楊永鋒，武文才，楊 羽

(隴東學院 信息工程學院,甘肅 慶陽 745000)

當前，圖像、視頻、音頻等數(shù)字作品在互聯(lián)網上正海量般產生，這些數(shù)字作品使用便利，傳輸快捷，容易復制。正是由于數(shù)字產品易復制的特點，可以無限復制完全一樣的數(shù)字副本，而如果這些副本沒有經過作品原創(chuàng)者或版權所有者的授權就分發(fā)散布的話，就不能有效保護數(shù)字作品原創(chuàng)者的合法利益，這會打擊到數(shù)字作品創(chuàng)作者的積極性，故此解決版權保護的方案之一就是數(shù)字水印技術。同時針對數(shù)字作品的編輯也是一件很容易的事情，非法篡改數(shù)字媒體作品會更改作品的原始性和完整性，實施對接收到的數(shù)字作品的內容認證在很多時候都是必要的。數(shù)字水印技術也能有效解決數(shù)字產品的內容認證難題。數(shù)字水印技術是將標識信息以一定的策略植入到圖像、視頻、音頻等數(shù)字產品中，但并不會影響原載體的正常使用，當需要時再提取出來用以聲明版權所有或鑒定原創(chuàng)性的一項信息安全技術。數(shù)字水印技術有自己的特性：(1)魯棒性。數(shù)字水印在植入到彩色圖像后被稱為載體圖像，載體圖像面臨著用戶日常的操作或篡改者有意的損壞，它要確保在對載體圖像可能發(fā)生的眾多常規(guī)處理或惡意攻擊時都能夠把水印信息保留下來而不丟失。(2)不可見性。水印信息隱藏到數(shù)字圖像后，人眼看不出差異，含水印的圖像的感知質量沒有下降。(3)盲提取。不需要原始圖像就能從載體圖像中準確提取出水印，這極大地方便了數(shù)字水印技術的推廣應用。

依據水印嵌入的位置可以把圖像數(shù)字水印算法分為時空域算法和變換域算法。時空域算法中的最低有效位調制方案是最先提出來的，該方案把水印標識信息置于數(shù)據的二進制的最低位中，但最低有效位內的水印信息在圖像的常規(guī)處理中容易丟失，這會導致算法抵抗攻擊的能力不強。典型的Patchwork算法[1]是通過修改空間域內的一個點集或一個區(qū)域的均值、方差、奇偶性等統(tǒng)計特性來達到嵌入水印的目的。時空域算法通常只能嵌入有限的信息，而且面對幾何攻擊的魯棒性不足。而數(shù)字圖像的變換域水印算法，把數(shù)字圖像當作帶寬較寬的通信信道，把水印信息當作帶寬較窄的噪聲信號，當水印信息疊加到原始圖像變換后的多個頻率點上，不會累計誤差，從而實現(xiàn)了不可見性，水印的穩(wěn)健性提高。在圖像的DCT域內嵌入水印的頻域算法[2]最為成熟，之后出現(xiàn)了傅立葉變換域和小波域內的圖像數(shù)字水印技術，以圖像為載體的擴頻域數(shù)字水印技術同時[3]具有良好的魯棒性和透明性。

多重水印的提出目的在于同時實現(xiàn)多種功能。Amit[4]在同一醫(yī)學圖像中同時嵌入多個水印，成功實現(xiàn)了身份認證的目的。梁偉東[5]針對地理數(shù)據這一數(shù)據載體，提出在矢量地理數(shù)據植入零水印與脆弱水印，既達到了對地理數(shù)據的內容認證和版權保護的目的，也實現(xiàn)了無損嵌入。但在同一數(shù)字產品中嵌入多個水印，水印抵抗攻擊的能力下降，而且嵌入水印信息量加大，載體的透明性也會受損。單昊[6]在采用小波分解技術，利用小波分析的樹型結構，提出了基于低頻域顯著系數(shù)的自適應水印方案，加大了嵌入的信息量。劉琰[7]在對圖像實施小波變換后選取低頻系數(shù)矩陣做奇異值分解，對得到的奇異值進行加性操作達到了水印嵌入的目的，但采用這種方式嵌入的水印需要原始圖像，不能盲提取，會影響實際應用的推廣；而且后兩者的算法都是在小波變換的低頻域系數(shù)中嵌入水印，對高頻域系數(shù)的利用不足。本文根據小波變換后高頻域系數(shù)接近零這一特性，提出了一種小波域水印的嵌入算法，結合人眼視覺系統(tǒng)在彩色圖像的藍色通道中嵌入二值圖像水印，能夠保持圖像的視覺質量。

1 數(shù)字水印信號

數(shù)字水印的形式多種多樣，可以是文字、圖像、聲音，也可以是按照數(shù)學算法產生隨機序列、混沌序列，根據水印的特性和預實現(xiàn)的功能可靈活地選擇滿足需求的水印形式。二值有意義圖像數(shù)據都是由0和1數(shù)字組成，且人眼可直觀觀察它的真面目和提取后的變化情況，在各類水印算法中是最常采用的水印形式。有意義的文本信息數(shù)據量少，代表版權信息時表述清晰，轉化為二進制數(shù)時非常容易。無論是二值圖像還是文本轉化的二進制數(shù)都很容易量化到數(shù)字水印算法中去。

2 人類視覺系統(tǒng)

人類視覺系統(tǒng)包括6個主要視覺感知特性:光譜特性、視覺掩蓋效應、空間頻率、時間頻率、方向和誤差合并。彩色圖像的顏色分量包括紅色分量、藍色分量、綠色分量，在用人類視覺系統(tǒng)的光譜特性討論圖像的三原色時表明人眼對綠色敏感度高，對藍色敏感度低，紅色居中。所以在嵌入水印的過程中，使綠色分量改變量最少以保持原始圖像的質量不變，改變藍色分量能更好保持載體圖像的感知質量。在彩色圖像的綠色通道中嵌入水印比在其余顏色通道中嵌入水印抵抗損壞的能力更強，但圖像的感知效果會有一些下降。

3 理論基礎

3.1 圖像的小波變換

向圖像添加水印對于原始圖像來說就是添加噪聲，在圖像的小波域修改高頻系數(shù)，逆向重構后，所產生的誤差會分散到各個像素中去，不會形成誤差累積，圖像的質量就能保持。

圖1 圖像的小波分解

3.2 Arnold變換

4 水印算法的實現(xiàn)

4.1 水印的嵌入過程

圖2展示了數(shù)字水印的嵌入過程。原始圖像的尺寸大小為M×N，是真彩色圖像，水印圖像為二值圖像，尺寸為P×Q，要求水印圖像的尺寸的8倍要比原始圖像的尺寸要小，即8×P<=M,8×Q<=N。水印的嵌入算法描述如下：

(1)使用Arnold變換對原始二值水印圖像置亂，置亂后的圖像數(shù)據按行轉換成一維數(shù)組C，并記錄下一維數(shù)組C的長度s。

(2)選擇藍色分量并對其進行8×8的分塊，利用密鑰產生隨機的整數(shù)序列作為控制間隔的距離，選擇互不重疊的s塊。

(4)對每塊做2層逆小波變換，組合各塊得到載體圖像的藍色分量，最后重構圖像。

4.2 水印的提取過程

水印的提取過程如圖3所示，具體可描述如下：

圖3 水印的提取過程

(1)選擇載體圖像的藍色分量，并對其實施8×8的分塊，采用和嵌入時同樣的密鑰產生塊與塊控制間隔的距離，選擇互不重疊的s塊。

(2)設置一維數(shù)組C。

(3)依次對這s塊來實施2層離散小波變換，對這s塊中的第k塊實施離散小波變換后，就選取對角線上的高頻分量HH取和，依據和Sumk是否大于0來決定一維數(shù)組的值。如果Sumk<=0，C[k]=0；如果Sumk≥0，C[k]=1。

(4)把一維數(shù)組C按行轉化為P×Q的二維信號，把二維信號實施逆Arnold變換就得到要提取的水印數(shù)據。

5 實驗

5.1 數(shù)字水印視覺感知質量

在matlab平臺上編程實現(xiàn)了所提出的數(shù)字水印算法，在仿真實驗中，原始圖像為標準測試彩色圖像Lena(如圖4(1))，二維離散小波變換的小波基是db1，強度因子α=0.3，嵌入的是圖像的藍色通道，水印信息是二值圖像(圖4(3))，二值圖像上出現(xiàn)的文字信息是隴東學院，目的在于申明版權。通過實驗仿真，從主觀角度來看，人眼感覺不到嵌入水印標識后的載體圖像(如圖4(2))有任何失真。

圖4 仿真實驗結果對比

峰值信噪比是衡量圖像失真程度的，在仿真實驗中，計算出原始圖像和載體圖像的峰值信噪比為:42.2536dB，這表明加入水印后圖像的質量并沒有下降。采用提出的算法提取出的置亂水印如圖4(4)，經Arnold變換的水印為圖4(5)，發(fā)現(xiàn)提取出的水印和原始水印相比較沒有差異。而在圖像的綠色通道中嵌入水印，測到的峰值信噪比為35.4266dB，這相對于在藍色通道中嵌入水印，感知質量下降了。這組對比實驗表明，選取圖像的藍色通道中嵌入水印其感知質量會保持得更好。

5.2 水印的攻擊實驗

圖5 篡改的圖像和提取出的水印

表1 水印的攻擊實驗

圖5是將原始圖像的左下部分進行了局部水平旋轉篡改，發(fā)現(xiàn)了水印相應部分也水平翻轉并伴隨噪點。據此可以發(fā)現(xiàn)該算法對區(qū)域認證和完整性驗證有一定作用，實驗結果表明可以根據提取的水印來定位局部的篡改，數(shù)字水印的內容認證效果很好。

對載體圖像添加噪聲，實施JPEG壓縮和進行中值濾波等操作，仍可以提取出水印信息。在抗攻擊實驗中，采用水印圖像與原始水印的相同位百分比來衡量算法抵抗攻擊的能力。

如表1所示，當壓縮比為85%時，水印可毫無損失的提取出來；當壓縮比為50%時，提取出的水印仍不影響版權認證；當壓縮比為20%時，水印雖有失真，但肉眼仍可分辨是嵌入的水印，相同為百分比75%以上，這足以表明算法對圖像JPEG壓縮抗攻擊能力強。

為進一步測試算法的魯棒性，還對載體圖像施加了高斯噪聲、中值濾波、模糊攻擊、馬賽克攻擊(如表1)等攻擊用以測試在這些攻擊下水印的魯棒性。在這些攻擊下，都可以提取出水印，雖然提取出的有些水印有噪點和失真，但水印的主體信息保存下來了，因而能夠驗證版權所屬，進一步驗證了算法對攻擊的抵抗力很強。

6 結束語

通過分析彩色圖像經離散小波變換后的系數(shù)特點，提出了一種可解決圖像版權保護和內容認證的數(shù)字水印方案。該方案結合人類視覺系統(tǒng)的光學特性選取圖像的藍色通道作為水印嵌入的目標，利用數(shù)字圖像經離散小波變換后的高頻系數(shù)均值接近零這一統(tǒng)計特性量化嵌入二值水印圖像。通過仿真，從主觀和客觀兩個方面都表明載體圖像的感知質量很好，而且在提取時實現(xiàn)了水印盲提取。Arnold變換和水印嵌入位置的隨機選擇共同保證了水印算法的安全性。通過實驗仿真表明水印在抵抗壓縮、添加噪聲等攻擊時穩(wěn)健性強，在針對圖像的局部篡改時可以定位篡改，水印的不透明性很好。