（海軍大連艦艇學院 信息與通信工程系，遼寧大連 116018）
摘要：本文提出一種基于DCT變換的盲水印算法。將經過Arnold置亂的二值水印圖像嵌入到原始圖像的中頻DCT系數中，通過對DCT系數進行量化和奇偶檢驗，實現了數字水印的盲提取。原始圖像每一子塊可以嵌入4位水印信息，每個水印位分別嵌入到3個不同的DCT系數中，嵌入的水印容量是常規算法的4倍。實驗結果表明，該算法能夠有效抵抗噪聲、JPEG壓縮、剪裁和濾波等攻擊，具有良好的魯棒性。
關鍵詞：數字水印 DCT變換 大容量 盲水印
A Large Capacity Blind Watermarking Algorithm Based on DCT coefficient Quantization
Lin Hongwen Yang Shaoqing
(Dept. of Information and Communication Engineering, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)
Abstract：This paper proposes a blind watermarking method based on DCT transform. The original image is divided into blocks and each block is DCT transformed. The binary watermark image is scrambled using Arnold method, and then it is embedded in the middle frequency DCT coefficient of each block. During embedding process, the DCT coefficients are quantified and their parity are checked, the watermark bit is embedded in the DCT coefficients using different rules which was determined by the parity of the coefficient. Experimental results show that proposed algorithm can effectively resist attacks of noise, JPEG compression, cropping, filtering and so on, and has good robustness.
Keywords：digital watermarking; DCT transform; large Capacity; blind watermarking
1引言
當今，數字技術的飛速發展以及互聯網的普及給人們的工作和生活帶來了巨大便利，以數字媒介為載體的作品如書籍、音樂、圖像和視頻等由于其獲取容易、復制簡單和傳播迅速等優點，極大地豐富了人們的生活,與此同時，新技術的便利也被惡意的行為所利用，給人們帶來了巨大的挑戰。大量數字信息被侵權盜版，這在相當程度上阻礙了數字化產業的發展，一些個人和團體出于某種目的擅自篡改數字媒體，使得數字信息的真實性、完整性受到嚴重威脅。因此，迫切需要一種新的技術來保護數字產品的版權、真實性和完整性。數字水印技術[1-3]是一種有效的數字產品版權保護方法，它通過一定的算法將具有特定意義的標志性信息隱藏在數字圖像、聲音、視頻等要保護的數字產品中，同時通過對水印的檢測和分析來保證數字產品的真實性和完整性。
目前圖像數字水印技術的實現主要分為兩個方向:基于空間域和基于變換域，其中變換域由于其嵌入后水印良好的魯棒性而成為了當今研究的主流，而基于DCT變換的水印算法由于其簡單、實用及優秀的性能而被廣泛采用。DCT域水印嵌入的一般過程為：首先將載體圖像分塊，對每子塊做DCT變換，然后將1位水印信息嵌入到一個子塊中，接著進行DCT反變換，獲得嵌入水印后的圖像。其最大缺點是嵌入的水印容量較小，且許多方法水印提取時需要原圖像，大大限制了其應用范圍。本文介紹了一種基于DCT系數量化的盲水印算法，其嵌入的水印容量是常規算法的4倍。
2基于DCT系數量化的盲水印算法
2.1水印圖像預處理
置亂技術是[4-5]一種圖像加密技術，它利用數字圖像具有的數字陣列的特點，攪亂圖像中像素的位置或顏色使之變成一幅雜亂無章的圖像，從而達到無法辨認出原圖像的目的，可用于數字圖像水印的預處理和后處理過程。對水印進行置亂變換可以提高水印信息的安全性，增強水印的魯棒性。常見的圖像置亂方法有Arnold變換、幻方變換、Hilbert曲線變換、基于混沌序列的置亂變換等。其中Arnold 算法易于實現，其置亂次數可以為隱藏系統提供密鑰，從而增強了系統的安全性和保密性。同時該算法實現的置亂克服了隨機置亂的不可恢復性，因此本文選擇Arnold 算法對水印圖像進行預處理。
2.2水印嵌入位置
在基于DCT變換的圖像水印算法中，水印信號被嵌入到變換域的DCT系數中，如何合理地選取DCT系數作為水印的嵌入區域是一個關鍵問題。由于人眼對低頻噪聲非常敏感，在變換域中，把水印加入到高頻部分應該能獲得更好的不可見性。但是，圖像的能量大都集中在低頻區域，隱藏在高頻部分的信息可能通過濾波或有損壓縮后被丟掉，為了解決這個問題，一個合理的折中辦法就是將水印嵌入圖像的中頻區域。這樣，數字水印算法在不影響圖像正常使用的前提下，同時具有較好的魯棒性。本文首先對DCT系數進行zig-zag掃描，選擇將水印信息隱藏在第11到第22個系數中。
2.3水印嵌入過程
設原始圖像I大小為M×M，待嵌入的二值水印圖像W大小為N×N，本文取N=M/4，水印嵌入過程如下：
表1 j和k的對應關系
|
j |
11，15，19 |
12，16，20 |
13，17，21 |
14，18，22 |
|
k |
1 |
2 |
3 |
4 |
這樣，原始圖像每一子塊攜帶4位水印信息，每位水印嵌入到3個不同的DCT系數中。
3實驗結果
水印的不可見性和魯棒性是衡量數字水印的兩個重要的指標，其中不可見性可以用峰值信噪比PSNR衡量：
圖3為各圖像嵌入水印前后的對比情況，其中圖3（a）為原始圖像，圖3（b）為嵌入水印后的圖像，其PSNR值分別為31.19、31.31和31.51；原始水印圖像與提取的水印圖像如圖4所示，NC值為1。
各種攻擊條件下，從本文所用實驗圖像中提取出的水印圖像的NC值如表2所示。
表2受攻擊后水印檢測結果
|
|
均值0，variance=0.002的高斯噪聲 |
1%椒鹽
噪聲 |
JPEG壓縮，品質60 |
裁剪1/4 |
平滑濾波 |
中值濾波 |
平均值 |
|
Lena |
0.9055 |
0.8242 |
1 |
0.9470 |
0.8533 |
0.8784 |
0.9014 |
|
Peppers |
0.9099 |
0.8315 |
1 |
0.9470 |
0.8850 |
0.9082 |
0.9136 |
|
Bird |
0.9070 |
0.8379 |
1 |
0.9470 |
0.9285 |
0.9400 |
0.9267 |
|
平均值 |
0.8823 |
0.8312 |
1 |
0.9470 |
0.8889 |
0.9089 |
0.9139 |
通過對表2結果分析，本算法對均值高斯噪聲、JPEG壓縮、裁減、濾波等常見攻擊具有很好的魯棒性，對椒鹽噪聲攻擊的抵御相對弱一些。
4 結論
本文提出了一種基于DCT系數量化的盲數字水印算法，該算法主要有以下兩方面優點:首先，依據嵌入水印值的奇偶性將一部分中頻DCT系數量化成某一數值的奇數倍或偶數倍，統一水印和嵌入系數奇偶性，從而實現了水印信號的盲提��；其次，每一子塊中可以嵌入4位水印信息，大大提高了水印的容量，每一位水印信息嵌入到3個不同的系數中，增強了水印的魯棒性，提高了水印的抗噪性能。
參考文獻
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[5]丁瑋,閆偉齊,齊東旭.基于Arnold變換的數字水印圖像置亂技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報, 2001,13(4):338-341.
第一作者簡介：林洪文，男，遼寧莊河人，1977年出生。碩士，講師，研究方向為數字圖像處理
