数据安全维护方面起到了越来越重要的作用.早期的数字水印技术大多是在载体图像中嵌入灰度图像，其缺点为由于人眼对色彩的敏感度高，不利于对色彩更好地解释；而彩色图像所包含的版权保护信息更加直观和生动，针对彩色图像的数字水印技术的研究得到了广泛的重视.目前已形成一些水印嵌入方法，林碧霞等[3]提出基于二维离散小波变换的水印嵌入方法，利用二维离散小波变换的多分辨率分析特性，实现一种自适应的水印嵌入算法,将水印图像嵌入到彩色图像中,具有较好的不可见性；刘连山[4]等提出彩色图像绿色分量的数字水印嵌入方法，将水印直接嵌入在RGB图像的绿色分量中，该方法能够有效抵抗有损压缩和加噪攻击.本文提出一种基于HSI颜色空间的彩色图像水印嵌入方案.第一，基于HSI色彩空间，将原始彩色图像的各分量实现8×8分块，并对每个分块实现DCT变换及系数量化操作；第二，采用多重嵌入的方法，在各个彩色分量相同位置像素块的DC系数上嵌入通过Arnold变换处理过的鲁棒水印，并在提取水印时按照少数服从多数的原则确定像素块相应的水印信息.

1 彩色空间的选取

彩色图像大多是由RGB色彩空间来表达，由于相比RGB，HSI描述色彩对人来说更加直观和自然.本文采用更加适合人类视觉特性的HSI彩色空间.HSI色彩空间中颜色三要素是色调(H)、色饱和度(S)和强度(I).三要素构成的3个分量.由于在HSI彩色空间中亮度和色度是互相分离的，所以在彩色图像分割应用中具有较大优势.彩色图像在嵌入水印前,首先要由RGB颜色模式转换为HSI颜色模式,当水印嵌入完成时,再由HSI颜色模式转换回RGB颜色模式[5-8].

2 水印图像预处理

Arnold变换定义如下：设有单位正方形上的点 (x,y),将点 (x,y)变到另一点(x′,y′), 变换公式如式(1)所示：

(1)

其中:(x,y)是原图像的像素点坐标，(x′,y′)是变换后新图像的像素点坐标，M表示数字图像矩阵阶数[10].

原始水印图像通过Arnold置乱变换后，效果如图1和2所示.使用Arnold置乱变换增强了破译的难度，因而有利于创建者自由控制算法的选择.

3 水印图像嵌入算法

3.1 色彩空间互相转换

对于色彩空间的互相转换，由RGB色彩空间转变为HSI色彩空间转换公式如下：

(2)

其中：I为亮度分量，H和S为两个色差分量.

在实际公式表达中无论是几位色深描述一种颜色，在相同像素情况下，实现的H、S、I数值是相同的.因此为了能够实现有效抵抗色深变换攻击，这里采用色彩空间由RGB到HSI的转换.

图1 未嵌入时原水印图像Fig. 1 Unembedded watermark image

图2 置乱后的水印图像Fig. 2 The watermark image afterAronld transformation

3.2 提取I分量完成分块

从图像提取亮度分量I，将图像进行分块,分块标准为8×8，每个分块表示

本算法水印嵌入流程如图3所示.

3.3 DCT变换及量化处理

(3)

3.4 实现Zig-Zag排序

3.5 实现彩色图像水印嵌入

(4)

3.6 实现反量化

主要实现过程为反量化处理嵌入的水印信息，并进行逆DCT变换，随后完成嵌入水印，最后反变回RGB色彩空间，从而完成本水印嵌入方案.其逆转换如公式(5)：

(5)

图3 本算法水印嵌入流程图Fig. 3 The flow chart algorithm for watermark embedded

为了验证本水印方案的有效性，分别采用不同的嵌入因子进行测试，采用NSNR测试结果数据[12,13].其中NSNR表示为各个通道的信噪比，信噪比定义为设x(m,n)为原始图像，y(m,n)为重构图像，M为图像的高，N为图像的宽，φ[·]是一种运算符，可以取为恒等运算，此时图像的归一化均方误差如公式(6)-(7)：

(6)

从而，定义信噪比为：

NSNR=-10log(NMSE) .

(7)

通过HSI彩色空间嵌入水印后的效果显示本文提出的水印方案具有较高的信噪比.HSI彩色空间嵌入水印后的效果评价如表1.其中NSNR(R)、NSNR(G)、NSNR(B)分别为采用三个彩色空间嵌入方式嵌入水印后的图像的R、G、B各通道的信噪比.

4 水印的嵌入和提取测试

4.1 水印的隐藏性测试

本试验的嵌入与提取通过应用Matlab7.0进行.图4为水印图像，图5为载体图像.通过本文上述嵌入方案，将水印嵌入图像的I分量后的图像如图6所示.

表1 HSI彩色空间嵌入水印后的效果评价Tab.1 The result evaluation afterembedding watermark for HSI color space

图4 水印图像Fig. 4 The watermark image

图5 载体图像Fig. 5 The carrier image

图6 嵌入到I分量后的图像Fig. 6 The image after embedded watermark image on I space

图7 提取的水印图像Fig. 7 The extracted watermark image

通过对比，嵌入水印图像后视觉上未发生显著降质，变化差异不明显.经过计算,起峰值信噪比为30.52，显示出本水印方案具有较好的隐藏性.

4.2 水印提取效果

将图6的水印图像进行水印的提取，提取的水印图像如图7所示，发现提取的水印图像清晰度效果是良好的.

5 抵抗攻击试验测试

5.1 抵抗高斯攻击

为测试水印方案的抗高斯攻击能力，对嵌入水印图像进行高斯攻击试验，数据如表2，其中参数NC表示鲁棒水印相似度.通过测试发现，在高斯滤波相应参数值下，提取的水印效果是良好的.

5.2 抗剪切攻击

在测试水印方案抗剪切攻击试验中，对嵌入水印的图像分别进行剪切, 剪切比例分别为图像的1/256,2/256,4/256,8/256,16/256,32/256, 如表3，其中参数NC表示剪切水印信息相似度.

表2 高斯滤波提取水印相似度评价Tab. 2 The result evaluation watermark imageextracted after diagrams of Gaussian filtering

表3 剪切攻击提取水印相似度评价Tab. 3 The result evaluation watermark imageextracted after shearing attacking

通过测试，发现抗剪切攻击中提取水印效果是良好的，显示出本水印嵌入方案具有良好的鲁棒性.

6 结论

本研究以彩色图像作为载体图像，将数字水印嵌入到HSI彩色空间中的I分量中，能够实现有效抵抗色深变换攻击.通过实验证明，本水印技术具有良好的不可见性和鲁棒性.对彩色图像等级认证和版权标识，具有很强的实用性.