李旭東
[摘要]圖像數(shù)字水印技術(shù),作為潛在的可有效解決數(shù)字圖書館中圖像資源版權(quán)保護(hù)問題的手段,受到了廣大學(xué)者越來越多的關(guān)注。為有效地實(shí)現(xiàn)圖像資源的版權(quán)保護(hù),該文在討論和分析了圖像資源版權(quán)保護(hù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢后,提出了一種新的簡單、方便、容易的SVD域圖像數(shù)字水印方法。該文方法在對數(shù)字水印的提取時,無須原始圖像的參與,實(shí)用性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該文方法對數(shù)字水印具有很好的透明性,并且方法對圖像JPEG壓縮、亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、疊加噪聲等常見圖像處理攻擊均具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性。因此,該文方法可有效地運(yùn)用于圖像資源的版權(quán)保護(hù)。
[關(guān)鍵詞]圖像資源;版權(quán)保護(hù);數(shù)字水??;奇異值分解;方法設(shè)計(jì)
[中圖分類號]G203;TP309.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-0821(2014)11-0075-04
在數(shù)字圖書館的數(shù)字資源中,圖書等資料的掃描件、照片圖片、電子地圖等資源,都是以圖像的形式單獨(dú)的或者作為主要元素進(jìn)行存儲的。因此,圖像資源的版權(quán)保護(hù)問題,是數(shù)字圖書館版權(quán)保護(hù)問題最為基本和重要的部分。而圖像數(shù)字水印技術(shù),作為潛在的可有效解決圖像資源版權(quán)保護(hù)問題的手段,受到了廣大學(xué)者越來越多的關(guān)注。
圖像數(shù)字水印方法實(shí)現(xiàn)圖像資源版權(quán)保護(hù)的基本原理是:首先,在圖像資源中利用數(shù)字水印嵌入方法嵌入代表版權(quán)擁有者或者授權(quán)使用者相關(guān)信息的有意義的數(shù)字水?。ㄒ话阌玫幂^多的是二值圖像);然后,這些嵌入了數(shù)字水印的圖像資源便可以進(jìn)行必要的發(fā)布、傳輸和共享;當(dāng)圖像資源版權(quán)擁有者發(fā)現(xiàn)這些圖像資源有被非法復(fù)制或使用時,就可以在這些被侵權(quán)的圖像資源中利用數(shù)字水印提取方法提取出代表版權(quán)擁有者信息的數(shù)字水印,然后通過法律訴訟途徑來保護(hù)圖像資源的版權(quán)。
穩(wěn)健性(或稱魯棒性),是用于版權(quán)保護(hù)的圖像數(shù)字水印方法最為基本和重要的指標(biāo)。一個穩(wěn)健性強(qiáng)的圖像數(shù)字水印方法,能在含有數(shù)字水印的圖像受到有意或無意的圖像處理后,仍可提取出有效的數(shù)字水印來。當(dāng)中,以破壞數(shù)字水印為目的的惡意的圖像處理,便被稱之為對數(shù)字水印的攻擊。
當(dāng)前,已有了一些運(yùn)用圖像數(shù)字水印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖書館中圖像資源版權(quán)保護(hù)的文獻(xiàn)報道。但這些文獻(xiàn)大多數(shù)僅僅是在理論上敘述或綜述運(yùn)用圖像數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像資源版權(quán)保護(hù)的總體性方案或初略方案,一般都沒有較為細(xì)致的考慮在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中能真正有效的運(yùn)用圖像數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像資源版權(quán)保護(hù)可能會碰到的問題和困難。而文獻(xiàn)等,則針對數(shù)字圖書館中圖像資源的版權(quán)保護(hù),詳細(xì)的設(shè)計(jì)出了用于圖像資源版權(quán)保護(hù)的不同方式的數(shù)字水印方法。文獻(xiàn)的方法屬于空間域方法,它將數(shù)字水印直接嵌入至圖像的像素中;但空間域方法有一個致命的不足,就是抗水印攻擊的穩(wěn)健性很弱,數(shù)字水印很容易被一些有意或無意的圖像處理抹去。因此,更多對圖像數(shù)字水印方法的研究集中于變換域方法;相比空間域方法,變換域方法的穩(wěn)健性要更強(qiáng)。文獻(xiàn)的方法基于離散傅立葉變換(DFT),它將數(shù)字水印嵌入至圖像DFT后的DFT域系數(shù)中;但該方法在提取數(shù)字水印時,需要提供原始圖像,這就使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制。文獻(xiàn)則利用離散余弦變換(DCT)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印方法。但是,文獻(xiàn)的方法同樣在提取數(shù)字水印時需要原始圖像的參與,實(shí)用性弱。而文獻(xiàn)的方法將數(shù)字水印嵌入在DCT域的中高頻系數(shù)中;然而,DCT域的中高頻系數(shù)是很容易受到圖像JPEG壓縮等處理的破壞的,而JPEG壓縮格式卻又是最為常用的圖像格式。
因此,本文將設(shè)計(jì)出一種新的在提取數(shù)字水印時無須原始圖像并且能有效地抵抗JPEG壓縮等常見圖像處理攻擊的圖像數(shù)字水印方法。本文將采用數(shù)值線性代數(shù)理論中的奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印方法以用于圖像資源的版權(quán)保護(hù)。
1、數(shù)字水印方法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1.1 奇異值分解
設(shè)A為m×n大小的實(shí)矩陣,并設(shè)rank(A)=r,r≤N=min{m,n},則矩陣A的奇異值分解為
A=USVT
其中U、Y分別為m×m、n x n大小的正交矩陣,s=diag(σ1,σ1,…,σN)為m×n大小的對角矩陣,σi(i=1,2,…,N)為矩陣A的奇異值,且滿足
σ1≥σ1≥…σr≥>σr+1=…=σN=U
奇異值分解具有個良好的性質(zhì):若對矩陣A的擾動不大,則其對應(yīng)的奇異值σ1也改變不大。這個良好的性質(zhì)就是基于奇異值分解的SVD域圖像數(shù)字水印方法的理論基礎(chǔ)和支撐。
1.2 SVD域圖像數(shù)字水印方法研究現(xiàn)狀分析
SVD域圖像數(shù)字水印方法根據(jù)其所基于的SVD變換方式,可以分為兩大類:一類是基于圖像整體作SVD的;另一類是圖像均勻不重疊分塊后,再對圖像子塊進(jìn)行SVD的。但基于整體SVD的方法絕大多數(shù)都在提取數(shù)字水印時需要原始圖像,因此,當(dāng)前對SVD域圖像數(shù)字水印方法的研究主要集中在基于分塊SVD的方法上。已有的基于分塊SVD的圖像數(shù)字水印方法之間的不同之處主要在于將數(shù)字水印嵌入在不同的位置:文獻(xiàn)將數(shù)字水印嵌入在所有的奇異值上;文獻(xiàn)則將數(shù)字水印嵌入在最大的奇異值上;而文獻(xiàn)則與文獻(xiàn)恰好相反,將數(shù)字水印嵌入在除最大奇異值外的其他奇異值上。
事實(shí)上,將數(shù)字水印嵌入在不同奇異值中的不同方法,對相同的圖像處理攻擊表現(xiàn)出不同的抗攻擊穩(wěn)健性,可以說是各有千秋:將數(shù)字水印嵌入在所有奇異值上的方法抗圖像JPEG壓縮攻擊的穩(wěn)健性強(qiáng),而將數(shù)字水印嵌入在最大奇異值上的方法抗圖像疊加噪聲攻擊的穩(wěn)健性強(qiáng),而相反的,將數(shù)字水印嵌入在除最大奇異值外的其他奇異值上的方法抗圖像亮度和對比度調(diào)整攻擊的穩(wěn)健性強(qiáng)。也就是說,這些方法無法同時對圖像JPEG壓縮、圖像亮度和對比度調(diào)整、圖像疊加噪聲等常見的圖像處理攻擊都具有強(qiáng)穩(wěn)健性。endprint
1.3 本文方法思想基礎(chǔ)
綜上分析并基于對方法能有效抵抗圖像的JPEG壓縮、圖像亮度和對比度調(diào)整、圖像疊加噪聲等常見圖像處理攻擊的折中考慮,本文方法將在圖像分塊SVD后的前三大奇異值中重復(fù)的嵌入相應(yīng)的一個bit數(shù)字水印信息;提取數(shù)字水印時,則按照少數(shù)服從多數(shù)的投票原則來進(jìn)行。方法中采用重復(fù)嵌入策略和多數(shù)原則提取是為了方法具有糾錯能力,從而使方法具有更強(qiáng)或更普遍的抗攻擊穩(wěn)健性。
2、本文提出的用于圖像資源版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印方法
本文提出的用于圖像資源版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印方法分為兩個階段方法:數(shù)字水印的嵌入方法和數(shù)字水印的提取方法。
本文以灰度圖像A作為原始圖像、大小為m×n的二值圖像W作為數(shù)字水印為例,來描述本文的數(shù)字水印嵌入方法和數(shù)字水印提取方法。
2.1 數(shù)字水印嵌入方法
本文的數(shù)字水印嵌入方法過程和步驟詳細(xì)描述如下:
(1)將原始的灰度圖像A不重疊的均勻的劃分為m xn個圖像子塊。劃分出的每個圖像子塊將重復(fù)嵌入相應(yīng)的一個bit數(shù)字水印信息。
(2)對每一個圖像子塊B執(zhí)行SVD,即
B=USVT
(3)對SVD后的圖像子塊B的前三大奇異值,即矩陣Js主對角線上的第1、2、3個元素s1、s2、s3,重復(fù)嵌入相應(yīng)的同一個bit數(shù)字水印信息w:
①計(jì)算圖像子塊B的第i(i=1,2,3)個奇異值si的量化值
λi=round(si/δ)
其中,round為舍入取整函數(shù),δ為預(yù)先設(shè)定的量化步長。
②構(gòu)建嵌入一個bit數(shù)字水印信息w后的圖像子塊B的第i個奇異值si:若λi與w同為奇數(shù)或偶數(shù),則取si=(λi+(1/2))δ;若λi與w不同奇偶,則取si=(λi+(1/2))δ。
③對圖像子塊曰的前三大奇異值,即奇異值矩陣.s主對角線上的第1、2、3個元素s1、s2、s3,用嵌入了一個Kt數(shù)字水印信息后的S1、S2、S3替代,從而得到一個新的含數(shù)字水印信息w的奇異值矩陣S。于是,便得到了嵌入一個bit數(shù)字水印信息w的圖像子塊
B=USVt
(4)對所有劃分出的圖像子塊B按上述過程和步驟執(zhí)行完后,便得到了所有的嵌入了相應(yīng)的一個bit數(shù)字水印信息w的圖像子塊臺。于是,由這些獲得的圖像子塊B就構(gòu)成了最終的含數(shù)字水印形的圖像A。
2.2 數(shù)字水印提取方法
本文的數(shù)字水印提取方法過程和步驟詳細(xì)描述如下:
(1)將含有數(shù)字水印W的圖像A不重疊的均勻的劃分為m×n個圖像子塊。
(2)對每一個圖像子塊B執(zhí)行SVD,即
B=USVT
(3)對SVD后的圖像子塊臺的前三大奇異值,即矩陣S主對角線上的第1、2、3個元素S1、S2、S3,根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)的投票原則,確定圖像子塊B所含的一個bit數(shù)字水印信息W:
①計(jì)算圖像子塊B第i(i=1,2,3)個奇異值Si的量化值
λi=floor(Si/δ)
其中,floor為截斷取整函數(shù)。
②根據(jù)λi(i=1,2,3)的奇偶性,確定Si所含的一個bit數(shù)字水印信息:若λi為奇數(shù),則Si所含的一個bit數(shù)字水印信息為1,否則為0。
③若S1、S2、S3所含的一個bit數(shù)字水印信息多數(shù)為1,則取w=1;否則取w=0。
(4)對所有劃分出的圖像子塊B按上述過程和步驟執(zhí)行完后,便得到了所有的圖像子塊B所含的一個bit數(shù)字水印信息W。于是,由這些獲得的相應(yīng)的數(shù)字水印信息W就構(gòu)成了最終的從含數(shù)字水印圖像A中提取出的數(shù)字水印圖像W。
2.3 方法說明
本文提出的SVD域圖像數(shù)字水印方法并不局限于對灰度圖像的應(yīng)用,方法完全可以推廣應(yīng)用至彩色圖像。對彩色圖像版權(quán)保護(hù)的應(yīng)用,只需將本文方法應(yīng)用在對彩色圖像轉(zhuǎn)換和游離出來的灰度分量即可。
另外,數(shù)字水印嵌入方法和提取方法中均需用到的量化步長δ數(shù)值大小的設(shè)定有講究:數(shù)值不能過大,否則,方法雖會有較強(qiáng)的抗攻擊穩(wěn)健性但同時會削弱數(shù)字水印的透明性;數(shù)值也不能過小,否則,方法對數(shù)字水印雖會有較好的透明性但同時會降低方法抗攻擊的穩(wěn)健性。換句話說,量化步長δ值大小的設(shè)定是在方法對數(shù)字水印透明性和抗攻擊穩(wěn)健性上面的一個折中。
3、對本文方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文以512×512大小的256級灰度Lena圖像作為原始圖像、64×64大小的二值圖像作為數(shù)字水印進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。原始Lena圖像和數(shù)字水印圖像如圖1所示。對本文方法的實(shí)驗(yàn)中,取均勻不重疊分塊的圖像子塊大小為8×8,設(shè)定量化步長δ=16。
為更好的進(jìn)行客觀評價,除了人眼的視覺效果好壞外,本文還以信號與信息處理中常用的峰值信噪比(Peak sivato Noise Ratio,PSNR)作為圖像嵌入數(shù)字水印前后變化效果的度量,以文獻(xiàn)提出的兩極化相關(guān)值(Polarized Cor.relation,Pc)作為提取出的數(shù)字水印與原始的數(shù)字水印相似程度的度量。也就是說,用PSNR值的大小來刻畫方法對水印的透明性高低,用PC值的大小來刻畫方法抗攻擊的穩(wěn)健性強(qiáng)弱。
圖2(a)為利用本文提出的數(shù)字水印嵌入方法獲得的含數(shù)字水印的Lena圖像,顯然在人眼視覺上很難察覺到是否已嵌入了數(shù)字水??;在客觀上,其對應(yīng)的PSNR:40.8792,這也顯示了利用本文方法嵌入的數(shù)字水印的透明性很高。圖2(b)為利用本文提出的數(shù)字水印提取方法對圖2(a)提取出的數(shù)字水印圖像。其PC=1表明本文提出的圖像數(shù)字水印方法,在沒有受到水印攻擊的情況下,能完全正確的從含有數(shù)字水印的圖像中提取出數(shù)字水印圖像。
接著,將檢驗(yàn)本文提出的圖像數(shù)字水印方法抗各種常見圖像處理攻擊的穩(wěn)健性。
首先,檢驗(yàn)本文提出的方法抗圖像JPEG壓縮攻擊的穩(wěn)健性。表1給出了本文方法在對應(yīng)質(zhì)量因子的圖像JPEG壓縮攻擊下,分別對含數(shù)字水印Lena圖像提取出的數(shù)字水印及其PC值。從表中可以看到,本文方法抗圖像JPEG壓縮攻擊的穩(wěn)健性很強(qiáng),在較低質(zhì)量因子的JPEG壓縮攻擊下,仍然能提取出有效的數(shù)字水印來。
然后,檢驗(yàn)本文提出的方法抗其他常見圖像處理攻擊的穩(wěn)健性。表2給出了本文方法在圖像亮度調(diào)整、圖像對比度調(diào)整、圖像疊加噪聲等攻擊下,分別對含數(shù)字水印Lena圖像提取出的數(shù)字水印及其PC值。從表中可以看到,本文方法抗圖像亮度調(diào)整、圖像對比度調(diào)整、圖像疊加噪聲攻擊的穩(wěn)健性都很強(qiáng)。
4、結(jié)束語
本文提出的SVD域圖像數(shù)字水印新方法過程簡單、步驟方便、容易實(shí)現(xiàn),而且,本文方法在對數(shù)字水印的提取時,無須原始圖像的參與,實(shí)用性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法對數(shù)字水印具有很好的透明性,并且,方法對圖像JPEG壓縮、亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、疊加噪聲等常見圖像處理攻擊均具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性。因此,本文方法可有效地運(yùn)用于圖像資源的版權(quán)保護(hù)。endprint