抗强剪切的零水印方案

陈亚男 殷柯欣 朱建启 包芳

摘要：针对多媒体图像版权保护，提升抵抗强剪切攻击能力，提出一种基于非负矩阵分解NMF（Non-negative Factorization）和改进的Sobel算子特征提取的零水印方案。方案以抗强剪切攻击为核心，采用Fibonacci变换和混沌序列置乱技术对水印进行加密预处理;对原始图像进行NMF分解，得到系数矩阵并注册在版权中心;采用改进Sobel算子边缘提取算法构造特征向量，并與水印异或得到原始图像的版权信息。实验结果表明，当剪切面积达到96.50%以上，方案都能有效抵抗强剪切攻击，同时对缩放、加噪、滤波、JPEG压缩等攻击具有良好的鲁棒性。

关键词：零水印;强剪切;NMF;Sobel算子边缘检测;鲁棒性

中图分类号：TP309        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）25-0015-04

Abstract： For copyright protection of multimedia resources and the ability enhancement of zero watermark algorithm to resist strong shearing attack， this paper proposes a zero watermark scheme based on NMF and improved Sobel Operator edge detection. In this scheme， the anti-strong shear attack is the core. Fibonacci transform and chaotic sequence scrambling technology are used to preprocess the watermark. The original image is decomposed with NMF， and the coefficient matrix is registered in the copyright center. The improved Sobel Operatoredge detection is used to construct the feature vector; which is then operated with watermark by XOR operation to obtain the copyright information from the original image. The experimental results show that when the shearing area reaches to 96.50%， the scheme can extract the watermark information well， and also has good robustness against scaling， noise， filtering， JPEG compression， and other attacks.

Key words：zero watermark; strong shearing; NMF; Sobel Operator edge detection; robustness

1引言

随着网络迅速发展，数字图像等多媒体版权保护成为亟待解决的难题[1]。鲁棒性数字水印技术能有效进行版权保护和图像认证，已成为国际学术界的研究热点。目前，鲁棒性数字水印技术的研究取得很大进展，但是针对抗几何攻击的水印算法仍是多媒体信息安全领域的一个研究难点[2]。

抗几何攻击的鲁棒性数字水印算法从实现技术上可分为两种 [3]：第一种是在像素、频率或者其他变换系数中嵌入信息实现水印效果。第二种是基于图像内容的局部化数字水印方法。如文献[4]提出基于小波变换和支持向量机与主成分分析相结合的一种水印方案，能抵御平移、缩放、剪切、旋转和常见图像处理操作等攻击。文献[5]针对现有的抗几何攻击水印算法的嵌入能力不足和剪切鲁棒性弱等问题，提出一种基于局部信息的图像归一化和Gaussian-Hermite不变矩的算法。该算法对旋转、平移、缩放具有良好的鲁棒性，在一定程度上可抗剪切攻击。文献[6]提出基于双水印的多媒体内容保护与内容认证系统。该方案对各种图像处理攻击具有较好的鲁棒性。零水印的提出[7]有效解决了传统数字水印鲁棒性和不可感知性之间的矛盾。文献[8]提出一种基于分块NMF和增强奇异值分解相结合的零水印算法。对抵抗各种攻击具有较强的稳健性，但抗剪切攻击上性能会随着剪切面积的增大而下降。文献[9]提出一种基于NSCT变换和图像归一化的强鲁棒性零水印算法。该算法对旋转、缩放、平移、噪声、滤波等攻击具有一定的鲁棒性。文献[10]提出一种抗几何旋转校正后的图像优化零水印算法。该算法能够有效地抵抗旋转、缩放、循环平移以及剪切攻击，但针对大面积剪切攻击的鲁棒性有待进一步提高。以上研究的零水印算法能有效抵抗常规和常见的攻击，并未对强剪切攻击进行详细研究。

本文以抗强剪切攻击为核心，提出了基于NMF算法[11]和改进Sobel算子特征提取的零水印方案。对原始图像进行NMF、改进的Sobel算子边缘提取等处理，得到原始图像的版权信息并注册在版权中心。利用剪切攻击后剩余的部分图像及注册在版权中心的系数矩阵重构原始图像，解决了强剪切攻击的问题。实验证明，该方案不仅能有效抵抗强剪切攻击，对其他常见攻击具有良好的鲁棒性。

2方案分析与设计

方案包括零水印生成和零水印检测两个部分。

2.1零水印生成算法

2.1.1 改进的Sobel算子算法

零水印方案的重要内容之一就是提取原始图像的重要特征来构造零水印信息。文中采用Sobel算子进行图像的边缘检测，在传统算法的基础上改进，由两个算子模板扩展至包括0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°和157.5°共八个方向的模板[12]，使得提取的图像边缘较为完整，连续性较好。

2.2.2 零水印检测与提取

水印的提取和检测如图2所示。

1）通过时间戳提取保存在版权中心的H。

2）若待测图像I'遭受剪切，根据2.2.1算法重构图像。

3）若待测图像未遭受剪切，转步骤4）

4）将待测图像I'或重构图像进行特征提取，同上述生成算法步骤2），得到特征向量C'。

5） 用C'和WM相异或得到D'，对D'进行K2和K1次逆置乱得到S'。通过客观评价指标比较S和S'，进行版权认证。

3实验结果与分析

为验证方案的有效性，选用标准灰度图像Lena（512*512）作为测试图像，如图3所示。有意义二值水印图像（64*64）如图4。通过MATLAB进行仿真实验，实验结果如下：

将本文方案与文献[4]和文献[6]进行比较。图6是不同剪切攻击下NC的对比柱状图。小面积剪切三者鲁棒性不相上下，大面积剪切本文算法表现出很强的鲁棒性。

4结论

为提高零水印方案抵抗强剪切攻击的能力，结合NMF和改进的Sobel算子边缘提取等算法提出一種抗强剪切攻击的零水印方案。利用NMF的局部感知全局的特性，对受强剪切后的图像进行重构，提取出尽可能精确地水印。实验表明，当剪切面积高达96.875%时，提取水印精确度为99.67%，实现了抗强剪切的目的。同时对其他包括缩放、滤波、噪声、压缩等攻击具有很强的鲁棒性。

参考文献：

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