李春華，秦志英

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)機(jī)械電子與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

一種基于DCT的圖像灰度水印算法

李春華1，秦志英2

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)機(jī)械電子與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

針對(duì)二值水印信息量小的缺陷，提出一種基于DCT的圖像灰度水印算法，通過修改DCT域中低頻系數(shù)值來嵌入水印，易于實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)證明本算法能夠抵御剪切、噪聲和JPEG壓縮失真，具有良好的不可見性和魯棒性。

DCT；灰度圖像水?。霍敯粜?/p>

數(shù)字水印技術(shù)將水印信息嵌入在載體圖像中，可以保護(hù)載體圖像數(shù)字版權(quán)，防止非法使用［1－3］。隨著水印技術(shù)研究的深入，水印信息的形式也趨于多樣化，對(duì)嵌入水印信息量的要求也越來越高。與目前常用的二值水印相比，灰度水印的信息量更大，更具有發(fā)展前景。但是灰度水印數(shù)據(jù)量大，嵌入水印后載體圖像的質(zhì)量容易受到影響。

DCT是圖像處理中常用的一種正交變換技術(shù)，能夠?qū)⒆匀粓D像的主要信息集中到最少的低頻系數(shù)上?；贒CT的水印算法易于實(shí)現(xiàn)，便于與國(guó)際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容。在DCT域高頻系數(shù)中嵌入水印，容易在各種圖像處理過程中被破壞；在DCT域低頻系數(shù)中嵌入水印，水印易于被發(fā)覺［3］。因此，在中頻系數(shù)中嵌入水印比較適宜。

提出了一種基于DCT的圖像灰度水印算法，首先將載體圖像進(jìn)行分塊，根據(jù)人眼視覺特性選取紋理相對(duì)復(fù)雜的子塊進(jìn)行DCT變換，將Arnold置亂后的灰度水印圖像疊加到DCT變換域的中頻系數(shù)上。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)該水印算法能抵抗多種攻擊，具有較強(qiáng)的魯棒性，運(yùn)算速度快，較好地實(shí)現(xiàn)了魯棒性和不可見性之間的均衡。

1 水印圖像置亂

Arnold置亂將水印圖像換成一個(gè)雜亂無章的新圖像，不僅消弱了相鄰像素點(diǎn)之間的相關(guān)性，而且分散了由于攻擊產(chǎn)生的水印圖像的錯(cuò)誤比特。水印圖像先置亂，然后嵌入到載體圖像中，既可以提高嵌入水印后載體圖像的視覺效果，又增強(qiáng)了水印的魯棒性。

Arnold置亂的變換公式如下：

其中：x，y∈｛0，1，2，…，N－1｝，為水印圖像原坐標(biāo)；（x′，y′）為變換后像素點(diǎn)的坐標(biāo)。Arnold置亂具有周期性，周期T與水印圖像的尺寸有關(guān)。水印嵌入載體圖像之前進(jìn)行Arnold置亂的次數(shù)K作為水印的密鑰。提取出水印之后再進(jìn)行T－K次Arnold置亂，就恢復(fù)出水印圖像。文中水印為64×64，Arnold置亂的周期T為48。水印圖像與置亂后的水印圖像如圖1所示。

圖1 水印圖像與置亂后的水印圖像Fig.1 Original watermarking and the scrambled watermarking

2 數(shù)字水印算法

2.1 水印嵌入算法

人類視覺系統(tǒng)（HVS）具有照度掩蔽特性和紋理掩蔽特性，背景紋理越復(fù)雜，人眼對(duì)其輕微的變換就愈不敏感。因此，為了保證水印圖像的不可見性，將水印圖像盡可能地嵌入到載體圖像紋理較復(fù)雜的子塊中［3］。方差大小反映了子塊紋理的復(fù)雜程度。方差小的圖像子塊紋理簡(jiǎn)單，方差大的圖像子塊包含較為復(fù)雜的紋理或邊緣。在筆者所提的算法中，將載體圖像各子塊按方差從大到小排序，選擇與水印圖像像素點(diǎn)數(shù)目相同的前64×64個(gè)子塊嵌入到水印圖像中。

在DCT域中，水印嵌入位置將會(huì)影響水印的穩(wěn)健性［4－5］。對(duì)人類視覺系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，人眼對(duì)低頻噪聲相對(duì)敏感，為了使水印不易被察覺，應(yīng)將水印嵌入到高頻系數(shù)中，但是高頻系數(shù)容易受量化、低通濾波等處理影響，損傷水印的魯棒性［6］。因此，所提出的算法把水印嵌入到中低頻系數(shù)上，以平衡水印的不可見性和魯棒性。

筆者提出的算法中，每個(gè)子塊中嵌入一個(gè)水印像素點(diǎn)。嵌入水印時(shí)，將水印像素點(diǎn)的灰度值縮放后疊加在中低頻系數(shù)上。嵌入水印后的圖像主觀質(zhì)量好，水印嵌入圖像的透明性好。原始載體圖像與嵌入水印后的圖像如圖2所示。

圖2 原始載體圖像與嵌入水印后的圖像Fig.2 Original host image and the embedded watermark image

2.2 水印提取算法

提取水印時(shí)需要原始載體圖像參與。提取水印圖像時(shí)先將原始載體圖像和嵌入水印的圖像完全分割為互不覆蓋的8×8分塊，按方差從大到小排列，選取前64×64個(gè)子塊作DCT變換，通過比較原始載體圖像和嵌入水印圖像的頻域系數(shù)大小來提取水印。之后將提取出的水印圖像進(jìn)行Arnold逆變換。因?yàn)锳rnold變換是具有周期性的，對(duì)提取出的水印進(jìn)行T－K次Arnold逆變換，恢復(fù)出水印圖像。原始水印圖像與提取出的水印圖像如圖3所示。

圖3 原始水印圖像與提取出的水印圖像Fig.3 Original watermarking and the recovered watermarking

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

筆者提出的算法選定（3，1）位置中頻系數(shù)嵌入水印信息，用嵌入水印后載體圖像峰值信噪比（PSNR1）和提取出水印圖像的峰值信噪比（PSNR2）來評(píng)價(jià)水印算法。在無攻擊情況下，PSNR1為33.129 4dB，PSNR2為43.420 7dB。

所提出的水印算法抵御噪聲攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，抵御剪切攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，抵御壓縮攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 抵御噪聲攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results against noise

表2 抵御剪切攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results against image cropping

表3 抵御壓縮攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results against compression

4 結(jié) 語

提出的基于DCT的圖像灰度水印算法簡(jiǎn)便易行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灰度水印不可見嵌入，嵌入水印后的載體圖像質(zhì)量較好。水印嵌入位置的選取，綜合考慮了人眼視覺特性和DCT系數(shù)特點(diǎn)，算法的魯棒性較強(qiáng)，能夠抵御各種常見攻擊。

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［3］王 偉.基于SVG的圖像水印技術(shù)研究［D］.廣州：華南師范大學(xué)，2009.

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A gray level image watermarking algorithm based on DCT

LI Chun－h(huán)ua1，QIN Zhi－ying2
（1.College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

A gray level image watermarking algorithm based on DCT is put forward in this paper，aiming at the binary watermark defects.The gray level image watermark is embedded in the host image by modifying the chosen DCT medium frequency coefficients，which is easy to be implemented.The experiments have proved that the proposed algorithm is with strong robustness in resisting shear attracts，noise attracts，compression attracts，and other common attracts.

DCT；gray level image watermark；robustness

TN911.73

A

1008－1534（2012）03－0146－03

2011－12－08

陳書欣

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11002046）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（A2011208007）

李春華（1974－），女，山東樂陵人，副教授，主要從事數(shù)字圖像處理和信息安全方面的研究。