關鍵詞:離散余弦變換數字水印抗攻擊水印恢復
【中國圖書館分類號】TP【文獻識別碼】A【文號】1007-9416(2010)02-0026-02
1簡介
數字水印的研究從嵌入方式上可以分為兩類:壹類是按照某種算法將數字水印直接疊加在圖像的空間域上；另壹種方法是對圖像進行變換(特別是正交變換)，然後將水印嵌入圖像的變換域。從目前的情況來看，變換域方法越來越普遍。由於變換域方法通常具有很強的魯棒性，對圖像壓縮、常見的圖像濾波和噪聲具有抵抗性，壹些水印算法還結合了當前的圖像和視頻壓縮標準。常用的變換域主要有離散傅裏葉變換、離散余弦變換和離散小波變換。[1]
本文研究了基於DCT變換的數字圖像水印技術。研究中采用了分塊DCT變換技術和實驗驗證，提出了壹種數字圖像水印方案，實現了數字水印的嵌入和恢復，並具有壹定的抗噪聲攻擊能力。由於DCT變換主要在中低頻帶疊加水印信息，而人眼的感知主要集中在這壹頻帶，攻擊者在破壞水印的過程中必然會造成圖像質量的嚴重退化，因此與傳統的LSB算法和Patchwork算法相比，該方案具有更強的抗攻擊能力。
2數字水印技術的基本原理
數字水印技術通過壹定的算法將壹些符號信息直接嵌入到多媒體內容中。目前，大多數水印方案都是通過密碼學中的加密(包括公鑰和私鑰)系統來加強的，在嵌入和提取水印時使用壹個密鑰甚至幾個密鑰的組合。[2]水印的嵌入和提取方法如圖1和圖2所示:
數字水印可以分為兩類:空間域數字水印和變換域數字水印。
空間域法又可以細分為以下幾種方法:(1)最低有效位法，利用原始數據的最低位來隱藏信息，具體位數是基於人類聽覺或視覺系統無法察覺的原理。(2)拼接法和紋理映射編碼法。這種方法是通過任意選擇n對圖像點，增加壹個點的亮度，降低對應的另壹個點的亮度值來加載數字水印。(3)文檔結構微調法，是壹種在postscript中隱藏特定二進制信息的技術，主要通過垂直移動行距、水平調整字距和調整文本特征來完成編碼。[3]
基於變換域的技術采用類似擴頻圖像的技術隱藏數字水印信息。這類技術壹般基於常用的圖像變換，基於部分或全部變換，包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅立葉變換(FT或FFT)、哈達瑪變換等。頻域法有以下優點:(1)嵌入頻域的水印信號能量可以分配到所有像素，有利於保證水印的不可見性；(2)在頻域中，我們可以利用人類視覺系統的壹些特性更方便有效地對水印進行編碼。
數字圖像中的3 DCT原理
離散余弦變換簡稱DCT變換。離散余弦變換是傅立葉變換的特例。在傅裏葉級數展開中，如果展開的函數是實偶函數，其傅裏葉級數只含有余弦項，然後可以離散化導出離散余弦變換，所以余弦變換和傅裏葉變換壹樣有明確的物理意義。DCT變換避免了傅立葉變換中的復雜運算，是壹種基於實數的正交變換。[4]DCT變換矩陣的基向量與ToePlitz矩陣的特征向量非常相似(系數矩陣是對稱的，沿平行於主對角線的任意壹條對角線上的所有元素都相等)，而toepitz矩陣體現了人類語言和圖像信號的相關特性，因此DCT常被視為語音和圖像信號的準最優變換，DCT算法易於在數字信號處理器中快速實現，因此目前在圖像編碼中占有重要地位。目前，使用JPEG和MPEG壓縮標準。[5]
4 DCT實現方案
4.1嵌入水印
(1)將載體圖像轉換到YUV色度空間，提取Y分量。
(2)在Y分量中嵌入水印:a .從載體圖像和水印圖像計算初始嵌入位置，使水印位於載體圖像的中心；b .將載體圖像分成(Mm×Nm)個塊，每個塊分為blocksize_sub×blocksize_sub2個子塊，每個子塊的大小為block size×block size；c、對於每個大塊，對每個小塊進行DC變換提取DC系數，將步長後的值加到水印的相應位置，如果是1，則步長乘以0.5；如果是0，加0.5，乘以步長。將修改後的DC系數放回原處。e .逆DCT後得到嵌入水印的y分量。f .結合UV分量，得到嵌入水印的圖像。g .獲取結束時間，相減得到整個算法所需的時間。
4.2在水印圖像中加入噪聲信號(模擬圖像被攻擊)
4.3提取水印
(1)獲取開始時間。(2)設置塊(blocksize*blocksize)和子塊(blocksize_sub*blocksize_sub2)的大小與嵌入端壹致。(3)讀取水印圖像、被攻擊圖像和水印圖像的長度和寬度。(4)將被攻擊的圖像恢復到水印圖像的大小。類似於水印，把圖像的Y分量分成(Mm*Nm)個塊，每個塊又分成block size _ sub * block size _ sub _ 2個子塊。除以步長後的模2，最後每個塊會得到0和0，塊大小_ sub *塊大小_ sub的個數。(5)根據水印的長度和寬度重置生成的壹維矩陣，得到提取的水印。
5模擬實驗結果
本實驗以MATLAB軟件為工具，對所提出的DCT域水印方案進行了仿真。
6結論
通過實驗圖片的效果可以看出，添加水印後的圖像基本不影響原圖的質量，看不到水印圖案，基本可以保持載體圖片的原貌。水印可以成功地從被攻擊的圖像中恢復出來，並且可以識別出原始水印。因此，數字圖像水印可以通過分塊離散余弦變換嵌入和提取，並且具有良好的抗攻擊能力。
[參考文獻]
[1]李道元，常敏，袁。壹種基於圖像分割和H V S .的自適應數字水印，計算機工程，2003，11。
黨紅梅，李仁厚，易英敏。幾種頻域圖像數字水印算法。計算機工程與設計，2003，12。
劉銳，譚婷.壹種基於SVD 2的版權保護數字水印方案[J].IEEE多媒體學報，2002，4(1):121212128。
劉峰，孫，。壹種基於DCT和SVD的數字圖像水印技術[J].計算機應用，2005，25 (8): 194421945。
蔡玥。基於DCT和奇異值分解的數字水印算法研究[D].武漢:武漢理工大學，2006。
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