朱靜嫻，陸　南，馮金金

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 21003)

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以IMEI/IMSI為水印的手機(jī)圖像數(shù)字水印算法的實(shí)現(xiàn)

朱靜嫻，陸南，馮金金

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 21003)

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信和攝像機(jī)便攜設(shè)備的快速發(fā)展，帶來(lái)了數(shù)字圖像很容易散布、復(fù)制和修改。針對(duì)此類問(wèn)題，提出一種以手機(jī)IMEI/IMSI碼為水印信息并嵌入到手機(jī)圖像的數(shù)字水印算法，從而達(dá)到手機(jī)圖像的版權(quán)保護(hù)。首先獲取手機(jī)IMEI/IMSI，使用BCD編碼將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制向量，再使用BCH編碼轉(zhuǎn)換成64×64水印位圖作為水印信息；然后采用離散余弦變換、離散小波變換和奇異值分解結(jié)合的算法將水印信息嵌入到手機(jī)圖像；最后提取水印信息來(lái)獲取用戶的手機(jī)信息。實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠?qū)崿F(xiàn)盲提取，具有良好的不可見(jiàn)性、魯棒性，能夠抵抗一定的壓縮、噪聲等攻擊。

關(guān)鍵詞：IMEI；IMSI；BCH編碼；奇異值分解

互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信和移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展，帶來(lái)了數(shù)字媒體的快速傳播，以手機(jī)圖像為例，用戶使用操作軟件方便快捷地對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、修改、傳播[1]。因而手機(jī)圖像的版權(quán)保護(hù)已成為一個(gè)重大的安全問(wèn)題。近年來(lái)，數(shù)字水印已經(jīng)成為保護(hù)圖像版權(quán)一種不可或缺的技術(shù)，但應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備上的數(shù)字水印方案比較稀缺。研究人員[2-4]提出了一些應(yīng)用于手機(jī)上的水印算法，指出水印信息可以是文本、簽名標(biāo)識(shí)等。

在實(shí)際中，記錄手機(jī)圖像的一個(gè)較好的水印信息是IMEI(International Mobile Equipment Identity)和IMSI(International Mobile Subscriber Identity)，原因在于每部手機(jī)都有其唯一的編號(hào)。為了防止經(jīng)過(guò)某些攻擊后提取錯(cuò)誤的IMEI/IMSI，因而在嵌入水印信息之前，對(duì)其進(jìn)行BCH編碼，增強(qiáng)水印的魯棒性。同時(shí)，綜合考慮水印算法盲檢測(cè)、不可見(jiàn)性、魯棒性及移動(dòng)終端的運(yùn)算速度等，采用一種基于DWT-DCT-SVD盲水印算法來(lái)實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入和提取。

1理論知識(shí)

1.1水印信息的生成和編碼

水印信息有無(wú)意義和有意義水印[5]，可見(jiàn)和不可見(jiàn)水印之分，文中采用的是有意義的水印，運(yùn)用算法將其作為不可見(jiàn)水印嵌入到手機(jī)圖像中，在不影響外觀的情況下，保護(hù)手機(jī)圖像的版權(quán)，即IMEI/IMSI。IMEI/IMEI均由15位0～9的數(shù)字組成，其中IMEI是國(guó)際移動(dòng)設(shè)備身份碼的縮寫(xiě)，標(biāo)志了GSM和UMTS網(wǎng)絡(luò)里的唯一手機(jī)，通常被打印在手機(jī)電池的上面或在手機(jī)撥號(hào)界面輸入按*#06#，即可獲取這串?dāng)?shù)字；IMSI標(biāo)志了GSM和UMTS網(wǎng)絡(luò)中的唯一用戶，存儲(chǔ)在手機(jī)的SIM卡里。通過(guò)提取這些水印，可以方便地了解到該圖像來(lái)自于哪款手機(jī)、哪個(gè)SIM卡。

為了增強(qiáng)水印的魯棒性，采用(8，127)BCH編碼[6]，即每8位二進(jìn)制行向量將表示成127位向量，如式(1)所示。其中當(dāng)Wj8=Cj127,Wj7=Cj126,…,Wj1=Cj120，剩下的119位是糾錯(cuò)位。IMEI/IMSI經(jīng)過(guò)BCH碼后表示成8×128矩陣，如式(2)所示，其中C1,128=…=C8,128=0。每個(gè)IMEI/IMSI是由1 024((16/2)×128)位表示，通過(guò)式(3)將其轉(zhuǎn)換成64×64的水印位圖。

(1)

(2)

(3)

1.2水印的嵌入準(zhǔn)則

常見(jiàn)的嵌入準(zhǔn)則可分為加法準(zhǔn)則和乘法法則，從而產(chǎn)生嵌入水印后的數(shù)據(jù)，該過(guò)程可用公式表示為

Iw=f(I,W)

(4)

式中：I為原始圖像信息；W為水印信息；f表示為水印的嵌入算法；Iw為嵌入水印信息后的信息。作為典型嵌入準(zhǔn)則的提出者Cox等人曾提出了3種水印嵌入算法的公式，分別為：

1)加法準(zhǔn)則：Iw=I+αW

(5)

2)乘法準(zhǔn)則：Iw=I(1+W)

(6)

3)指數(shù)準(zhǔn)則：Iw=Ieαw

(7)

式中：α為水印嵌入系數(shù)，代表水印的嵌入強(qiáng)度，α越大則水印的魯棒性越好，但也意味著隱蔽性較差，為了達(dá)到兩者的平衡，α的取值至關(guān)重要。文中采用的是加法準(zhǔn)則。

1.3顏色空間的裝換

在嵌入和提取水印之前，需將彩色圖像在RGB和YCbCr顏色空間之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)镽GB顏色空間將色調(diào)、亮度和飽和度3個(gè)量放在一起表示，難以進(jìn)行數(shù)字化調(diào)整。在文獻(xiàn)[7]提出在圖像較大時(shí)，浮點(diǎn)數(shù)乘法的運(yùn)算速度較長(zhǎng)，采用移位運(yùn)算來(lái)近似浮點(diǎn)數(shù)乘法能夠加快運(yùn)算速度，近似的公式如式(8)和式(9)所示

(8)

(9)

1.4DWT、DCT變換和奇異值分解

檢測(cè)水印效果的3個(gè)重要指標(biāo)：嵌入量、魯棒性和可見(jiàn)性。DCT變換是將圖像轉(zhuǎn)化成頻率域數(shù)據(jù)，即DC(直流系數(shù))和AC(交流系數(shù))。AC又劃分為低頻系數(shù)和高頻系數(shù)。雖然AC低頻系數(shù)因集中較多的信號(hào)分量，使得水印嵌入強(qiáng)度較大和魯棒性較好，但是在其嵌入水印后，不能確保其不可見(jiàn)性。

DWT變換是一種時(shí)間—頻率信號(hào)的多分辨率分析方法，在時(shí)域和頻域中具有表示特征信號(hào)局部特征的能力?；贒WT圖像水印算法是將圖像進(jìn)行多分辨率分解，分解成四個(gè)不同的頻帶：水平、垂直、對(duì)角線和低頻。同時(shí)圖像的能量主要集中在低頻部分，可對(duì)其繼續(xù)分解來(lái)提高算法的魯棒性。但DWT系數(shù)不具有幾何不變性，所以抗幾何攻擊能力不好。

SVD是線性代數(shù)中的一種方法，可將矩陣對(duì)角化，因其具有的穩(wěn)定特性和旋轉(zhuǎn)不變性，使得SVD在數(shù)字水印領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在圖像的奇異值上嵌入水印信息，在受到外界攻擊時(shí)，在能夠很好地提取出水印信息和不會(huì)損害圖像的幾何特性同時(shí)，還能夠保證水印的不可見(jiàn)性和魯棒性[8]。

2水印嵌入和提取算法

2.1水印的嵌入算法

嵌入水印的算法步驟：

1)調(diào)用手機(jī)的攝像頭或本地圖庫(kù)獲取原始圖像，并將其縮放到固定尺寸[9]，大小為M×N，設(shè)圖像為I。

2)將圖像I從RGB轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr顏色空間，提取亮度分量Y，并進(jìn)行二級(jí)小波分解，得到4個(gè)矩陣LL、HL、LH和HH，取出低頻分量LL，對(duì)其進(jìn)行水印嵌入。

3)將低頻分量LL分成8×8的子塊，用B表示。在子塊中隨機(jī)選取L個(gè)塊進(jìn)行DCT變換(L由水印位圖的大小決定，本文L=64×64)，同時(shí)將所選取的位置作為密鑰k保存，得到的DCT系數(shù)矩陣Bm，n(1≤m，n≤64)。

4)取出矩陣Bm，n的直流分量Bm，n(1，1)來(lái)構(gòu)造一個(gè)新的矩陣C。對(duì)其進(jìn)行SVD分解，C=U1S1V1T。

5)獲取IMEI/IMSI并采用上述BCD和BCH編碼轉(zhuǎn)換成64×64水印位圖，用W表示，將W添加S1上并對(duì)其進(jìn)行SVD分解：S1+αW=U2S2V2T，求出U2，S2，V2。再計(jì)算矩陣C*=U1S2V1T(α為水印嵌入系數(shù)，文中α=0.1)。

6)令C=C*，將其還原到步驟3)中的每個(gè)分塊中，并進(jìn)行IDCT逆變換，得到嵌入水印的塊LL*。再與細(xì)節(jié)分量進(jìn)行二級(jí)IDWT逆變換，最后得到嵌入水印后的亮度通道Y*。

7)Y*與原來(lái)的Cb、Cr分量結(jié)合，并按原來(lái)的公式轉(zhuǎn)換到RGB空間，獲得嵌入水印的手機(jī)圖像。

2.2水印的提取算法

將嵌入水印的手機(jī)圖像用I*表示，提取算法步驟：

1)將I*從RGB轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr顏色空間，取出Y分量并進(jìn)行二級(jí)DWT變換。

2)取出低頻分量并分成8×8的子塊，根據(jù)保存的密鑰k選取水印嵌入塊的位置，對(duì)每個(gè)水印嵌入塊進(jìn)行DCT變換，得到DC分量，將每個(gè)DC分量構(gòu)造成矩陣B**。

3)對(duì)矩陣B**進(jìn)行SVD分解得到奇異值矩陣：B**=U1*S2*V1*T。

5)將得到的水印矩陣進(jìn)行逆BCD和BCH編碼，得到IMEI/IMSI。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在Eclipse平臺(tái)上仿真實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的功能后，將其封裝打包成APK后并安裝到Android手機(jī)上，最后運(yùn)行該水印系統(tǒng)的應(yīng)用程序。注冊(cè)并登錄后跳轉(zhuǎn)的主界面如圖1所示，其中包括獲取拍照、圖庫(kù)、水印嵌入、水印提取和保存信息5個(gè)按鈕，單擊這些功能按鈕時(shí)，將打開(kāi)相應(yīng)功能的Activity。點(diǎn)擊拍照或圖庫(kù)獲取手機(jī)圖像并顯示在主界面上如圖2所示。點(diǎn)擊水印嵌入按鈕，跳轉(zhuǎn)到設(shè)置水印信息的界面，包含獲取IMEI/IMSI信息和對(duì)嵌入水印后圖像的命名等信息，如圖3所示。

點(diǎn)擊獲取IMEI和IMSI信息按鈕，即可獲取手機(jī)設(shè)備的信息，如圖4所示。之后點(diǎn)擊嵌入水印按鈕，跳轉(zhuǎn)到主界面并顯示嵌入水印信息的圖像，如圖5所示，點(diǎn)擊保存信息按鈕即可將嵌入水印的圖像保存在手機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)/DCIM/Camera文件夾中。點(diǎn)擊水印提取按鈕后，最終將水印信息顯示在主界面上，如圖6所示。

總的來(lái)說(shuō)該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，方便快捷，每一步的完成都會(huì)使用Toast方法告知用戶，如“水印信息嵌入成功”和“水印提取成功”。比較圖2和圖5可知，從視覺(jué)上看，沒(méi)有明顯的不同，說(shuō)明具有良好的不可見(jiàn)性；比較圖4和圖6可知，提取出的水印信息也是清晰可見(jiàn)的，說(shuō)明具有較好的魯棒性。

3.2性能分析

就以上系統(tǒng)的算法，進(jìn)行部分的性能分析。若將這些攻擊在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。故實(shí)驗(yàn)選取512×512的彩色圖像為載體圖像，以標(biāo)有“江科大學(xué)”的64×64像素的二值圖像為水印圖像，在MATLAB 2010a下進(jìn)行性能測(cè)試。無(wú)攻擊下的結(jié)果包括水印的嵌入和提取，如圖7所示。

嵌入水印的圖像在受到JPEG壓縮、低通濾波、添加高斯噪聲和圖像裁剪4種具有代表性的攻擊方式下，從視覺(jué)上看載水印圖像無(wú)明顯變化，并且提取出的水印信息在視覺(jué)上也是可辨識(shí)的，說(shuō)明設(shè)計(jì)的數(shù)字水印系統(tǒng)具有一定的魯棒性和不可感知性。提取攻擊后的水印如圖8所示。

為了更好地說(shuō)明數(shù)字水印系統(tǒng)的性能，分別利用式(10)和式(11)計(jì)算PSNR和NC值來(lái)做進(jìn)一步評(píng)判。PSNR是對(duì)含水印圖像質(zhì)量檢測(cè)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，其值越高，表明圖像質(zhì)量越好，隱蔽性也就越強(qiáng)；NC是對(duì)所提取到的水印信息圖像與原水印圖像的質(zhì)量進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)之一，NC值越接近1，表明二者之間的相似性越高，魯棒性也就越強(qiáng)。

(10)

(11)

式中：M、N分別是載體的寬度和高度；X(i,j)和X′(i,j)分別為原始參考載體和含水印載體在(i，j)處的像素值；w(i,j)和w′(i,j)分別代表原始水印信息與已提取出的水印信息在(i，j)處的像素值。表1給出了不同算法在攻擊下魯棒性(PSNR)和透明性(NC)的結(jié)果，表1中“—”表示文獻(xiàn)中沒(méi)有論述，從結(jié)果可以看出，文中算法具有較好的魯棒性和透明性。

表1不同算法在攻擊方式下的性能對(duì)比

4小結(jié)

文中提出一種以IMEI/IMSI為水印信息的數(shù)字水印算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在提取水印時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)盲提取，并且通過(guò)提取出的水印能夠了解到手機(jī)設(shè)備的信息。這種以IMEI/IMSI作為水印信息的方法，在實(shí)現(xiàn)手機(jī)圖像版權(quán)保護(hù)的同時(shí)也傳遞了手機(jī)信息，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于一般的用戶，可以在保證安全的前提下，即時(shí)分享自己的手機(jī)圖像給他人。

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責(zé)任編輯：時(shí)雯

Digital watermarking algorithm for mobile images using IMEI/IMSI as watermarking information

ZHU Jingxian，LU Nan，F(xiàn)ENG Jinjin

(SchoolofElectronicandInformationEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，JiangsuZhenjiang212003，China)

Key words：IMEI；IMSI；BCH codes；SVD

Abstract：With the rapid development of Internet，wireless communication and the camera-capable portable devices， digital images are easily distributed， copied and modified. In view of this， an algorithm for embedding IMEI/IMSI into mobile phone images is proposed， so as to protect the mobile images copyright. Firstly， get the IMEI/IMSI and use the BCD codes into the binary vector. Secondly， the binary vector is transformed using BCH code into 64×64 watermarking bitmap， which is used as watermarking information. Thirdly， combine DCT、DWT with SVD and embed watermarking information into mobile phone images. Then， extract the watermarking information which can be convenient for obtaining the user mobile phone information. The experimental results show that the algorithm can realize blind extraction， has good invisibility and robustness， and can resist some attacks such as compression and noise.

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.009

收稿日期：2015-07-03

文獻(xiàn)引用格式：朱靜嫻，陸南，馮金金. 以IMEI/IMSI為水印的手機(jī)圖像數(shù)字水印算法的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(1)：47-50.

ZHU J X，LU N，F(xiàn)ENG J J. Digital watermarking algorithm for mobile images using IMEI/IMSI as watermarking information[J].Video engineering，2016，40(1)：47-50.