176 基于DCT的彩色图像数字水印算法

第 27卷第4期 2 0 0 8年 1 2月 计 算 技 术 与 自 动 化 Computing Technology and Automation Vo1．27，NO．4 DeC．2 0 0 8 文章编号：1003—6199(2008)04—0136—04 基 于 DCT的彩 色 图像 数字 水 印算 法 杨 益，李云峰 (河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003) 摘 要：实现一种在彩色栽体图像中嵌入彩色水印图像的算法。在嵌入时，先将栽体图像分成与水印 图像大小相同的块；然后，在 DCT变换域中，将水印图像 R、G、B层的变换 系数嵌入到栽体图像每一块对应 层的中低频系数中。在提取时，先通过 DCT反变换从带水印图像的每一块中提取 出水印图像，再计算这些 水印图像的平均值从而得到最终的水印图像。测试结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该算法满足了数字水印的不可见性和鲁棒性 要求。 关键词：数字水印；彩色图像；DCT变换 中图分类号：TP391．41 文献标识码：A Digital W atermark Algorithm for Color Images Based Oil DCT YANG Yi，LI Yun—feng (Electromechanical Engineering Co llage，Henan University of Technology，Luoyang 471003，China) Abstract：An algorithm for embedding COlOr watermark image in color carrier image was realized．During the embedding stage，the carrier image was dived into blocks with the same size of the watermark image firstly；then，in DCT transforming do— main，the transforming coefficients of the watermark image in R，G and B layer were embedded into the middle—low frequency coefficients in the corresponding layers of every block of the carrier image．During the extracting stage，the watermark images were extracted from every block of the watermarked image through inverse DCT firstly，then the last watermark image was obtained by averaging the extracted watermark images．Testing results show that this method meets the demand of invisibility and robustness of the digital watermark Key words：digital watermark；color image；DCT 1 引 言 随着计算机网络技术和多媒体技术的迅速发 展，图像、视频、音频等数字媒体越来越成为信息交 流的重要方式。各种数字媒体可以 自由地发 布到 网上，但是由于数字作品极易被非法复制、篡改，盗 版问题也随之而来。这严重损害了版权所有者的 利益，数字水印是实现版权保护的一种重要途径。 近年来，数字水印尤其是真彩色图像的数字水印技 术引起了人们的极大关注 1儿 ，并得到了广泛的 研究和应用。本文利用 MATLAB编程语言实现 了在彩色载体图像中嵌入彩色水印图像的算法，具 体实现过程如下：先将载体图像分成与水印图像大 小相同的块；在嵌入时，将载体图像的每一块和水 印图像分别进行 DCT变换，将变换后的水印图像 系数嵌入到载体图像中每一块的中低频系数上，从 而达到信息隐藏的目的；在提取时，通过 DCT反变 换从带水印图像的每一块中提取出水印图像，再计 算水印图像的平均值从而得到最终的水印图像。 对于彩色图像的R、G、B三个颜色分量分别按照这 种方法进行。测试结果表明该算法满足了数字水 收稿 日期 ：2008一O6—30 作者简介：杨 益(1985一)，女，河南淮阳人，学士，研究方向：测控技术及仪器、图像处理(E～mail：yunfengli2004@tom．com)；李云峰 (1973一)，男，河南孟津人，副教授，博士，研究方向：图像处理、计算机视觉、机器学习。 第27卷第 4期 杨 益等：基于DCT的彩色图像数字水印算法 印的不可见性和鲁棒性要求。 2 算法实现 不可见性 和鲁 棒性是数 字水 印的基本 要 求 J，不可见性就是在载体图像中嵌人水印图像 后不能被人的视觉系统觉察或注意到，而鲁棒性就 是能够从嵌入水印后的载体图像中提取出尽可能 完整的水印图像，而不因图像数据的某种改动而导 致水印信息丢失。由于人类视觉系统对图像频域 空间的中低频信息不敏感，所以，本文将水印图像 的中低频 DCT系数 隐藏到载体 图像的中低频 DCT系数中。为了提高水印的鲁棒性，先对载体 图像分割成与水印图像同样大小的块，然后将水印 图像分别嵌入到每一块当中；提取时从带水印图像 的每一块中提取出水印图像，再计算这些水印图像 的平均值从而得到最终 的水印图像。对于彩色图 像的 R、G、B三个颜色分量分别按照这种方法进 行 。 水印图像lU昙 2．1 水印嵌入 图 1所示为数字水印嵌入的工作原理，具体算 法如下 ： (1)对载体图像进行大小为N×N的分块，N 是水印图像尺寸。 (2)对载体图像的每个子块的 R、G、B层分 别进行DCT变换。 (3)选取嵌入系数，将水印图像 R、G、B层的 变换系数嵌入到载体图像的每一块对应层的中低 频系数中。计算公式如下： (i， )= Nk(i，J)+日*"Lo(i，J) (1) 式中，Nk(i，J)是原始图像中位置(i，J)的块 DCT变换的中低频系数，叫(i，J)是水印图像与载 体图像块对应层的变换系数，a为嵌入强度，由具 体情况来定的，口越大，水印的鲁棒性越好，相应的 其不可见性越差。 (i， )是嵌入水印后的 DCT 系数。 (3)对 (i，J)进行 DCT反变换，得到嵌入 水 印后的新图像。 彩色水印图像卜_-H 水印图像G层 H DC'r~换 - - — - - — - - - - - - - — ． ． ． ． ． __』 I L．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．__J L．．．．．．．．．．．．一 水印图像13层 —— 面 ． f坌 查 彩色载体图像H一叫载体图像c惺H N的DcT变换}-__j I ～ l ——————-_—_一 — -—·— ——-———一 L叫载体图像B层卜———．_J I NxN的D l逆交换 合成新图像 图 1 水印的嵌入原理 图 2．2 水印提取 图2所示为数字水印提取的工作原理，具体算 法如下： (1)对待检的带水印图像进行 N×N分块，对 子块的 R、G、B层分别进行 DCT变换。 (2)对原始图像进行 N ×N 分块 ，对子块的 R、G、B层分别进行 DCT变换。 (3)根据已知的 a值，对待检图像和原始图像 的DCT系数进行嵌入公式的逆运算，得到 叫(i， ) 的值。计算公式如下： 叫(i， )=(N (i， )一N (^i，J))÷a (2) (4)对 硼(i， )进行 DCT反变换得到在原始 图像中位置(i， )的块中嵌入的水印图像。 (5)将所有原始图像中提取的水印图像进行 平均，从而得到最终的水印图像。 』 待检图像R层1 分别与原始 藏体圈像各 待检图像L 特检图像G层HNxN的嘟变换卜_． 层Dl 变换 E ．反变换H得到水印图像 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一_J 系数比较 ： 待检图像B层f 分离出水印 图像的系数 I 图2 水 印的提取原理 图 计算技术与自动化 2008年 12月 3 测试实验 对于水印算法来说，嵌人水印的信息量越大， 其鲁棒性越好，但不可见性越差⋯。因此，数字水 印的选取必须兼顾鲁棒性与不可见性。本算法是 在保证嵌入水印不可见的前提下尽可能地提高其 鲁棒性，选取嵌入强度。为了验证算法提取水印的 鲁棒性，本文利用 MATLAB编程语言对 JPEG压 缩、噪声攻击、滤波攻击、旋转攻击这几种常见的攻 击做了相关的性能测试。实验采用 512×640的 RGB真彩色图像作为载体图像，64×64的 RGB真 彩色图像作为水印图像，如图 3所示。 圈 图 3 原始载体 图像 和水印图像 (1)JPEG压缩攻击 JPEG有损压缩是当今很常用且有效的压缩 方法，因此水印对于JPEG有损压缩是否具有较强 的免疫力是衡量水印算法重要标准。如图 4所示 是嵌入水印后图像受 JPEG压缩攻击的带水印图 像和提取出的水印图像。 圈 图4 JPEG压缩攻击效果 (2)滤波攻击 因为图像在传输过程中往往有噪声干扰，产生 失真，所以人们常常对图像加以滤波，以去除噪声， 滤波实际上是一种图像增强方法 。如图 5所示是 嵌入水印后图像受滤波攻击的带水印图像和提取 出的水印图像 。 图 5 滤 波攻击效果 (3)噪声攻击 图像在传输过程中，常常由于受到某种干扰而 含有各种 噪声。常见 的噪声有 高斯噪声 ，椒盐噪 声、混合噪声等，在此选取混合噪声进行测试。如 图6所示是嵌入水印后图像受噪声攻击的带水印 图像和提取出的水印图像。 圈 图6 混合噪声攻击效果 (4)旋转攻击 ’ 旋转攻击是几何攻击的一种，作为攻击的一种 方式。也是检验水印算法的一个重要的性能指标。 本文将嵌人水印后的图像旋转 0．1度，然后提取水 印进行测试。如图7所示是嵌人水印后图像受旋 转攻击的带水印图像和提取出的水印图像。 第 27卷第4期 杨 益等：基于 DCT的彩色图像数字水印算法 图 7 旋 转 攻 击 效 果 从测试结果可以看出，在原始载体图像中嵌人 水印图像后，难以察觉到水印图像的存在，这满足 了数字水印的不可见性要求。对于测试中的四种 攻击，均提取出了的完整的水印图像，这满足了数 字水印的鲁棒性要求。 4 结 论 本文实现了一种在彩色载体图像中嵌入彩色 水印图像的算法。将水印图像的 R、G、B层的中低 频DCT系数隐藏到载体图像的 R、G、B层的中低 频 DCT系数 中，达到了数字水印的不可见性要求 。 在载体图像的多个位置嵌入水印图像；提取时计算 所有位置水印图像 的平均值从而得到最终 的水 印 图像，达到了水印的鲁棒性要求，测试结果表明了 该算法的有效性。 参考文献 [1] 高清柳，李学斌．HSV颜色空间的彩色图像数字水印算法 [J]．计算机应用与软件，2007，24(8)：189—190． [2] 易翔，王蔚然．彩色图像多签名水印算法的研究[J]．电子科 技大学学报．2005，34(5)：665—668． [3] 李晓强，薛向阳．基于多通道的彩色图像水印方案[J]．计算 机学报 2004，27(9)：1238—1244． [4] 孙建军．彩色图像数字水印算法研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工 程大学 ．2006．14—18．