数字图像处理-基于小波变换的图象水印嵌入

1第1页共9页基于小波变换的图象水印嵌入实验报告专业：仪器仪表工程学号：201422131649姓名：张典2015年1月15日2第2页共9页摘要数字水印技术作为数字产品版权保护的一项新技术，已受到越来越多的关注．为保证水印的安全性，提出了一种基于小波变换的水印嵌入方法，即在嵌入之前先对水印做置乱处理，然后根据小波变换后，高、低频分量的特点，在高频部分嵌入较多的水印信息，而在低频部分嵌入较少的信息，亦即利用小波变换的层次结构，将同一水印反复嵌入到不同的位置．实验证明，该方法对剪裁、JPEG压缩和锐化等图象退化处理均具有一定的抵抗力，是一种行之有效的水印嵌入方法．关键词：小波变换文字水印图象置乱3第3页共9页引言随着通信、计算机和网络技术的飞速发展，数字图象的高速传输、处理和存储已成为现实，但是由于网上的数字图象很容易被截获、复制及篡改，这严重侵犯了单位或个人的知识产权．为解决这一问题，近几年国际上提出了一种全新的信息安全技术，即数字水印技术，并广泛应用于图象、视频和音频等数字媒体．由于它在版权保护、真伪鉴别、秘密通信和隐含标注等领域有着广泛的应用前景，因此日益成为一个非常重要的研究领域．到目前为止，已经有许多文献对水印的嵌入做过研究，并已提出大量方法，现有方法大致可分为空域方法和变换域方法两类．从综合性能对比来看，变换域方法更加优越一些，目前占据了主要地位，未来的趋势也当以变换域方法为主流．本文提出了一种基于小波变换的变换域水印嵌入方法，因为小波变换已应用于新一代静态图象压缩标准JPEG2000，这样就使水印嵌入算法可以在压缩域中实现，而且小波变换充分考虑了人类视觉特性；其次，在将原始图象进行小波多分辨率分解后，形成一种金字塔式的层次结构，根据这一特点，将水印图象重复嵌入不同的层次结构中，还可以保证算法的强壮性．另外，大部分的图象水印嵌入方法是在图象中嵌入一些伪随机数[1]，这是因为伪随机数具有难以仿造的优点，所以保证了水印的安全性，但是由于伪随机数并不能具体地代表特定的信息，也具有一定的局限性，因此，从实际应用考虑，如果能在图象中嵌入像单位或本人名字等文字信息，那么将更加具有现实意义及视觉上的直观性．基于这样的想法，本文研究了在静止图象中嵌入文4第4页共9页字水印的问题．1水印算法的实现1.1图象置乱图象置乱就是利用某种算法将一幅图象各像素的次序打乱，但像素的总个数不变，直方图不变．由于对水印进行置乱可以消除水印像素的空间相关性，因此能提高水印抗图象剪裁操作的强壮性．已提出的图象置乱方法有Fass曲线、Gray代码、Arnold变换和幻方方式等．本文选择Arnold变换作为水印嵌入的预处理方法，是由于它直观，简单，并且具有周期性，这在应用时非常方便．在文献[3～5]中，就讨论了Arnold变换在数字图象变换中的应用。Arnold变换是Arnold在遍历理论中提出的一种变换，又称猫脸变换(Arnold’sCatMap)．设想在平面单位正方形内绘制一个猫脸图象，猫脸变换式为通过变换，猫脸图象由清晰变模糊，这实际上是一种点的位置移动，并且这种变换是一一对应的．从采样理论的角度看，数字图象可看作是在二维连续曲面上，按照某一间隔和某种策略进行采样所得到的一个二维离散点的阵列，即一个图象矩阵．对于正方形数字图象，可进行离散化的Arnold变换利用上式，逐一对图象中的像素点坐5第5页共9页标做变换，当遍布了图象所有像素点之后，便产生了置乱后的图象．另外，对该图象还可做反复迭代，以产生不同结果的图象，直到达到要求为止．Arnold变换具有周期性，即当迭代到某一步时，将重新得到原始图象．1.2小波变换小波变换作为一种变换域信号处理方法，近年来在计算机视觉和图象处理研究领域，引起人们的极大兴趣．小波变换将图象在独立的频带和不同空间方向上进行分解，它不仅具有良好的空间一频率分解特性，而且能更好地与人类视觉系统相结合，是一种很有潜力的方法．图象经过离散小波变换，即分解成4个四分之一大小的子图：水平方向、垂直方向和对角线方向的中高频细节子图和低频逼近子图，每个子图通过间隔抽样滤波得到．后继分解时，逼近子图以完全相同的方式再分解成在下一级分辨率下更小的子图．以此类推分解，图象就被分解成不同分辨率级和不同方向上的多个子图，这更加符合人眼的视觉机制．这种锥形结构有如下特点：①与人类视觉特性相匹配；②数据量没有扩展；⑧变换域内相关性小．对图象进行3次小波变换的结果如图1所示．图中，：是低频分量，(一1，2，3)是水平方向的高频分量，是垂直方向的高频分量，是对角方向的高频分量．6第6页共9页在频率域中，高频部分代表图象的边缘及纹理部分，在这些地方嵌入水印，人眼虽不易察觉，但这样的水印容易在图象经过有损压缩等一些图象处理后丢失，另一方面，因为低频部分集中了图象的大部分能量，所以在低频部分嵌入水印不易丢失，然而低频部分代表图象的平滑区域，这部分的改变极易影响图象的质量．由于高低频部分具有不同的特点，因此可进行折中考虑，也就是首先将经过3级小波变换的图象分成与水印大小相同，且互不重叠的图象块，然后将同一水印分别嵌人到每一图象块中．由于高频部分所占的图象面积较大，多被分为许多小图象块，因此嵌人的水印就多；而低频部分，由于只占据图象的较小部分，因此图象块数少，自然所嵌人的水印就少．这样，就实现了在高频部分嵌人多的水印信息，而在低频部分嵌人较少的水印信息的要求．由于是同一水印反复嵌人到图象的不同部分，因此很大程度上7第7页共9页提高了水印的强壮性．2实验结果2.1水印图象的剪裁对嵌入水印的图象进行1／4剪裁，被剪裁部分以黑色代替．剪裁后虽然图象变得不完全，但仍可检测出水印的存在，结果如图所示．2．2水印图象压缩编码目前网络上传输的图象，大多以JPEG格式压缩，因此保证该算法对JPEG压缩的强壮性是很有必要的．本文采用JPEG技术对含有水印的图象进行了压缩缩码，其从不同压缩比的压缩图象中提取水印的实验结果如表1所示．其中，Q表示图象质量级别，Q越大，图象质量越好．8第8页共9页表1可以看出，图象质量越低，亦即压缩比越高，则抽取的水印效果越差．实验中还用本文方法对经过拷贝处理、叠加噪声和锐化等退化处理后图象的水印抽取作了研究，均得到不错的效果．可见，虽然对含水印图象进行了某种程度的退化处理，其在产生了很大失真的情况下，依然可以检测到水印，这说明本文提出的算法具有良好的强壮性3结论本文将图象置乱应用于数字水印嵌入的方法中，提出了一种基于小波变换的方法．该方法采用一个比原始图象小许多的水印图象，根据小波变换的多分辨率分解特性，将水印反复嵌入到不同的层次结构中．本文算法所实现的水印嵌入有如下一些优点：其抵抗常见图象处理的强壮性较好；可在小波变换域中实现，并可与国际压缩标准JPEG2000相兼容，还可直接在压缩域中进行处理；计算简单，易于实现．该方法还可以十分方便地推广到多重水印的嵌入算法．9第9页共9页参考文献齐东旭，邹建成，韩效宥．一类新的置乱变换及其在图象信息隐藏中的应用r-J]．中国科学(E辑)，2000，30(5)：440~448．丁玮，阎伟齐，齐东旭．基于Arnold变换的数字图象置乱技术EJ]．计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(4)：338~341