水利工程論文-基于分塊DCT的自適應擴頻水印算法.doc

水利工程論文-基于分塊DCT的自適應擴頻水印算法摘要：本文提出了一個利用塊分類的DCT域自適應擴頻圖像水印算法。嵌人的水印是一個可視二值圖像，用兩個不相關的偽隨機序列分別代表水印信息中的0和1，從而達到擴頻的目的。將擴頻后的水印信號，嵌入到分塊DCT域的中低頻段系數中的過程中，充分考慮到了局部圖像的復雜度，能夠自適應地調整嵌入強度，提取水印信號無需使用原始圖像。仿真實驗表明：圖像經過JPEG有損壓縮、低通與中值濾波和剪切等圖像處理操作后仍是穩(wěn)健的。關鍵詞：分塊DCT擴頻HVS圖像水印算法1引言數字水印技術是指在宿主數字媒體（圖像、聲音、視頻）等中嵌入一定量的數字信息，例如作者的電子簽名、日期、公司圖標等，用以證明作品的所有權，并可作為起訴非法侵權的證據，從而保護作品原創(chuàng)者的合法利益。數字水印技術不同于傳統(tǒng)的數據加密，其目的不是限制對數據的存取，而是保證嵌入的數據不可侵犯和可恢復。其基本要求有：透明性，是指在宿主數字媒體中嵌入一定量的數字水印信息后，不會引起原媒體明顯的降質現(xiàn)象，隱藏數據不易察覺，即無法人為地看見或聽見；魯棒性，是指數字水印必須對施加于宿主媒體的各種變換操作（如有損壓縮、濾波和剪切等）具有免疫性，即水印信息不能因為施加于宿主媒體的某種變換操作而丟失；安全性，是指數字水印能夠抵擋各種蓄意的攻擊，很難被他人所復制和偽造，只要其不知道控制該算法的密鑰。2已有的基于DCT域的圖像水印算法分析較早利用分塊DCT的水印技術是Koch.E、Zhao.J的文章1，他們的水印方案是用一個密鑰隨機的選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個三元組來隱藏二進制序列信息。這種方法對有損壓縮和低通濾波是穩(wěn)健的。Cox等2提出了著名的基于圖像全局變換的數字水印技術，該方案對整個圖像作離散余弦變換(DCT)，然后將水印嵌入到預先設定的低頻分量中，水印信號由高斯分布的實數序列組成，算法不僅在視覺上具有不可察覺性，而且穩(wěn)健性也非常好，可經受JPEG壓縮、濾波、剪切等攻擊。Barni等3提出一種利用HVS掩蔽特性的基于DCT的水印算法，在水印嵌入階段，對的圖像進行的DCT變換，對DCT系數按Zig-Zag掃描重新排列為一維向量，留下向量中開始的L個系數不作修改，對第L個系數后面的M個系數進行修改以嵌入水印。黃繼武等人4在對DCT系數DC和AC分量的定性和定量分析的基礎上，指出DC分量比AC分量更適合嵌入水印，嵌入DC分量的水印具有更好的穩(wěn)健性，并提出了一個利用DC分量的自適應算法。以上算法至少有以下兩個缺點：在水印提取過程中使用了原始圖像，這一點在實時的網絡環(huán)境中很難做到；只能給出水印存在有無的回答，在許多應用場合要求水印是有意義的，如一個二維圖像(商標、印鑒等)。顯然，這種有意義的水印所包含的信息量、可感知性、可辯識性及保密性，是無意義的偽隨機噪聲所不能比擬的。本文在研究了前人算法的基礎上，提出了一個利用塊分類的DCT域自適應擴頻圖像水印算法，嵌入的水印是一個可視二值圖像。用兩個不相關的偽隨機序列分別代表水印信息中的0和1，從而達到擴頻的目的，將擴頻后的水印信號，嵌入到分塊DCT域的中低頻段系數中。在嵌人過程中充分考慮到了局部圖像的復雜度，能夠自適應地調整嵌人強度，水印檢測算法不需要原始圖像，實現(xiàn)了盲檢測。仿真實驗表明：圖像經過JPEG有損壓縮、低通與中值濾波、剪切等圖像處理操作后仍是穩(wěn)健的。3數字水印嵌入算法具體步驟本文算法基本框圖如圖1所示，以下對各步驟作詳細介紹。圖1水印嵌入算法框圖3.1原始圖像分塊設原始圖像為f(x,y)，首先將f(x,y)分割為互不覆蓋的88子塊，記為Bm=fm(i,j)，0m=0,1,.,M-17m=0,1,.,M-1，對Bm進行DCT變換，得到：DCT，07m=0,1,.,M-1（1）3.2基于視覺掩蔽特性的塊分類本文借鑒黃繼武等5提出的算法，水印的嵌入過程可以看成在一個強背景（原始圖像）上疊加一個弱信號（數字水?。?，只要信號低于HVS的對比度門限，視覺系統(tǒng)就無法感覺到信號的存在。根據HVS的對比度特性，該門限受背景照度，背景紋理復雜性和信號頻率的影響，一般說來，背景越亮，紋理越復雜，門限就越高。即可以嵌入更高強度的水印信號，根據圖像的局部紋理復雜性，盡可能提高嵌入水印的強度，這是提高水印穩(wěn)健性的有效辦法。為此，把圖像分為三類，以便疊加不同強度的水印分量。第1類（R1）平均灰度較低（暗），且灰度變化比較平滑，HVS對其中像素值的改變較為敏感，疊加的水印分量的強度最弱；第3類（R3）平均灰度較高，且紋理復雜，HVS對其中像素值的改變敏感性最弱，疊加的水印分量的強度最強；余下的為第2類（R2）。設背景照度為I，根據Weber定律，在均勻背景下，人眼剛好可以識別的物體照度為，滿足：。文中定義了如下衡量塊均勻度的參數：（2）其中為的灰度均值。上式的物理意義是：決定物體照度可見度的應該是對比度而非照度絕對差，加權系數作為修正因子，根據下式確定：（3），當較小時，被認為比較均勻；反之，較大時，被認為包含紋理和邊緣。文獻中提到利用作為塊均勻度的測量標準，其結果優(yōu)于利用塊方差作為標準的情況。塊分類器可描述如下：如果且，則。如果且，則。若上述兩種情況均不滿足，則，其中T1、T4為門限，可由實驗確定。3.3水印的預處理設二值水印表示為：，很明顯，如果不打亂水印的空域關系，直接把可視的二值水印加到原始圖像的