一种基于图像内容的半易损水印算法的研究

王 娜

（辽宁建筑职业学院信息工程系 辽阳 111000）

1 引言

近些年，计算机网络和通信快速发展起来，数字多媒体也迅速传播到科研、商业、娱乐等领域，给人们带来了方便快捷，同时也使盗版的数字产品被广泛地传播，所以知识产权的保护急需得到解决［1～3］。那么，数字水印技术就可以解决数字产品的复制、传播的问题，为此，对该技术的研究是非常必要的。

本文重点讨论了基于图像内容的水印算法，并且分析了水印信号的产生、嵌入、提取、篡改检测等实现过程。

2 数字水印技术概述

2.1 数字水印的定义

数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取，数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向［4～5］。

2.2 数字水印的种类

目前，被广泛研究的数字水印技术有鲁棒水印技术和易损水印技术［6］。

鲁棒水印技术的两个重要特征就是鲁棒性和透明性，主要应用于跟踪用户和保护版权。但是鲁棒水印不能检测出图像内容的替换、篡改以及定位不到哪里被替换、篡改等。

易损水印技术主要应用于避免有损压缩、滤波、叠加噪声等对图像有任何的篡改和仿造［7～10］。但是易损水印的鲁棒性很差，经受不了对图像进行直方图均匀化、JPEG压缩等任何合理的操作，所以不具有实用性。

拥有了鲁棒水印和易损水印优点的半易损水印（Semi-Fragile Watermarks）技术，既能够允许对图像进行损压缩、滤波等常见信号的处理操作，也可以对篡改区域进行定位。

3 算法的设计与实现

半易损水印的原理与一般水印的原理基本上相同，它包括水印的产生、水印的嵌入、水印的篡改检测［11］。首先把提取水印的宿主图像内容转为水印信号，在原始图像中，使用嵌入算法将其嵌入后得到含水印的图像，通过信道该图像在信宿端被接收，之后对图像进行检测，可以得出结果。在实际的嵌入和检测过程中，需要加入密钥。上述原理如图 1 所示［12～15］。

图1 半易损水印算法原理图

3.1 生成水印信号

考虑半易损水印和其它水印的区别，即需要同时具备易损性和鲁棒性，所以应该设定一个用来区分失真是否合法的界限。当图像在传输时，把对其进行一般的压缩视为合法，除此之外视为篡改水印。

本文中设计的水印算法如下：1）对图像进行l-层小波正变换；2）利用随机序列调制变换后的小波近似系数，生成水印信号；3）通过图像的HVS（人类视觉系统）特性，在其小波域中嵌入水印信号；4）对水印进行检测时，在接收到的水印图像中，原始水印信号可以被提取出来，并且新的水印信号也能够被生成，对比新旧水印信号，可以获得篡改的类型和位置。

把IM*N设为原始图象，W为生成的水印序列，原始图象的宽和高分别由N和M表示，对logistic映射算法进行改进，获得随机序列xk(k=0,1,2,…)，其中k是函数初值，密钥为k。通过在xk中获得(M/2l)*(N/2l)元素从而使系数矩阵Ml被生成。然后l-层离散小波分解图像，可以得到 (HLL,LHL,HHL,…HLl,LHl,HHl)和 LLL，即水平、垂直、对角线3*L个细节小波系数矩阵和-l近似小波系数矩阵。在小波变换域中，LLL最重要，图像的大部分信息都涵盖其中。所以，通过水印序列W：

3.2 嵌入水印

1）4层离散小波分解图像，生成水印序列。

3）在水印中嵌入 HL3和 LH3，即图像信息位置。

其中，

tl3i,3j∈T4LH,hl3i,3j∈ HL3,lh3i,3j∈ HL3,i=0,1,2,…,M/24-1,j=0,1,2,…,N/24-1,图像HVS的阈值矩阵为

4）利用逆离散小波变换获得有水印的图像。上述流程如图2所示。

图2 嵌入水印流程

3.3 提取水印

首先4层小波变换有水印的图像，然后进行如下操作：

if lh3i,3j-hl3i,3j≥T,then wli,j=1，表明对图像的操作是合法的；

if lh3i,3j-hl3i,3j≤-T,then wli,j=0，表明没有图像失真；

if T＜lh3i,3j-hl3i,3j＜T,then wli,j=-1 ，表明对图像进行了篡改。

其 中 ，hl3i,3j∈HL3,lh3i,3j∈HL3,i=0,1,2,…,M/24-1,j=0,1,2,…,N/24-1,阈值为T，提取的水印序列为wli,j。提取水印流程如图3所示。

图3 提取水印流程

3.4 分析水印篡改

攻击水印图像有恶意的和非恶意的两种：对图像进行替换、剪切等操作属于恶意的；图像由于传送而导致有损压缩、信道噪声等属于非恶意的。那么，半易损水印则要确定篡改的类型和区域。

I′为被攻击的水印图像，W′为从I′中提取的原水印序列，W″为重新构建的水印序列，该序列是基于图像内容的。利用如下公式能够获得篡改矩阵TA：

4 结语

随着多媒体技术与互连网技术的迅速发展，基于数字水印技术的电子多媒体作品版权保护问题已成为信息科学领域的研究热点，因此数字水印技术作为一种有效的多媒体版权保护技术受到越来越多的关注［17］。本文综合了数字水印中的鲁棒性水印和易损性水印的优点，对介于两者之间的半易损水印技术进行了重点的研究。通过仿真试验，对图像进行了非恶意篡改和恶意的篡改等测试，从测试结果可以看出本文的算法有着很好的鲁棒性和篡改检测能力［18～20］。