◆李沐明 曹 鵬

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基于最佳判決門限的水印信息提取算法研究

◆李沐明1曹 鵬2

（1.國家開放大學(xué)信息化部 北京 100039；2.北京印刷學(xué)院信息與工程學(xué)院 北京 102600）

傳統(tǒng)的數(shù)字半色調(diào)技術(shù)主要應(yīng)用在電子圖像上，對(duì)于印刷圖像研究較少，本文將數(shù)字半色調(diào)技術(shù)應(yīng)用于水印嵌入，根據(jù)偽隨機(jī)半色調(diào)加網(wǎng)方法將水印信息進(jìn)行嵌入，然后打印輸出。在對(duì)拍攝圖像中的水印信息進(jìn)行提取時(shí)，本文借鑒了通信中二進(jìn)制雙極性基帶系統(tǒng)的最佳門限電平的求解方式，提出了一種最佳判決門限的計(jì)算算法以獲取水印信息提取的最佳判決門限，從而采用該門限提取圖像中的水印信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法有較強(qiáng)的魯棒性，能夠有效地提取嵌入的水印信息。

數(shù)字半色調(diào)；二進(jìn)制雙極性基帶系統(tǒng)；最佳判決門限；水印提取

0 引言

數(shù)字半色調(diào)技術(shù)是通過控制網(wǎng)點(diǎn)的形態(tài)特征來表現(xiàn)原連續(xù)調(diào)圖像。半色調(diào)加網(wǎng)方法不同于一般的防偽方法，由于其不需要使用特殊油墨、特殊圖像處理工具等，并且在加網(wǎng)過程中通過對(duì)網(wǎng)點(diǎn)的調(diào)制使其攜帶加密信息，因此利用該網(wǎng)點(diǎn)特性就可通過某種算法將半色調(diào)加網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到信息隱藏及防偽中[1]。在數(shù)字半色調(diào)方面,國內(nèi)外的研究在持續(xù)進(jìn)行并且取得了一定的成果，Xiaotian Wu等提出在網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)散圖像中進(jìn)行數(shù)據(jù)隱藏[2]; Panagiotis Takis Metaxas基于誤差抖動(dòng)提出了并行數(shù)字半色調(diào)技術(shù)[3]; Jia-Hong Lee等基于半色調(diào)圖像利用可逆信息隱藏實(shí)現(xiàn)了一種新的可逆半色調(diào)加網(wǎng)技術(shù)[4]。這些理論方法的提出實(shí)現(xiàn)了基于半色調(diào)加網(wǎng)的信息隱藏和信息提取。然而，目前利用半色調(diào)加網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息隱藏的對(duì)象主要是針對(duì)電子圖像，對(duì)于印刷后的加網(wǎng)圖像存在一定的缺陷，因?yàn)榇蛴≈髨D像中的水印信息和圖像載體信息存在一定的損失，直接影響了圖像中水印信息的有效提取。因此，對(duì)于這種包含水印信息（噪點(diǎn)信息）的印刷圖像，本文參考了通信中二進(jìn)制雙極性基帶系統(tǒng)的最佳門限電平的求解方式，提出了一種最佳噪聲判決門限的計(jì)算算法，通過這種算法得到噪點(diǎn)提取的最佳門限，從而更加有效地恢復(fù)圖像中的水印信息。

1 數(shù)字水印圖像生成

數(shù)字水印屬于信息隱藏技術(shù)的一個(gè)分支，數(shù)字水印系統(tǒng)包含嵌入系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)兩大組成部分。嵌入系統(tǒng)完成水印的生成和嵌入功能，一般具有兩個(gè)基本輸入：原始載體和水印信號(hào)，水印的生成是原始信息到水印信號(hào)的過程，一般需要考慮水印的魯棒性、安全性和隱秘性等因素。目前的水印生成算法有很多，如偽隨機(jī)、擴(kuò)頻、相位調(diào)制等等。水印的嵌入是將水印信息隱藏在載體的空域或頻域的過程。原始載體是水印信息的宿主，通常是圖像、音頻和視頻等，水印信號(hào)是用戶需要隱藏的信息。水印檢測(cè)系統(tǒng)與嵌入系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)水印的檢測(cè)、提取功能[5]。

本文是利用數(shù)字半色調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入，這種處理方式對(duì)水印的隱秘性要求較低，水印嵌入的過程是為了表示出該圖像含有隱藏信息，因此系統(tǒng)不存在水印的檢測(cè)過程，只需有水印提取過程。其中原始載體圖像為一幅普通的二值圖像。待嵌入的水印信息可以是一段碼流，一段字符串或者一個(gè)網(wǎng)址，這種水印可以轉(zhuǎn)為有意義的ASCII碼流，數(shù)量估計(jì)在幾十字節(jié)左右，即水印算法需要能夠嵌入幾百個(gè)bit的信息。本文中水印嵌入的流程圖如圖1所示，其中水印信息分別嵌入在二值圖像的白塊部分和黑塊部分，并且這種嵌入方式是隨機(jī)的。對(duì)于“0”和“1”用“不含噪聲”和“含噪聲”來表示。

圖1 水印嵌入流程圖

圖2 4bit碼流嵌入結(jié)果

本文以圖3(a)作為原始載體圖像，對(duì)其嵌入一段由數(shù)字和字母組成的字符串，嵌入結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 水印嵌入實(shí)例

2 二進(jìn)制雙極性基帶系統(tǒng)

因此，在二進(jìn)制基帶信號(hào)傳輸過程中，噪聲引起的誤碼有兩種差錯(cuò)形式：發(fā)送的是“1”碼，卻被判為“0”碼；發(fā)送的是“0”碼，卻被判為“1”碼。下面分別計(jì)算這兩種差錯(cuò)概率。

發(fā)“1”時(shí)錯(cuò)判為“0”的概率P（0/1）為

發(fā)“0”時(shí)錯(cuò)判為“1”的概率P（1/0）為

假設(shè)信源發(fā)送“1”碼的概率為P(1)，發(fā)送“0”碼的概率為P(0)，則二進(jìn)制基帶傳輸系統(tǒng)的總誤碼率為

3 基于最佳判決門限的水印信息提取

含水印信息的圖像經(jīng)過打印輸出后，首先由手機(jī)或相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行圖像采集，然后將采集到的圖像裁剪為合適的大小，利用仿射變換并結(jié)合數(shù)字圖像處理的相關(guān)知識(shí)對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正。針對(duì)校正后的含水印圖像進(jìn)行水印信息的提取是最關(guān)鍵的一步，為了更有效地提取水印信息，本文在這里通過最佳判決門限算法獲取含水印信圖像中嵌入的01碼流，將提取的碼流進(jìn)行RS糾錯(cuò)恢復(fù)為原來的水印信息。水印信息提取的流程圖如圖4所示。

圖4 水印信息提取

圖5 最佳判決門限獲取

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 數(shù)據(jù)源

本文試驗(yàn)中所采集的測(cè)試圖像是由華為智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)室拍攝的，大小為3104×3104像素，由于測(cè)試圖像的分辨率較高，為了減少運(yùn)算量本文將測(cè)試圖像進(jìn)行裁剪并變換圖像大小為500×500像素。

4.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Windows 7操作系統(tǒng)下Matlab 2010 b版，計(jì)算機(jī)處理器為intel core i5 3.3GHz，內(nèi)存為8GB。采用本文算法在Matlab軟件上進(jìn)行校正提取測(cè)試。

4.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先將嵌入水印信息后的含水印圖像打印輸出，以圖3(b)為例，采用hp laserjet 1020系列打印機(jī)進(jìn)行正確打印，然后由華為智能手機(jī)進(jìn)行拍攝并裁剪為500×500像素大小，如圖6(a)所示，由于受拍攝環(huán)境的影響，往往會(huì)存在圖像光照不均勻、幾何失真等問題，嚴(yán)重影響了水印信息的正確提取，因此需要對(duì)拍攝的含水印圖像進(jìn)行幾何校正，本文參考了文獻(xiàn)[6]的校正算法思想，將角點(diǎn)檢測(cè)算法與凸包算法相結(jié)合對(duì)失真的QR碼圖像進(jìn)行幾何校正，校正結(jié)果如圖6(b)所示。

獲得校正后完整的含水印圖像之后，本文采用最佳門限判決算法找到最適合水印信息提取的判決門限，考慮到圖像的灰度值在0-255的范圍內(nèi)，經(jīng)過對(duì)圖像的大量測(cè)試，本文將判決門限的范圍鎖定在10-100的區(qū)間，在此合理區(qū)間內(nèi)尋找最佳判決門限，對(duì)于不同的判決門限輸入，會(huì)得到不同的噪聲信息提取的正確率。以圖6(b)為例，在輸入的判決門限為10-100時(shí)，輸出的噪聲信息提取正確率如圖7所示。

(a) 手機(jī)拍攝圖像

(b) 圖像幾何校正結(jié)果

圖6 含水印圖像采集校正示例

圖7 噪聲信息提取

在圖7中，綠色的曲線代表碼流為“1”時(shí)的提取正確率，藍(lán)色的曲線代表碼流“0”正確率，紅色的曲線代表噪聲提取的綜合提取正確率。隨著判決門限的增加，“0”“1”碼流曲線都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)判決門限為30時(shí)，“0”“1”碼流的提取正確率達(dá)到峰值，并且綜合提取正確率也在峰值處，因此30為圖6(b)的最佳判決門限，根據(jù)此最佳判決門限能夠提取“0”“1”碼流，然后進(jìn)行RS糾錯(cuò)處理，查找ASCII碼表得到原始的水印信息。

本文嵌入的水印信息為隨機(jī)文本信息，包括數(shù)字、字母和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。按照水印嵌入和提取的流程，共進(jìn)行了100次試驗(yàn)，在手機(jī)拍攝圖像失真不嚴(yán)重的情況下，經(jīng)過試驗(yàn)，水印信息提取的正確率為95%。該實(shí)驗(yàn)表明本文提出的最佳判決門限獲取算法是比較穩(wěn)定的，水印信息提取結(jié)果較好。

5 結(jié)論

本文將數(shù)字半色調(diào)技術(shù)應(yīng)用于水印信息嵌入中，根據(jù)偽隨機(jī)編碼規(guī)則將水印信息嵌入到載體圖像中。對(duì)于打印輸出經(jīng)過手機(jī)拍攝的含水印信息的圖像，在水印信息提取時(shí)根據(jù)最佳判決門限算法得到最合適的提取門限，從而準(zhǔn)確地提取圖像中包含的水印信息。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明本文提出的最佳判決門限獲取算法是有效的，并且魯棒性較強(qiáng)，能夠較好地提取圖像中包含的水印信息。因此本文基于打印拍攝圖像的水印(噪點(diǎn))信息的提取有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

[1]曹鵬，劉喆燦，衣旭梅.半色調(diào)加網(wǎng)與信息隱藏技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[2]Xiaotian Wu .Visual data hiding in dot diffusion images.Computer Sciences and Convergence Information Technology (ICCIT).Korea，2010.

[3]Panagiotis Takis Metaxas. Parallel Digital Halftoning by Error-Diffusion[J].ACM 1-58113-604-8，2003.

[4]Jia-Hong Lee, Mei-YiWu,and Hong-JieWu. A New Inverse Halftoning Method Using Reversible Data Hiding for Halftone Images[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2010.

[5]趙仁卿.基于數(shù)字水印的二維碼技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2013.

[6]Kong Suran.QR Code Image Correction based on Corner Detection and Convex Hull Algorithm[J].Journal of Multimedia，2013.