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1、第2 8 卷第1 I A 期2 0 0 7 年1 1 月通信学报J o u r n a lo nC o m m u n i c a t i o n sV 0 1 2 8N o 11 AN o v e m b e r2 0(”基于扩频通信的D C T 域彩色图像数字水印算法李娜，郑晓势，刘广起，赵彦玲，周伟(山东省计算中心，山东济南2 5 0 0 1 4)摘要：根据扩频通信技术原理，利用m 序列生成水印，通过扩频码与待检测载体图像的相关性设计了D C T 域的彩色图像水印算法。该算法可实现盲提取，既不需要原始水印也不需要任何参数，检测简单方便、实时性好，具有很强的现实意义。算法实现过程中充分考虑
2、了隐形性和稳健性的兼容，在各类纹理图像及各种颜色图像中具有普遍适用性。仿真实验表明该算法中水印不仅具有隐形性，而且对于常见的攻击处理都具有较强的顽健性。关键词：扩频通信；m 序列；数字水印：盲检测中图分类号：T P 3 9 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-4 3 6 X(2 0 0 7)1 1 A。0 0 3 4-0 5A l g o r i t h mo fc o l o u ri m a g ew a t e r m a r ki nD C Td o m a i nb a s e do ns p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t
3、i o nL IN a，Z H E N GX i a o s i f t，L I UG u a n g q i，Z H A OY a n l i n，Z H O UW e i(S h a n d o n gC o m p u t e rS c i e n c eC e n t e r,J i n a n2 5 0 0 1 4，C h i n a)A b s t r a c t：A na l g o r i t h mo fc o l o u ri m a g ew a t e r m a r ki nD C Td o m a i nb a s e do ns p r e a ds p e c
4、t r u mc o m m u n i c a t i o nw a si n-t r o d u c e d T h eo r i g i n a li m a g eo ra n yp a r a m e t e rw a sn o tr e q u i r e df o rd e t e c t i n gt h ew a t e r m a r k T h er e l a t i v i t yo fm-s e q u e n c ea n de m b e d d e dD C Tc o e f f i c i e n tw a sa p p l i e dS Ot h a tt
5、 h ed e t e c t i o ns c h e m ew a ss i m p l e，r e a l-t i m ea n dp r a c t i c a l E x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t e n s i v e l ya p p l i c a b l ea l g o r i t h mk e e p st h eq u a l i t yo ft h ei m a g ea sw e l la sr o b u s t n e s sa g a i n s tc o r n-m o ni m
6、 a g ep r o c e s s i n go p e r a t i o n s，s u c ha sn o i s e a d d i n g，f i l t e r i n g，J P E Gc o m p r e s s i o n，c r o p p i n ge r e K e yw o r d s：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n：m-s e q u e n c e；d i g i t a lw a t e r m a r k；b l i n dd e t e c t i o n引言近年来，多媒体数据(文
7、本、图像、音视频)已广泛应用于开放的网络环境中。随之而来的是对原版文件的任意拷贝、编辑和散布，数字媒体易于处理难以管理的特性使其版权无法得到有效保护。数字水印正是以保护数字媒体版权为目的而发展起来的，成为当前通信领域的研究热点l l 卅。通常数字水印技术应具备两条最基本的性质：1)隐形性，即嵌入的水印不能引起数字媒体质量的明显下降而被察觉；2)顽健性，即水印必须能抵御一般的信号处理(噪声、平滑、滤波、A D 和D A转换，压缩等)和各种几何变换(平移、旋转、缩放、剪裁等)的攻击，难以从被嵌的数字信息中移除，并且难以被破坏和伪造。本文根据扩频通信技术原理，设计了一种新的彩色图像水印算法，不仅实现
8、盲提取，而且算法通用性强、检测实时性好，具有很强的现实意义。2 理论分析2 1 扩频通信技术从通信角度看，原始图像可以被认为是近似连收稿日期：2 0 0 7 0 9 1 1基金项目：山东省中青年科学家奖励基金资助项目(2 0 0 4 B S 0 1 0 0 5)F o u n d a t i o nI t e m：S h a n d o n gD i s t i n g u i s h e dM i d d l e a g e da n dY o u n gS c i e n t i s tA w a r dF o u n d a t i o n(2 0 0 4 B S 0 1 0 0 5)第
9、ll A 期李娜等：基于扩频通信的D C T 域彩色图像数字水印算法3 5 续幅度的、二维的、有限带宽的并具有很大平均噪声功率的信道。数字水印是欲传输的信号，而对数字水印图像的干扰和攻击可以被看作是在信道中引入失真或畸变。数字图像水印的通信模型【5 1 可由图l 表示。由图可见，数字图像水印非常类似于典型的信道通信系统，这就为扩频通信及相关编码技术在数字水印技术中的应用奠定了基础。f：l 调制传输卜_吲脚刮J函tr 1-；密钥】土信道。接收解调“固_ 一图1 数字图像水印的通信模型扩频通信作为一种新型的通信方式，具有抗干扰、抗噪音、低功率谱密度、保密性好等许多优点。究其本质，扩频技术可以看作以
10、带宽换取信噪比：信号能量被扩展到一个很宽的频带内，获得很低的信噪比，使得信号难以被检测、解释或干扰。尽管总信号功率可能很大，但是在任一频带内的信噪比*l d,，这就使得获得频谱扩展的信号很难被检测到，也就是说隐藏信息难以被人觉察。信号压缩或其他的失真可能除掉频谱中某一部分信号能量，但由于信号分散到各处，总有一部分甚至大部分信号能得到保留f 6 J。即如果将水印进行扩频编码，就可以有效利用上述扩频技术的优点，不但利于水印的隐形性，并且能一定程度提高水印算法的顽健性。2 2 在彩色图像中的嵌入位置大量实验统计，人眼对亮度信号特别敏感，对色差信号不敏感，其中又对红黄之间的颜色变化最敏感，而分辨蓝和紫
11、之间颜色变化最不敏感，基于这种现象本文选取彩色R G B 载体图像的蓝色分量嵌入水印。又根据C o x 等1 7J 的观点，将水印嵌入图像最重要的部分对水印的顽健性有利，本文算法选择D C T 变换域中低频系数嵌入水印。3 水印嵌入与提取算法3 1 水印生成本文基于以上理论分析，提出一个利用直接序列扩频码的数字图像水印算法。文中选取在扩频通信中最早获得广泛应用的最长线性移位寄存器序列(即m 序列)产生二值水印的扩频码，它具有容易产生、规律性强等许多优良的性能。算法利用m 序列作为扩频码，相当于信道载波，对水印信号进行调制扩频后，再加入到载体图像中，形成水印图像。3 2 水印预处理A m o u
12、 置乱A r n o l d 变换是遍历理论中的一种变换，俗称猫脸变换，即设想在平面单位正方形内绘制一个猫脸图像，由给定的矩阵变换将猫脸逐渐变模糊。在图像置乱的运用中，设图像的像素坐标为(五Y)0，l，一l ，以下式计算图像中每点的目的坐标(一，Y)(；I I)=(：习(；c 皿。d，其迭代次数呈周期现象，即迭代到某一步时，将重新得到原始图像。应用A m o l d 置乱有两大优点：其迭代次数可以作为提取水印的密钥，增强水印的安全性和保密性；同时，在受到攻击时，尽可能地分散错误比特的分布，提高数字水印的视觉效果来增强数字水印的顽健性，尤其是抗剪切性f 8 J。利用A r n o l d 变换矩
13、阵对二值水印进行置乱，迭代次数对算法效果也有影响，经过实验，发现取1 4 周期左右，算法结果最理想。3 3 水印嵌入嵌入算法步骤如下：1)根据用户给定的密钥髟生成两个二维的服从均匀分布长度为3 3 的m 序列扩频码足J，船 0，1 ，两个序列不相关或相关性很小。2)取彩色载体图像的蓝色分量，对其进行8 8 的分块二维D C T 变换。3)按照以下原则修改每个8 8 分块D C T 系数中2 4 行、2 4 列系数：若纰J=0，则，(比，v)=D(u，)+a X k l(u，)；若(a i。-1，则f(“，)=D(u，)+a x k 2(u，v)。其中D 似v J 为该8 8 系数块2 4 行、
14、2 4 列系数的均值，口为嵌入深度因子，取值为正实常数。4)将嵌入水印后的蓝色分量进行分块D C T 逆变换，再与原彩色图像的其他色度分量组合，得到嵌入水印后的恢复图像。3 4 水印检测步骤如下：1)取待检测的彩色图像，进行8 8 的分块二维D c T 变换。取每个D c r 系数块中2 4 行、扣4列系数，计算它们与 l，蛇的相关系数p k l，p 垃。若肚1 冲垃则该水印位值为0：若肚l 4 8 d B 代表图像质量极好，根本感觉不出干扰；月咖值在3 5,4 8 d B 之间属于良好在2 9 3 5 d B 之间属于可以接受的范围，临界点是2 5 d B，低于l 晦界值，说明图像已产生明显
15、干扰。l 瓯l 喊(丑)目镕目咖 目目R 瑚57 3 d B目2*h 目*5 m 目目*#糊镕帕咖目*m)镕$目月R 咿3 73 3 4 B目5 镕F 肿目镕5$目目*#4,2 水印嵌入深度调整水印的两个特性隐形性和顽健性是不能兼得的，调整算法中的嵌入深度因子蹴可以达到在两者之间均衡的效果。下表是合理范围内确动态取值。可以看到，厕c00 0 1 5-0 1 5 之间的值时，既可以保证月r 州值保持在人眼接受范围内，又可以保证提取水印相似度是l 或接近1。烈0 0 0 1 5 接着减小时R值基本保持不变，但提取水印相似度突然下降，且下降幅度很大。寰1台4 范围内神自动态取值表4 3 实时性对比实
16、验文献【9】中的水印算法与本文类似，它利用量化|蕊?滋|霸=滋*l I A#：*f r#m 自D c r#自目*m$目#-3 7D C T 直流系数的方法嵌入与提取表印，既实现盲提取，检测器也相对简单。将两者实验结果作比较如图6 所示。可咀看出，在不同宿主图像的各个实验中本文算法检测实时性均优于文献【9】。4 4 各种攻击实验对图2 m)分别进行中值滤波(3 3 模板)、维纳滤波(3 X3 模板)、添加高斯噪声、添加椒盐噪声、压缩比73l 的J P E G 压缩、左上角l“剪切，经过这些攻击后再提取永印实验结果见袁2。由表2 可以看出，本文算法可较好的抵抗多种攻击。在受到这些攻击以后，图像质量
17、均已遭到破坏，但提取的水印N C 值均清晰可见说明算法具有较好的顽健性。值得注意的是，由于本文算法采取了A r n o l d 置乱这种新的数字图像加密技术，所以由剪切产生的错误比特均匀分布在提取的整幅水印图像上从而使水印产生斜纹但清晰可辨。随着剪切辜的增加，斜纹会更加密集，井逐渐模糊。因此目前大多数图像数字水印算法均有对永印A r n o l d 置乱预处理这一步骤。表2各种攻击实验结果5 结束语数字水印技术是一个跨学科的新并技术，它的研究具有重要的学术和现实意义席文利用m 序列扩频码与待检测载体图像的相关性，设计了一种彩色图像永印算法。该算法可通过检测器实现盲提取，不需要任何参数，检测简单
18、方便、实时性好，具有很强的现实意义，今后将进一步致力于，研究如何以传统通信领域的原理和技术服务于新兴的数字水印技术实现通信技术与图像处理拄术舶交叉融台。尤其在水印容量估计、信息隐藏技术机理及模型等宏观理论方面研究更是如刖】，从而完善数字水印理论体系，进一步提高数字水印技术的顽健性和实用性。参考文献【1】R K E L A R N 刚G V A NS C H Y N D E LRG 目眦w m u f H A】D i g i t a dI m#C o m p u d n g，恤h m。,r o d A p p i-t,O n-D L 1 A 9 3【q 9 9 K 6 6 6 4 7 3口 F
19、O D H Z T U KCIz E N 6WJ 岫 d 口p l i v em T m gu v n e】“S e l e c t e d i n o m u J 9 9 SJ q 邺”3 9”“N G MD Y A N G Wxz H OY n d*“l o b a 删v m m,m“n g 馏咖”口o m m m m b【lI 眦F r o c d：d m g so f 7 mI n t e e n a o n a l o m 一s l n 8 m【q“2 3 5 u 2 3 5 30 DRB O P-APE o q n*h U u s；o n山v w m 日眦柚窖删u 【A 1 眦h
20、十。目l n o f h h t y i C 6 17 3【5】a 王s nB O N C I j I*E T IH i d h g mL“即【lP c-“*o f h m I n o o a lC o,f【wn w”i n g K】9 9 83 9 6 3 9 81 6 lZ M O UL】t 7-O U YH$p r a d o f d U r n s eg U】k 一2 0 口0，2 9(5)：2 73 1州c o x I K f L I A N L E 日H T D N te l“p r d5 p mw 删i n g 衙舢 E E h m o“【眦#一“g 1 9 9 76(1 2)l
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22、I m 州h 删O Hd 目w m 皿【J o a n o f x m u h v 嘶时2。魄3 l(2)2 2 92 3 3作者简介李娜(1 9 8 1-)，女，陕西台阳人，硕士生，m 东省计算中。研究实习员，主要研究方向为图像处理、数宇水印技术、多赡体拄木。部晓势(1 9 6 6-)，男吉林通化人，m 幕省计算中心副主任，副研究员。主要研究方向为多媒件技术、城市交通视频检测技术、数字水印技术、说话人识别技术。刘广起(1 9 7 8)男，m 东德州人硕士生，m 东省计算中心研究实目员，主要研究方向为数宇水印技术、多嫌体技术。赵彦璋(1 9 7 9-)，女东菏泽，m 东省计算中心研究实日员，主要研究方向为数字水印技术、说话人识别技术。周伟(1 9 7 8-)，男，四川篷安人，山东省计算中。研究实日员，主要研究方向为图像处a、城市交通视频检测技术。n&盈节