化希耀 高賢強 陳立平

(1 塔里木大學西域文化研究院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學信息工程院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于數字水印的西域文化數字圖像版權保護方法研究

化希耀1高賢強2陳立平2

(1 塔里木大學西域文化研究院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學信息工程院， 新疆 阿拉爾 843300)

結合西域文化數字博物館發(fā)展需要，提出將數字水印技術應用到西域文化數字圖像版權保護中。首先詳細闡述了基于離散余弦變換的數字水印算法和基于小波變換的數字水印算法；仿真實驗表明，兩種變換域數字水印算法都具有較好的透明性，對Jpeg壓縮、椒鹽噪聲、中值濾波和剪切等攻擊具有較強的魯棒性，且基于小波變換的數字水印算法穩(wěn)定性和魯棒性明顯優(yōu)于前者。本文可為今后進一步開發(fā)西域文化博物館數字水印系統(tǒng)提供依據。

數字水印； 西域文化數字圖像； 版權保護； 離散余弦變換； 小波變換

1 引言

塔里木大學西域文化博物館自2002年建館以來，現已建立和制作西域研究文獻書庫、西域文化研究網站、“西域影像志”視頻庫、“人文塔里木”和“文化絲綢之路”等主題數字圖像庫，為更好的宣傳和保護西域文化發(fā)揮了巨大的作用[1]。隨著學校與對口支援高校共同啟動的一系列“數字西域文化”研究項目的實施，西域文化博物館的數字化建設將更加完善，未來將會有更多的數字資源在網上發(fā)布、展示和共享。但數字化使博物館在更好地發(fā)揮其作用的同時，也會伴隨著被任意下載、編輯和篡改等版權保護問題。數字水印技術是信息隱藏的一個重要分支，它是在不影響數字產品使用的前提下，將版權信息嵌入到數字產品的冗余信息當中，并且不易被人感知和察覺，達到版權保護的目的[2]。數字水印技術自提出20多年以來，已經在圖像、視頻、音頻、文本、數據庫等常規(guī)媒體方面都已經開展了很多研究工作，并取得了較好的研究成果[3-6]。典型的數字水印算法有空域水印、變換域水印和壓縮域水印等，其中變換域水印是目前常的水印算法[7]。

本文以西域文化數字圖像版權保護為出發(fā)點，研究和探討了西域文化數字圖像水印的生成、嵌入和提取方法，以期為西域文化數字圖像版權保護提供思路。首先介紹了Arnold置亂技術、基于離散余弦變換(DCT)的數字水印算法[8，9]、基于小波變換(DWT)的數字水印算法[10]和水印客觀評價方法，然后從西域文化圖像庫中選取5張圖像進行水印嵌入、提取和魯棒性測試實驗。實驗結果表明，兩種變換域數字水印算法都具有較好的透明性和魯棒性，且基于DWT變換的數字水印算法明顯優(yōu)于基于DCT變換的數字水印算法，本文為今后進一步開發(fā)西域文化博物館數字水印系統(tǒng)提供了依據。

2 兩種變換域數字水印算法

2.1 Arnold置亂技術

置亂是一種圖像加密方法，是指通過某種變換重新排列圖像中像素的位置，使得原圖像的面目全非，從而達到圖像保護的目的。在數字水印中采用圖像置亂技術，一方面可以改變圖像的面貌，另一方面減少了圖像中像素的相關性，使得原來集中在一起相關性較高的像素分散到不同位置，這樣在水印提取時，不會因部分像素點的變化而影響整體效果，從而提高了水印的魯棒性[7]。本文采用了Arnold置亂技術對水印進行預處理。Arnold變換，也叫貓臉變換，是V.J.Arnold在遍歷理論的研究中提出的一種變換[7]。Arnold變換的過程和算法描述為：

設有一個M階方陣，則采用Arnold變換后方陣中的元素位置變化滿足：x′=(x+y)modM,y′∈=(x+2y)modMx,y{0,1…，M-4}，其中,和x′和y′是變換前后的坐標。

研究表明Arnold變換在經過多次迭代變換后，可以恢復到初始值。所以在設計水印算法時，先將水印迭代變換m次進行預處理，在水印提取時，再繼續(xù)迭代T-m次。

2.2 基于離散余弦變換的數字水印算法

2.2.1 離散余弦變換(DCT)

在圖像處理中常采用離散傅立葉變換(DFT)、離散余弦變換(DCT)和主成分變換(K-L)等變換，將圖像從空間域變換到頻率域，這樣可以在圖像的變換域進行相關的操作[8]?；陔x散余弦變換的數字水印具有計算量小、易于實現和魯棒性強等特點，是目前在數字水印算法中采用較多的一種變換。

2.2.2 水印嵌入過程

圖1 水印的嵌入過程

設原始圖像為IMM×N，水印圖像為WMp×q。

2.2.2.1 采用Arnold置亂算法對二值水印圖像置亂m次，這樣可以減少水印信息的相關性。

2.2.2.2 將原始M×N的圖像分割成M/8×N/8個8×8分塊，Bloki，j1≤i≤M/8，1≤j≤N/8。

2.2.2.5 最后將反變換后的分塊組合成新的圖像。

2.2.3 水印提取過程

圖2 水印的提取過程

2.2.3.1 將帶水印的圖像IMM×N′和原始圖像IMM×N分別分割成若干個8×8分塊。

2.2.3.2 若Blocki'>Blocki則將WM(p,q)賦值為1，否則賦值為0。

2.2.3.3 將得到的水印矩陣WM采用Arnold反置亂T-m次，得到提取的水印圖像。

2.3 基于小波變換的數字水印算法

2.3.1 小波變換(DWT)

小波變換在圖像處理中的基本思想是把圖像進行多分辨率分解,生成不同空間和獨立頻帶的子圖像,然后對子圖像的系數進行處理[10]。圖像經過1級小波變換后,被分解成4個子圖： l個水平細節(jié)子圖HL、1個垂直細節(jié)子圖LH、1個近似子圖LL和1個對角細節(jié)子圖HH。可對近似子圖LL再實施小波變換,得到下一級4個子圖。近似子圖是原始圖像的最佳逼近，包含原始圖像的大部分能量。本文采用3級小波變換，選擇第3級小波變換的近似子圖LL3作為嵌入子圖，這樣可以提高嵌入水印的信息量和魯棒性。

2.3.2 水印嵌入過程

圖3 水印的嵌入過程

設原始圖像為IMM×N，水印圖像為WMp×q。

2.3.2.1 采用Arnold置亂算法對二值水印圖像置亂m次。

2.3.2.2 采用3級小波變換將原始M×N的圖像進行分解。

2.3.2.3 選擇第3級小波變換的近似子圖作為嵌入對象(可嵌入的水印信息量大，且魯棒性較好)，將置亂后的水印嵌入到其中。嵌入方法為：LL3i,j=LL3i,j×(1+a×WM(i,j))，a為嵌入強度。

2.3.2.4 再對嵌入水印后的子圖像進行3級小波逆變換，得到含水印的圖像。

2.3.3 水印提取過程

圖4 水印的提取過程

2.3.3.1 將帶水印的圖像IMM×N′和原始圖像IMM×N分別進行3級小波分解。

2.3.3.2 選擇第3級近似子圖LL3和LL3'，若LL3(i,j)'>LL3(i,j)則將WM(p,q)賦值為1，否則賦值為0,WM為提取的二值水印圖像。

2.3.3.3 將得到的水印矩陣WM采用Arnold反置亂T-m次，得到提取的水印圖像。

2.4 水印評價

評價嵌有水印圖像整體質量的客觀標準一般采用峰值信噪比(PSNR)和歸一化相關系數(NC)。PSNR越大，代表圖像失真越少。NC越接近1，說明水印效果越好。

(1)

其中，M和N表示圖像的大小，f(i,j)和fw(i,j)分別表示原始圖像和嵌入水印后圖像在(i,j)點的像素值。

(2)

M1和N1表示水印的大小，W(i,j)和W*(i,j)表示原始水印和提取的水印在(i,j)點的像素值。

3 仿真實驗及結果分析

3.1 樣本圖像的選取

西域文化博物館現藏有上千副圖像，主題包括新疆各歷史時期的珍貴文物、五大文明、環(huán)境文明和名人贊像等。這些圖像亮度、紋理和特征都不同，本文從圖像庫中篩選了5副圖像進行實驗，如圖5所示。

3.2 實驗結果及分析

本文實驗環(huán)境采用Matlab7.6，原始圖像是5張512×512的灰度圖像。原始水印為一張64×64的二值圖像。兩種變換域水印算法的嵌入強度均為0.03。為進一步測試兩種算法的穩(wěn)定性和魯棒性，依次選用四種水印攻擊方式，包括：①Jpeg壓縮(70%)、②0.05椒鹽噪聲、③3×3中值濾波、④剪切左上角1/4,記作a1～a4。實驗結果如表1所示。實驗采用峰值信噪比(PSNR)評價原始圖像和含水印圖像的差別，歸一化相關系數(NC)評價提取的水印和原始水印的相似度。

(a)Jpeg壓縮 (b)椒鹽噪聲 (c)3?3中值濾波 (d)剪切左上角

(a)Jpeg壓縮 (b)椒鹽噪聲 (c)3?3中值濾波 (d)剪切左上角

表1中a0表示在沒有攻擊下計算的PSNR和NC，a1～a4表示在四種攻擊下計算的PSNR和NC。從表中可以看出，在無攻擊時兩種算法對含水印的5張圖像的峰值信噪比都在35以上，提取的水印歸一化相關系數基本都在0.98以上，說明算法的透明性較好。在a1～a4幾種攻擊下，基于DCT變換的水印算法NC值變化較明顯，說明算法的穩(wěn)定性較弱。而基于DWT變換的水印算法除椒鹽噪聲攻擊下NC值略高于0.8，其它三種攻擊下NC值都穩(wěn)定在0.9以上，穩(wěn)定性和魯棒性明顯優(yōu)于前者。圖6是在四種攻擊下，圖像5作為原始圖像提取的水印。

表1 水印魯棒性實驗結果

4 結束語

本文針對西域文化數字圖像版權保護問題，提出了將數字水印技術應用到數字圖像當中，在不影響圖像使用的前提下，達到版權保護的目的。采用兩種變換域數字水印算法對挑選的5張圖像進行了水印的嵌入和提取實驗，并分別采用Jpeg壓縮、椒鹽噪聲、中值濾波和剪切等幾種方式對含水印圖像進行攻擊。仿真結果表明，幾種攻擊方式下，兩種變換域算法均能提取出清晰的水印信息，且基于小波變換的數字水印算法明顯優(yōu)于基于離散變換的數字水印算法。本文研究為進一步開發(fā)西域文化博物館數字水印系統(tǒng)提供了依據。然而需要指出的是，數字博物館中藏有海量的圖像，今后如何提高算法的效率和自適應性還需要深入研究和探討。

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Study on Copyright Protection Method of Western Culture Digital Image Based on Digital Watermarking

Hua Xiyao1GaoXianqiang2Chen Liping2

(1 Institute of Xiyu Culture,Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

(2 College of Information Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

According to the need of digital western culture museum development, the paper put forward using digital watermarking technology into copyright protection of western culture digital image. Firstly, this paper elaborated the digital watermarking algorithm based on discrete cosine transform and digital watermarking algorithm based on wavelet transform; simulation experiment showed that both of the two transform domain digital watermarking algorithm had good transparency, and had stronger robustness to Jpeg compression, salt and pepper noise, median filtering and shear attack, and DWTwas superior to the former. This paper can provide the basis for further development of the Western Culture Museum digital watermarking system in the future.

digital watermarking;western culture digitalimage; copyright protection; DCT; DWT

2014-10-16

國家自然科學基金(61162018)；新疆生產建設兵團普通高校人文社會科學重點研究基地塔里木大學西域文化研究院開放課題基金資助(XY1408)；塔里木大學校長基金項目(TDZKSS201414)；塔里木大學高等教育研究項目(TDGJ1411)

化希耀(1982-)，男，漢族，講師，碩士，主要從事計算機應用技術方面的教學與研究。 E-mail: hua-28@163.com

1009-0568(2015)02-0063-06

TP391

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.02.012