孫少軍 王玉玨

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066000)(2.海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125000)

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一種基于矢量量化的數(shù)字圖像水印技術(shù)*

孫少軍1王玉玨2

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066000)(2.海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125000)

基于矢量量化的數(shù)字水印技術(shù)，在矢量壓縮編碼過程中，在被保護(hù)的圖像中嵌入了一種典型的數(shù)字水印，水印可以從圖像中恢復(fù)出來，從而可以在版權(quán)爭(zhēng)議中有效地為版權(quán)方舉證。矢量量化密語本中的密語根據(jù)不同的特征被定義成不同的組，進(jìn)而將每個(gè)二進(jìn)制水印比特都嵌入到選定的矢量量化編碼塊中，特點(diǎn)是水印同時(shí)存在于矢量量化壓縮圖像和矢量量化解碼后的重建圖像中。因?yàn)樗‰[藏于壓縮圖像之中，加入水印的壓縮圖像具有尺寸小、傳遞速度快并且存儲(chǔ)空間在壓縮時(shí)可保存的特點(diǎn)，因而代替了原件在因特網(wǎng)上傳輸。此外，重建的圖像具有魯棒性來防范破壞或消除水印的企圖。

數(shù)字水印； 矢量量化; 裁剪攻擊; 魯棒性

Class Number TP391

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的便利接入使每個(gè)人都很容易下載到圖像，復(fù)制、編輯或者散播圖像非常容易，這自然對(duì)版權(quán)擁有者(很多時(shí)候是圖像制作者)產(chǎn)生了直接而又嚴(yán)重的影響[1]。因此互聯(lián)網(wǎng)上的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)成為一個(gè)很重要的問題[2]。數(shù)字水印是證明圖像知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最有效方法[3]。

隨著水印技術(shù)中水印嵌入過程的應(yīng)用，一個(gè)數(shù)字水印可以被嵌入到被保護(hù)的圖像中并且產(chǎn)生一個(gè)加入水印后的圖像[4]。然后擁有者可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳播添加水印后的圖像。當(dāng)關(guān)于數(shù)字圖像的產(chǎn)權(quán)糾紛發(fā)生后，合法擁有者可以使用水印來證明所有權(quán)[5]。

數(shù)字水印類似于在原始圖像中嵌入一個(gè)數(shù)字簽名，一種有效的數(shù)字水印技術(shù)必須具備以下特征[6]:

1) 嵌入水印圖像以后，嵌入水印的圖像應(yīng)與原始圖像用肉眼無法辨別；

2) 非合法使用者無法向嵌入水印后的圖像中增加或從中移除水印；

3) 當(dāng)嵌入水印的圖像通過像JPEG壓縮、銳化、旋轉(zhuǎn)、模糊或者裁減等圖像處理操作后，從修改過的嵌入水印圖像中提取的水印應(yīng)該仍然可辨認(rèn)。

圖像壓縮和圖像水印具有一些共同的特性[7]。圖像壓縮時(shí)，會(huì)使用圖像的最顯著特征來對(duì)其進(jìn)行編碼，最重要的是在進(jìn)行圖像解碼時(shí)失真必須是可控的[8]。圖像水印制作中，嵌入的水印必須不能降低圖像質(zhì)量。在這個(gè)相同的目標(biāo)下，圖像壓縮方法可以在水印嵌入和檢測(cè)執(zhí)行中起到促進(jìn)作用。

文中提出了一種通過矢量量化壓縮技術(shù)在已壓縮圖像中嵌入水印的新數(shù)字圖像水印方案，這種水印同時(shí)存在于矢量量化壓縮圖像和矢量量化譯碼圖像中。

2 詳細(xì)技術(shù)方案

同JPEG是著名的有損壓縮方法一樣，矢量量化圖像壓縮技術(shù)(Linde et al.,1980)是被廣泛應(yīng)用的一種圖像壓縮方法[9]。在將原始圖像分割為塊后，矢量量化在圖像的壓縮率和提取質(zhì)量上都有很好的表現(xiàn)[10]，矢量量化編碼機(jī)按照碼本搜索每個(gè)分塊上與圖像塊最匹配的碼字，與碼字最匹配的分塊的索引值被編碼從而實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。解壓縮圖像時(shí)，矢量量化譯碼器使用這些索引值來恢復(fù)相應(yīng)的分塊并重建圖像。

對(duì)于被保護(hù)的灰階圖像H，令二進(jìn)制數(shù)字水印W表示其版權(quán)信息。Hi和Wi定義如下。通常情況下，Wi的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Hi，因此，使M

Hi={x(i,j)|0≤x(i,j)≤255,0≤i,j≤N-1}

(1)

Wi={w(p,q)|w(p,q)=0or1,0≤p,q≤M-1}

(2)

一旦Hi和Wi給定，本文的方案使用矢量量化圖像壓縮法來將Wi嵌入Hi中來獲得一個(gè)嵌入水印后的圖像Hi′。當(dāng)需要確認(rèn)合法擁有者時(shí)，使用方案中的水印提取過程可以成功檢測(cè)到Hi′中的嵌入水印。水印嵌入和檢測(cè)過程在下面的章節(jié)中詳細(xì)討論。

2.1 水印嵌入過程

圖1是水印嵌入過程框圖。以下步驟詳細(xì)描述了提出的嵌入過程：

Step 1:將圖像Hi分割成大小為a×a的非重疊塊。設(shè)Hi由塊HB1,HB2,…,HBm組成。根據(jù)傳統(tǒng)的矢量量化方法，在CB中為分割塊HBj搜索最相近的碼字并記錄其索引值[6]。類似地，計(jì)算均方誤差來確定分塊與碼字是否相似，也就是說，一個(gè)分割塊中的具備最小均方誤差的碼字被認(rèn)定為與分割塊最相似的碼字。

圖1 水印嵌入過程框圖

Step 2:用K作為偽隨機(jī)生成器(PRNG)的種子并使PRNG(K)隨機(jī)選取Step 1中生成的M×M索引，為一個(gè)選定序列中的索引映射一個(gè)水印像素。

Step 4:對(duì)于每條記錄條目，用水印的像素值代替其相應(yīng)的編號(hào)比特。例如假定水印比特1被嵌入到記錄條目00000010中，則由水印比特代替最后比特位的嵌入結(jié)果為00000011。

Step 5:查找與索引值相一致的記錄條目，然后按照所有索引壓縮圖像。令得到的加入水印后圖像為Hi′。

被嵌入Hi的數(shù)字水印的大小取決于Hi的大小和劃分塊的大小。嵌入圖像Hi的水印的最大值MS由式(3)確定：

(3)

2.2 水印恢復(fù)過程

假設(shè)對(duì)于傳送的嵌入水印圖像，接收方和發(fā)送方使用相同的碼本，因此，接收方可以根據(jù)索引和碼本恢復(fù)壓縮圖像。本文所提出的新的數(shù)字水印技術(shù)在矢量量化編碼過程中完成水印嵌入過程。但是嵌入的水印仍然存在于矢量量化解碼后的圖像之中，并且可以被準(zhǔn)確提取。圖2是水印恢復(fù)過程的框圖，具體步驟如下：

圖2 水印恢復(fù)過程框圖

Step1:如果水印從矢量量化解碼后的圖像中提取，跳至Step2，否則跳至Step3；

Step2:將解壓縮后的水印圖像分割[7]為相同的像素大小a×a。使用秘鑰K來運(yùn)行PRNG(K)，選擇嵌入水印像素的分割塊然后在碼本選出與所選分割塊最相近的索引相應(yīng)的碼字。

Step3: 使用秘鑰K來運(yùn)行PRNG(K)，并選擇嵌入水印像素的分割塊；

Step4:在碼本劃分中，搜索所選索引相應(yīng)的劃分以及碼字編號(hào)。然后根據(jù)編號(hào)比特恢復(fù)水印Wi。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)討論本文水印算法承受裁剪攻擊的能力。在實(shí)驗(yàn)中，使用有256個(gè)碼字的碼本，碼本編輯門限值設(shè)定為140。實(shí)驗(yàn)在以下三種獨(dú)立的情況下進(jìn)行操作：1)嵌入水印圖像被裁剪掉四分之一(如圖3所示)；2)嵌入水印圖像被裁剪掉二分之一(如圖4所示)；3)仿真索引在互聯(lián)網(wǎng)上被攔截的情況(如圖5所示)。

從圖3和圖4中可以看到當(dāng)裁減部分以白像素點(diǎn)填充時(shí)，提取到的水印肉眼明顯可辨，圖3中發(fā)現(xiàn)根據(jù)本文的方法，裁減四分之一嵌入水印的圖像對(duì)提取水印的圖像質(zhì)量并無多大影響。

圖3 四分之一裁剪的水印圖像

與圖4的結(jié)果相比，圖3中恢復(fù)的水印完全可識(shí)別，其相關(guān)系數(shù)超過了0.7。對(duì)比明顯表明裁減一半的嵌入水印圖像會(huì)對(duì)恢復(fù)的水印造成重大損害。

圖4 二分之一裁剪的水印圖像

圖5顯示的是一些索引值在網(wǎng)絡(luò)上被截取和刪除的仿真結(jié)果。注意刪除部分被恢復(fù)為灰色而不是白色。這是因?yàn)樵趬嚎s圖像中，當(dāng)索引被刪除，丟失的部分被用灰色填充，因?yàn)榛疑诨叶葓D像中的值為255。因此，當(dāng)圖像恢復(fù)時(shí)，被刪除部分被索引值為255的碼字代替并恢復(fù)出來。最后，由于碼字索引為255的碼字指向灰色，丟失部分當(dāng)然被恢復(fù)為灰色。如圖5所示，攔截索引對(duì)本文技術(shù)造成的危害不是很大，恢復(fù)的水印仍然可被清晰確定。

圖5 索引值被截取和刪除

4 結(jié)論

矢量量化是一種有效且被廣泛接受的圖像壓縮方法。本文提出的數(shù)字水印技術(shù)吸取了矢量量化的優(yōu)點(diǎn)，在矢量量化壓縮圖像中嵌入數(shù)字水印并且可以從一個(gè)矢量量化壓縮和解壓縮水印圖像中恢復(fù)出水印。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所提水印技術(shù)在對(duì)抗裁剪攻擊和索引值截取方面具有較好的魯棒性。

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A Digital Image Watermarking Technology Based on Vector Quantization

SUN Shaojun1WANG Yujue2

(1.No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)(2.Institute of Naval Aviation, Huludao 125000)

Based on digital watermarking technique of vector quantization, in vector coding process, in the protected image in a typical digital watermark is embedded, the watermark can be recovered from the image, which can effectively in a copyright dispute for copyright proof. Whisper of vector quantization in the according to the different characteristics are defined into different groups, then each binary watermark bits are embedded into the selected vector quantization coding block, which is characterized in that the watermark also exist in the vector quantization compression image and vector quantization decoding of reconstruction image. Because the watermark is hidden in the compressed image, the compression image with the watermark has the characteristics of small size, fast transmission speed and the storage space can be saved in the compression, thus replacing the original transmission on the internet. In addition, the reconstructed image is robust to prevent damage or remove the watermark.

digital watermarking, vector quantization, cropping attack, robustness

2016年5月8日,

2016年6月26日

孫少軍,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向：電子裝備試驗(yàn)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.034