趙 杰 楊濱峰 李亞文

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

信息技術(shù)發(fā)展使得數(shù)字圖像的版權(quán)保護(hù)與數(shù)字內(nèi)容安全性等問題成為社會的熱點(diǎn)。數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字內(nèi)容認(rèn)證的重要手段受到了學(xué)者們的重視，近年來人們已經(jīng)提出了眾多數(shù)字水印算法［1～4］。常見的方法會對原始載體數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的修改，在水印的魯棒性和不可感知性上存在著矛盾，在某些應(yīng)用場合也不適用。零水印算法［5］無需對原始載體信息進(jìn)行修改，較好地解決了水印的魯棒性和不可感知性之間的矛盾。常見的零水印算法有基于空域、變換域、奇異值分解等，多數(shù)計(jì)算復(fù)雜度較高［6～11］。本文提出了一種基于小波提升和K鄰點(diǎn)均值的圖像零水印算法。為提高安全性，水印圖像首先要進(jìn)行置亂變換［12］，然后對載體圖像進(jìn)行一級小波提升分解，利用低頻子圖分塊的K鄰點(diǎn)均值生成特征矩陣，特征矩陣和水印進(jìn)行運(yùn)算得到秘密圖像，提取時(shí)利用秘密圖像和置亂密鑰可提出水印信息。

2 K鄰點(diǎn)均值

K鄰點(diǎn)均值的基本思路是：在一個(gè)窗口內(nèi)，屬于同一集合體的像素，其灰度值相關(guān)性較高，于是可用窗口內(nèi)與中心像素的灰度最接近的K個(gè)鄰點(diǎn)像素的平均灰度值來代替窗口中心像素的灰度值［13］。一個(gè)n×n窗口的K鄰點(diǎn)均值為

3 零水印算法

3.1 零水印產(chǎn)生過程

如果以M×N大小的二值圖像W作為水印圖像，對Q×S大小的灰度圖像P進(jìn)行零水印注冊，步驟如下：

1）將水印圖像W 進(jìn)行置亂，記為WS。

2）對原始載體圖像P進(jìn)行一級小波提升分解，提取其低頻分量，記為PL。

3）將 PL分成 M×N個(gè)互相不重疊的小塊PLB(x，y)，其中 x=1，2，…M;y=1，2，…N 。這些小塊不一定要完全覆蓋原始載體圖像。計(jì)算每個(gè)PLB(x，y)的 K 鄰點(diǎn)均值，記為 BM(x，y)，所有BM(x，y)的均值記為PLM。為削弱噪聲等的影響，可取較大的K值。

4）利用系數(shù)關(guān)系，生成構(gòu)造圖像F：

若 BM(x，y)＞PLM

則 F(x，y)=1；

否則 F(x，y)=0。

5）將F和WS進(jìn)行異或，得到零水印信息FE，并將其進(jìn)行注冊。

3.2 零水印檢測過程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Matlab 7.12進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，選擇“Lena”灰度圖像作為原始載體圖像，選用32×32的有意義二值圖像作為原始水印，如圖1所示。

圖1 原始載體圖像和原始水印

測試1：對載體圖像分別進(jìn)行加性噪聲、壓縮、濾波等常見操作，測試其相關(guān)系數(shù)，并與DCT系數(shù)方法作比較，結(jié)果如表1所示。

表1 攻擊測試

測試2：JPEG壓縮是常見的圖像處理操作，因此，再做一組測試，進(jìn)一步對比兩種算法對JPEG壓縮處理的魯棒性，測試結(jié)果如表2所示。

表2 JPEG壓縮攻擊測試

從表1和表2測試結(jié)果看出，本文算法在面對濾波、噪聲、JPEG壓縮等處理時(shí)有較強(qiáng)的魯棒性，在剪切攻擊時(shí)相似度有明顯降低；針對噪聲和JPEG壓縮，本文算法有較大優(yōu)勢。

測試3：為了驗(yàn)證本文算法的可靠性，對于其他圖像是否會出現(xiàn)誤判的情況，分別選取boat、elaine、house、pepper、baboon和 lake等多幅圖像作為對比圖像進(jìn)行虛警測試，這些圖像檢測的相似度均較低，檢測出的信息混亂。如選擇合適的閾值，該算法對其他未注冊圖像很少會出現(xiàn)誤判情況。

表3 虛警測試部分結(jié)果

5 結(jié)語

數(shù)字水印取證技術(shù)是這些年的研究熱點(diǎn)，部分高校已經(jīng)將其納入理論或?qū)嵺`教學(xué)中。本文提出了一種基于小波提升和K鄰點(diǎn)均值的零水印算法，運(yùn)算復(fù)雜度較低，可以抵抗一些常見的攻擊尤其是JPEG壓縮處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法有較強(qiáng)的魯棒性。水印為有意義二值圖像，但水印實(shí)質(zhì)性的信息容量不高，這也是大多數(shù)水印算法存在的問題，還需進(jìn)一步研究解決。