藍(lán)夏梅 ，李宏昌

（1.武警工程大學(xué) 研究生管理大隊(duì)，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710086）

數(shù)字水印算法中，基本上是針對(duì)灰度圖像的，對(duì)于彩色圖像數(shù)字水印算法的研究相對(duì)較少。針對(duì)彩色圖像數(shù)字水印的算法，參考文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)藍(lán)色的變化不太敏感，因此在藍(lán)色分量當(dāng)中嵌入水印；參考文獻(xiàn)[2]同時(shí)在紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）3 個(gè)顏色分量通道嵌入水印，雖然效果較好，但計(jì)算量太大，不宜采用；參考文獻(xiàn)[3]認(rèn)為在綠色分量中嵌入水印能有效抵抗JPEG有損壓縮。一般的彩色圖像數(shù)字水印方案在嵌入水印時(shí)都是按照固定的顏色分量進(jìn)行嵌入，并沒(méi)有考慮選擇合適的顏色分量對(duì)不同彩色圖像的數(shù)字水印進(jìn)行操作。本文提出一種雙水印算法，可以在DCT域中加入魯棒水印和半脆弱水印，利用人類視覺(jué)隱蔽特性，在RGB顏色空間中，根據(jù)各顏色分量的特性選擇適當(dāng)?shù)念伾至壳度牒吞崛∷?。?shí)驗(yàn)表明，該算法穩(wěn)健性較好，可以抵抗常見(jiàn)的圖像處理等攻擊，達(dá)到水印不可見(jiàn)性與魯棒性的良好折中。

1 顏色分量選取

一般情況下，數(shù)字水印算法都選擇固定的顏色分量進(jìn)行水印的嵌入，本文根據(jù)RGB各顏色分量的特性來(lái)選擇嵌入的位置。顏色分量選取的具體步驟如下[4]：

（1）對(duì) RGB顏色空間的各個(gè)分量 R、G、B進(jìn)行 DCT變換，得到各分量的 DCT 圖像 R1、G1、B1。

（2）計(jì)算 R1、G1、B1的掩蔽特征向量， 記為 F={L，W}，其中L表示亮度掩蔽特性分量，W表示紋理掩蔽特性分量。

根據(jù)人類視覺(jué)隱蔽特性，選擇掩蔽強(qiáng)度最大的顏色分量嵌入魯棒水印，選擇掩蔽強(qiáng)度次于隱蔽強(qiáng)度最大的顏色分量的顏色分量嵌入半脆弱水印。

若圖像大小為 M×N，X（i，j）表示圖像上第 i行 j列像素點(diǎn)的像素值，圖像亮度隱蔽特性L和紋理隱蔽特性W的計(jì)算公式為：

（3）對(duì) R1、G1、B1的掩蔽特征向量進(jìn)行比較，選擇綜合掩蔽特性最好的顏色分量嵌入魯棒水印，對(duì)剩余的兩個(gè)顏色分量進(jìn)行比較，選擇綜合隱蔽特性好的顏色分量嵌入半脆弱水印。

2 水印的生成、嵌入和提取

2.1 水印的生成

2.1.1 魯棒水印的生成

實(shí)驗(yàn)中采用64×64的二值有意義圖像作為水印圖像，為了保證水印的安全性，首先對(duì)水印圖像進(jìn)行N次Arnold變換，破壞其空域相關(guān)性，以抵抗諸如剪切、JPEG壓縮之類的攻擊。其次，通過(guò)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列對(duì)水印圖像進(jìn)行加密，以確保水印的安全性[5]。

2.1.2 半脆弱水印的生成

將圖像縮小至64×64大小，通過(guò)Canny算子提取圖像的圖像邊緣特征作為水印信息，對(duì)提取的水印信息進(jìn)行 N次Arnold變換，得到水印圖像 w2[6-8]。

2.2 水印的嵌入

選擇原始載體圖像為512×512的彩色圖像，魯棒水印為64×64的二值圖像，半脆弱水印為圖像特征的二值圖像。嵌入過(guò)程如下：

（1）對(duì)原始載體圖像I進(jìn)行RGB分解。

（2）選取嵌入魯棒水印和嵌入半脆弱水印的顏色分量。

（3）將水印圖像進(jìn)行15次Arnold變換，得到置亂后的水印圖像，對(duì)此進(jìn)行混沌加密，得到加密后的水印圖像w1。

（4）在選取的嵌入魯棒水印分量上進(jìn)行 8×8分塊的DCT變換，按照J(rèn)PEG質(zhì)量因子為0.5的量化表對(duì)DCT變換系數(shù)進(jìn)行量化，并對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行zig-zag排序。

（5）將水印w1嵌入到每個(gè) 8×8 分塊中，記為 Ii×j，在每個(gè)分塊中選擇兩個(gè)中頻系數(shù) X11、X16。具體嵌入規(guī)則為：如果 w1[i，j]=1，X11X16，則交換兩者的值；如果 w1[i，j]=0，X11=X16，則 X11=X16-λ。 λ 作為調(diào)制因子，可以控制水印的嵌入強(qiáng)度，λ越大，魯棒性越好，不可見(jiàn)性則越差；λ越小，不可見(jiàn)性越好，但抵抗攻擊的能力則下降。

（6）對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行IDCT變換，得到魯棒水印分量上的含水印圖像。

（7）將圖像縮小至64×64大小，通過(guò)Canny算子提取圖像的邊緣特征作為水印信息，對(duì)提取的水印信息進(jìn)行32次 Arnold變換，得到水印圖像 w2。

（8）在選取嵌入半脆弱水印的分量上進(jìn)行 8×8分塊的DCT變換，按照J(rèn)PEG質(zhì)量因子為0.5的量化表對(duì)DCT變換系數(shù)進(jìn)行量化，并對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行zig-zag排序。

（9）將水印圖像 w2嵌入到每個(gè) 8×8分塊的低頻系數(shù)中，記為 Ii×j，在每個(gè)分塊中選擇兩個(gè)中頻系數(shù) X3、X7。具體嵌入規(guī)則為：如果 w2[i，j]=1，X3X7，則交換兩者的值；如果 w2[i，j]=0，X3=X7，則 X3=X7-λ。

（10）對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行IDCT變換得到半脆弱水印分量上的含水印圖像。

（11）將得到的魯棒水印的顏色分量、半脆弱水印的顏色分量上的含水印圖像，與原始載體圖像中沒(méi)有嵌入水印圖像的分量合成為含水印的彩色圖像。

2.3 水印的提取

水印提取不需要原始載體圖像和原始水印，提取算法是水印嵌入算法的逆過(guò)程，具體提取步驟如下。

（1）對(duì)嵌入水印后的載體圖像進(jìn)行RGB分解。

（2）根據(jù)顏色分量選取方法確定嵌入魯棒水印和半脆弱水印的顏色分量。

（3）對(duì)嵌入魯棒水印的顏色分量進(jìn)行 8×8分塊的DCT變換。

（4）提取嵌入的二值水印圖像。

（5）對(duì)提取出的水印圖像進(jìn)行 15次 Arnold變換，得到魯棒水印圖像。

（6）對(duì)嵌入半脆弱水印的顏色分量進(jìn)行 8×8分塊的DCT變換。

（7）提取嵌入的半脆弱水印。

（8）對(duì)提取的半脆弱水印進(jìn)行 32次 Arnold變換，得到半脆弱水印圖像。

2.4 水印的篡改檢測(cè)

為了判定含水印圖像的部分內(nèi)容是否遭受惡意篡改，可按如下步驟進(jìn)行認(rèn)證。

（1）從含水印圖像H中提取出半脆弱水印圖像。

（2）將 H縮小至 64×64大小，通過(guò) Canny算子提取圖像的圖像邊緣特征。

（3）由提取出的水印圖像和提取的圖像邊緣特征進(jìn)行差值圖像處理，生成一個(gè)差值圖像。

（4）依據(jù)差值圖像判斷嵌入水印后的圖像是否遭受惡意篡改，并進(jìn)行篡改定位。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

采用24位真彩色lena圖像和pepper圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證算法的有效性。

3.1 選取嵌入水印的顏色分量

將彩色圖像在RGB顏色空間進(jìn)行顏色分量的分解，得到R、G、B 3個(gè)顏色分量圖像。lena圖像及其RGB空間各顏色分量如圖1所示；pepper圖像及其RGB空間各顏色分量如圖2所示。

圖1 lena圖像RGB空間各顏色分量

圖2 pepper圖像RGB空間各顏色分量

根據(jù)本文提出的顏色分量選取方法，選擇嵌入魯棒水印和半脆弱水印的顏色分量。計(jì)算出lena圖像的掩蔽特性如表1所示，pepper圖像的掩蔽特性如表2所示。

表1 lena圖像的掩蔽特性表

表2 pepper圖像掩蔽特征表

從表1可以看出，lena彩色圖像的B分量亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性最大，則選擇綜合掩蔽特性最好的B分量易進(jìn)行魯棒水印的操作，而G分量的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性比R分量的好，則選擇G分量易進(jìn)行半脆弱水印的操作；對(duì)于pepper彩色圖像而言，G分量的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性最大，則選擇綜合掩蔽特征最好的G分量易進(jìn)行魯棒水印的操作，而R分量的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性比B分量好，則選擇R分量易進(jìn)行半脆弱水印的操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水印嵌入效果如圖 3所示。其中，圖 3（a）為原始lena圖像，圖 3（b）為嵌入水印后的 lena圖像，峰值信噪比PSNR=39.89 dB。顯然，該算法具有良好的不可感知性，嵌入前后看不出有什么區(qū)別。同時(shí)，在沒(méi)有攻擊的情況下，可正確無(wú)誤地提取出嵌入的水印圖像。圖3（c）、圖 3（d）為嵌入前的雙水印圖像，圖 3（e）、圖 3（f）為嵌入后提取的雙水印圖像（NC=1）。

對(duì)含水印圖像做常見(jiàn)的攻擊測(cè)試，驗(yàn)證本文算法的魯棒性。采用歸一化相關(guān)系數(shù)（NC）衡量提取出的水印圖像與原始水印圖像的相似程度。表3為通過(guò)本文算法提取出的魯棒水印和半脆弱水印的NC值。

圖3 水印嵌入效果

表3 lena圖像雙水印實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)含水印圖像進(jìn)行剪切、拼貼攻擊等惡意的篡改，驗(yàn)證算法的有效性及篡改定位的準(zhǔn)確性。以拼貼攻擊為例，半脆弱水印的檢測(cè)效果如圖4所示。

圖4 半脆弱水印的檢測(cè)

本文針對(duì)真彩色圖像，在圖像低頻系數(shù)上嵌入魯棒水印標(biāo)示版權(quán)，并在圖像中頻系數(shù)上嵌入檢測(cè)篡改的半脆弱水印。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有良好的不可感知性，嵌入的水印對(duì)剪切、JPEG壓縮等各種圖像處理魯棒性好，而且對(duì)惡意篡改非常敏感并能夠準(zhǔn)確定位篡改位置，具有實(shí)用價(jià)值。

[1]于帥珍，沈建國(guó).基于 DCT和 DWT的彩色圖像盲數(shù)字水印算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，24（8）：210-212.

[2]楊益，李云峰.基于DCT的彩色圖像數(shù)字水印算法[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2008，27（4）：136-139.

[3]石紅芹，呂方亮，劉遵雄.基于混沌加密的彩色圖像盲數(shù)字水印算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2011，37（20）：105-107.

[4]常競(jìng)，王玲.一種顏色分量選取方案在彩色圖像數(shù)字水印中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26（3）：255-257.

[5]楊永峰.彩色圖像數(shù)字水印技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007.

[6]張建軍.基于JPEG的半脆弱數(shù)字水印技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

[7]呂林濤，郝亮.面向圖像內(nèi)容認(rèn)證的半脆弱數(shù)字水印算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2010，30（5）：1239-1242

[8]李海華.基于圖像特征的認(rèn)證水印技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009.