詹 旭， 杜玲艷， 雷躍榮， 曾慧敏， 陳健陵

(1.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川自貢 643000;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643000)

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)和Internet的發(fā)展，數(shù)字圖像得到了越來(lái)越廣泛地傳播。由于數(shù)字作品與生俱來(lái)的特性，使得其可以被高效地復(fù)制，大大降低了制作和使用成本。這些特性在為創(chuàng)造者提供很大便利的同時(shí)，也給盜版者提供了方便，使得盜版行為成本更低。例如，盜用者不但可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輕而易舉地得到他人的原始作品，特別是數(shù)字化的圖像、音樂(lè)、視頻等，而且還可以未經(jīng)所有者的同意就對(duì)原作品任意地加以復(fù)制、修改和再傳播。這些行為嚴(yán)重地侵害了作者的著作權(quán)，也給版權(quán)所有者帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給信息安全造成了嚴(yán)重的威脅［1-5］。所以數(shù)字圖像的版權(quán)日益成為人們關(guān)注的問(wèn)題。采取有效手段對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行版權(quán)保護(hù)現(xiàn)在正變得十分迫切。除了完善與傳統(tǒng)作品版權(quán)保護(hù)類(lèi)似的法律和管理手段，使其更適合數(shù)字作品外，還應(yīng)該針對(duì)數(shù)字作品本身的特點(diǎn)為數(shù)字作品提供技術(shù)上的保護(hù)［6-12］。

本文提出了一種彩色水印算法，將彩色圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間中。首先把S矩陣進(jìn)行了DCT變換，從而獲得2個(gè)矩陣，一個(gè)包含低頻分量;另一個(gè)包含高頻分量。我們選擇低頻分量矩陣進(jìn)行基于奇異值分解的灰度圖像水印嵌入，此方案能有效抵抗JPEG壓縮攻擊和加噪聲攻擊，具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 彩色圖像水印算法

1.1 宿主彩色圖像的嵌入點(diǎn)選擇

本文在對(duì)宿主彩色圖像嵌入水印之前，首先對(duì)宿主圖像進(jìn)行了預(yù)處理。根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的研究，人眼對(duì)HSV空間中的飽和度S的敏感程度低于RGB三分量，所以首先對(duì)宿主圖像進(jìn)行了空間轉(zhuǎn)換，將彩色圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間中，并將S進(jìn)行了DCT變換，由于圖像的大部分信息都集中在低頻部分，所以選擇了低頻部分作為我們的嵌入位置。具體步驟如下:①宿主圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間;②獲取S分量，并進(jìn)行DCT變換，從而獲得低頻信息SLdct和高頻信息SHdct;③對(duì)SLdct進(jìn)行DCT逆變換，從而獲得圖像矩陣SL。

1.2 水印嵌入

當(dāng)獲取了圖像SL后，采用基于奇異值分解算法對(duì)水印圖像W嵌入到宿主圖像中，具體流程如下:

(1)將圖像矩陣SL進(jìn)行奇異值分解:

(2)讀取水印圖像W，將其迭加到對(duì)角陣S上得到新矩陣S':

式中，常數(shù)α＞0，調(diào)節(jié)水印的疊加強(qiáng)度。(3)將新矩陣S'進(jìn)行奇異值分解:

式中，U1，V1為密鑰信息，不包含任何水印信息。

(4)得到含水印的圖像矩陣:

(5)對(duì)圖像矩陣A進(jìn)行DCT變換，從而獲得SLAdct矩陣。

(6)用 SLAdct代替 SLdct，并與 SHdct組成矩陣SAdct。

(7)對(duì)SAdct進(jìn)行DCT逆變換，從而獲得新的分量SA。

(8)將SA代替S，從而獲得嵌入水印后的彩色圖像。

(9)將嵌入水印后的彩色圖像從HSV空間轉(zhuǎn)換到RGB中。

1.3 水印檢測(cè)

水印檢測(cè)是水印嵌入的逆過(guò)程，具體步驟如下:

(1)將嵌入水印后的彩色圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間;

(2)獲取S'分量，并進(jìn)行DCT變換，從而獲得低頻信息SLdct'和高頻信息SHdct';

(3)對(duì) SLdct'進(jìn)行 DCT逆變換，獲得圖像矩陣SL';

(4)對(duì)SL'進(jìn)行奇異值分解:

(5)計(jì)算中間矩陣:

(6)獲得水印圖像:

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

為了驗(yàn)證本算法的性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用256×256×3大小的Lena.jpg圖像作為載體圖像，水印采用大小為128×128的“數(shù)字水印”的二值圖像。用Matlab按照本文提出的方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

水印嵌入前后的結(jié)果如圖1、2所示，原始水印與提取水印的結(jié)果如圖3、4所示，圖1、2的峰值信噪比PSNR 為45.34 dB;圖3、4 的相關(guān)系數(shù)NC為0.99。從圖中可以看出，水印嵌入后并沒(méi)有改變圖像質(zhì)量，同時(shí)提取水印與原始水印相似度很高，沒(méi)有對(duì)原始水印有所損壞，該算法具有較好的不可感知性。

圖1 載體圖像

圖2 嵌入水印后的圖像

圖3 原始水印

圖4 提取的水印

為了驗(yàn)證算法的魯棒性，對(duì)嵌入水印后的圖像進(jìn)行加入高斯噪聲、椒鹽噪聲、JEPG壓縮、幾何等方式進(jìn)行了攻擊，然后按照本文提出的算法進(jìn)行水印提取，同時(shí)分別計(jì)算了嵌入水印后圖像的PSNR值和提取水印的NC值。

從表1和圖5、6可以看出，本算法能很好地抵抗JPEG壓縮，提取出的水印圖像在視覺(jué)上沒(méi)有嚴(yán)重的質(zhì)量下降。圖7～17是對(duì)嵌入水印后的圖像加入椒鹽噪聲、高斯噪聲、裁剪、旋轉(zhuǎn)、抖動(dòng)等常見(jiàn)攻擊后，所提取出的水印圖像，表1為其對(duì)應(yīng)的PSNR和NC值。從表1和圖7～17可以看出，本算法能較好地抵抗噪聲攻擊，具有較好的魯棒性;但是對(duì)幾何攻擊還有待提高。

表1 PSNR和NC值

圖5(a) 嵌入水印后的圖像(JPEG壓縮80%)

圖5(b) 提取的水印圖像

圖6(a) 嵌入水印后的圖像(JPEG壓縮40%)

圖6(b) 提取的水印圖像

圖7(a) 嵌入水印后的圖像(放大2倍)

圖7(b) 提取的水印圖像

圖8(a) 嵌入水印后的圖像(放大4倍)

圖8(b) 提取的水印圖像

圖9(a) 嵌入水印后的圖像(壓縮50%)

圖9(b) 提取的水印圖像

圖10(a) 嵌入水印后的圖像(壓縮80%)

圖10(b) 提取的水印圖像

圖11(a) 嵌入水印后的圖像加椒鹽噪聲

圖11(b) 提取的水印圖像

圖12(a) 嵌入水印后的圖像加高斯噪聲

圖12(b) 提取的水印圖像

圖13(a) 嵌入水印后的圖像裁剪1/16

圖13(b) 提取的水印圖像

圖14(a) 嵌入水印后的圖像裁剪1/4

圖14(b) 提取的水印圖像

圖15(a) 嵌入水印后的圖像旋轉(zhuǎn)30度

圖15(b) 提取的水印圖像

圖16(a) 嵌入水印后的圖像旋轉(zhuǎn)90度

圖16(b) 提取的水印圖像

圖17(a) 嵌入水印后的圖像抖動(dòng)

圖17(b) 提取的水印圖像

3 結(jié)論

本文研究了彩色水印算法［13-15］，水印的嵌入式在HSV彩色空間的飽和度S分量中進(jìn)行，并對(duì)S分量進(jìn)行了DCT變換，選擇了低頻信息位置進(jìn)行水印嵌入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的算法能有效地抵抗JPEG壓縮，對(duì)加噪聲攻擊時(shí)也具有較好的魯棒性，但對(duì)幾何攻擊還有待改進(jìn)。

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