一种基于伪随机序列水印的二维倒谱域图像水印算法

一种基于伪随机序列水印的二维倒谱域图像水印算法 1 ,2 1 1张 敏 瑞, 路 陈 红, 易 克 初 ( 11 西安电子科技大学 综合业务网理论与关键技术国家重点实验室 ,陕西 西安 710071 ; ) 21 西安科技大学 通信与信息工程学院 ,陕西 西安 710054 摘要 : 将二维倒谱变换引入到图像水印算法 ,提出了一种新的倒谱域数字图像水印算法 . 该算法将一伪 随机序列作为水印嵌入到宿主图像的二维倒谱系数中 ,水印检测不需要原始图像 . 计算机仿真结果表明 所提方法满足水印的不可感知性 ,且可抵抗多种水印攻击 ,如 J P E G 压缩 、加性和乘性噪声干扰 、滤波以 及其他图像处理操作等 . 关键词 : 倒谱 ;数字水印 ;扩展频谱 () 中图分类号 : T P391 文献标识码 : A 文章编号 :100122400 20060620858204 An image watermarking algorit hm in the 22D cepstrum doma in ba sed on a pseudo2ran dom sequence watermark 1 , 2 1 1Z H A N G M i n2r u i , L U C he n2hon g , Y I Ke2c h u (1 . Stat e Key L a b. of Integrated Service s Net wo r k s , Xidian U niv. , Xi′a n 710071 , China ; 2 . School )of Co mmunicatio n a nd Info r matio n Eng. , Xi′an U niv. of Science & Technolo gy , Xi′a n 710054 , China Abstract : Digital water ma r king ca n p ro vide cop yright p ro tectio n a nd aut henticatio n to t he o w ner s o r user s of multimedia . The t wo majo r pop ula r algo rit hms a re in t he space do main a nd t ra nsfo r m do main. In o r der to f urt her imp ro ve t he ro bust ne ss of t he image water ma r king algo rit hms , a 22dimensio nal cep st r um t ra nsfo r m i s int ro duced in image water ma r ki ng algo rit hms a nd a no vel image wat er ma r ki ng scheme in t he cep st r um do main i s p ropo sed in t hi s p aper . A p seudo ra ndo m sequence i s used a s t he water ma r k a nd i s embedded into t he ho st image in it s 22dimensio nal cep st r um do main. The embedded water ma r k can be det ected wit ho ut t he o rigi nal image . Extensive co mp uter simulatio n re sult s sho w t hat t he p ropo sed algo rit hm meet s t he imp ercep tibne ss a nd i s ro bust to a f ew kinds of water mar king at tack , such a s J P E G co mp re ssio n , additive a nd multiplicative noi se , filtering a nd so me o t her image p roce ssing op eratio ns. Key Words : cep st r um ; digital water ma r king ; sp read spect r um 数字图像水印技术是通过在图像中隐藏秘密信息而达到对数字图像的标注 ,图像中嵌入的信息应满足 不可感知性和稳健性 . 不可感知性指水印的嵌入不会引起图像信号的主观失真 ;稳健性指当含水印的图像经 过常规的图像处理操作及非法分子的蓄意攻击后水印信息仍然存在 . 1993 年 Ca ro nni 首次提出了数字图像水印技术 ,现有算法中只有极少数是在倒谱域实现的 ,而且这些 [ 1,3 ] [ 1 ] 算法基本都是语音水印算法. L ee 和 Ho 提出了一种倒谱域数字语音水印算法,他们根据倒谱系数的 分布及人耳听觉系统的频率掩蔽特性 ,将水印信息扩散到多个倒谱系数 ,使得任一系数上的能量都非常小 , [ 2 ] 从而达到不可感知的目的. L i 和 Yu通过实验研究发现多数常用的信号处理能引起单一倒谱系数的明显 ( ) 变化 ,然而对倒谱系数的均值只能引起较小的干扰 ,于是提出了基于统计均值处理 SM M的语音信号水印 [ 3 ] 方法. H sie h 和 Tso u在时域利用了能量特征基的概念解决语音水印的同步问题. 笔者首次将倒谱分析引 收稿日期 :2006204226 ( ) ( ) 基金项目 :陕西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 2002 F32 ; 陕 西 省 教 育 厅 专 项 基 金 资 助 项 目 02J K151 ; 西 安 市 科 技 厅 科 技 攻 关 项 目( )GG200232 ( ) 作者简介 :张敏瑞 19652,女 ,西安科技大学教授 ,西安电子科技大学博士研究生 1 1 水印嵌入策略 ( ) ( ) ?{ - 1 , 1} , 1 ? i ? n. 将原始图像信号 X 分成大小为 h ×水印信号 W 服从正态分布 N 0 , 1, w i k ) ( ) ( ) ( h = 2 k ?Z的 m 个子块 , 随机选择其中 n n ?m块 , X i = 1 , 2 , , n表示 n 块中的第 i 块 , Ci 是对应 i ) ( )( )( 复 对数 值定义 为其 于 X i 的二维复倒谱. 二 维 序列 x n1 , n2 的 二维 复 倒谱 cx n1 , n2 Z 变 换 X z z1 , z2 ( ) l n X z, z的逆 Z 变换 ,即z 1 2 n- 1 n- 1 1 1 2 ( ) ( )( ) d zd z 1 cn, n=l n X z z1 , z2 z1 2x 1 2 z . 2 1 2 ( π) 2j?? cc 2 1[ 5 ] 根据 Co x 扩频水印的思想,这里用伪随机序列 S , sl } 将每一比特水印信号 w i 扩展到 C i = { s1 , s2 , 的多个倒谱系数上 . 序列 S 由秘钥产生 , si ?{ - 1 , 1} , l 是扩展比 , 对 w i 进行扩展之前 , 需将序列 S 变换为与 C大小相同的二维矩阵 A .i [ 2 ] 复倒谱的一个重要特点是 :能量主要集中在零点 ,零点附近较大的系数对感知较敏感. 据此水印嵌入 ( 过程中应尽量避免改动这些较大的值从而实现水印的不可感知性 . 所以矩阵 A 可按下面方法产生 : 令 a 0 , ) 0为 0 , 用序列 S 的元素以 Zi g2Za g 顺序填充矩阵 A 的其余 l 个位臵 , l = h ×h - 1 . 水印嵌入公式为 ( )( ) ( ) α( ) 2 cm , n= cm , n+a m , nw i i i i , αα其中 ci 是含水印图像子块 X i 的复倒谱 ,i 是水印的嵌入强度因子 , 用来控制倒谱分量可允许的失真量.i = α( ) ( ) ααα/ c0 , 0, c0 , 0是 C的最大系数 ,是由人眼的主观感知确定的一个常量 ,值大则水印的鲁棒性好 ,值 i i i 小则 α水印的不可见性好 . 实验发现 ,值范围在 01 02 , 01 10 之间即可. 采用不同图像和不同水印经过大量实 α 验 , 确定经验值= 01 08 时该算法可达到水印不可见性和鲁棒性的最佳折中. 2 水印检测方法 21 1 计算水印序列 ) ( ) () ( ( ) 产生新矩阵 Y , 其元素 y m , n= cm , na m , n. 根据等式 2可得i ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) α( ) ( ) y m , n= cm , na m , n= cm , na m , n+w a m , na m , n= i i i i m = 0 0 , , n = 0 , ( )3 ( ) ( ) α其他 cm , na m , n+w , . i i i h- 1 h- 1 h- 1 h- 1 1 1 1 ( ) ( )α1 - ( )( ) cm , na m , ni w i4 y令 y ? = m , n, 则 y ? = i + . 2 2 2 ? ?? ? hhhn = 0 m = 0 n = 0 m = 0 - 2 α由 于 数 量 级 为 10 , m ? 0 , n ? 0 时 i - 4 ( ) cm , n数 量 级 为 10 , 且 w = ?1 , m ? 0 , i i () ( ) n ?0 时 , a m , n= ?1 , 因此等式 4右边第一 () 项可忽略不计 ,等式 4可写为 2 ( )α)( y ? ? 1 - 1/ hw 5 i i. α由于是正数 , 则计算出的水印序列 w^ 为 :i i ( )( )= si gn y? 6 , n . i = 1 , 2 , w^ , i 图 1 示出了水印序列 w^ 的计算过程 .i 图 1水印序列 w^ 的计算过程 i 21 2 水印检测 根据文献 [ 5 ] 将水印检测器的响应定为原 始水印 W 和恢复水印 W^ 之间的相似度 : 1/ 2 2 ( ) ( )si m W , W^ = w w^ w 7 i ii. ?? ( ) 规定一个检测门限 t , 若 si m W , W^ > t 则认为图像中含水印 W ; 否则不含水印. 检测门限的确定是一个经典 的判决估计问题 , 原则上应该使虚警概率和漏检概率同时达到最小 . 文献 [ 5 ] 详细分析了门限的取值问题 , 认为 6 是最佳门限值 . 这里将检测门限 t 设臵为 6 . 3 仿真结果 = 255 . 图 2 和图 3 分别给出了原始图采用 512 ×512 的溪水和小桥 、狒狒图作测试图像 ,即 n = 512 , l 像和含水印图像. 图 2 原始测试图像图 3含水印图像 () 1水印的惟一性 图 4 给出了水印检测器对1 000个随机产生水 印的响应 . 显然只有一个水印与恢复出的水印相匹配 ,而该水印正是嵌 入的水印 . 另外 ,水印检测器对嵌入水印的响应远高于对非嵌入水印的 响应 ,说明该算法的误警概率较低. () 2J P E G 压缩 图 5 给出了水印检测器对含水印图像经 J P E G 压 缩后的响应结果 ,图中图像保留质量从 100 %到 0 % ,实验采用了 9 个不 同的宿主图像和 11 个不同的水印. 显然 , 当 J P E G 压缩保 留 质量 高于 30 %时该算法就能正确地检测出水印. () 3噪 声 如图 6 所示 ,在含水印图像中分别加入均值为 0 方差 为 0 . 001 的加性高斯噪声 、均值为 0 方差为 0 . 005 的乘性斑点噪声 ,以及 图 4 水印的惟一性 强度为 0 . 005 的胡椒盐噪声 ,所提算法依然能够成功地检测水印 . 图 5 J P E G 压缩后的检测结果 () 4滤 波 图 7 分别显示了含水印图像通过 3 ×3 高斯滤波器和 3 ×3 中值滤波器后水印检测器的检 图 6 噪声污染后的检测结果 图 7 滤波后的检测结果 () 5图像锐化 图 8 给出了含水印图像经图像锐化后水印检测器的响 应 . 可以看出所提算法对图像锐化处理具有较强的稳健性. 4 结 束 语 倒谱变换是一种非线性变换 ,倒谱分析可较好地应用于数字音频和图 [ 4 , 6 ] 像水印算法. 笔者提出了一种二维倒谱域数字图像水印算法 ,该算法主 () 要涉及 3 个问题 : 1为安全起见 ,水印的嵌入位臵应随机选择且水印需由 () ( ) 密钥产生 ; 2为得到算法的稳健性 ,利用了扩展频谱技术 ; 3为实现嵌入 水印的不可见性 ,利用最大的倒谱系数 C来控制水印嵌入强度 . 然而 , 由于 i 图 8 图像锐化后的检测结果 缺乏倒谱域视觉模型 , 第 3 个问题还有待于进一步研究. 另外 , 根据扩频原 理 , 序列越长系统性能越好 , 因此扩频序列 S 和水印信号 W 的相关参数 l 值和 n 值的合理设定是提高所提算 法检测性能的关键. 大量的计算机仿真实验证明该算法性能较好 ,可有效抵抗 J P E G 压缩 、加噪 、滤波以及图 像锐化等攻击. 参考文献 : [ 1 ] L ee S K , Ho Y S. Digital A udio Water mar king in t he Cep st r um Do main [J ] . IE E E Trans o n Co nsumer Elect ro nic s , 2000 , () 46 3: 7442750 . [ 2 ] L i X , Yu H H . Tra nsp arent and Ro bust A udio Data Hiding in Cep st r um Do mai n [ A ] . ICM E 2000 : Vol 1 [ C ] . New Yo r k : IE E E , 2000 . 3972400 . ( ) 下转第 916 页 [ 11 ] μμ研究中 ,最大温度点位于漏端. 图 8 为宽长比为 W / L = 100m/ 0 . 13m的 GGN MO SF E T 样片在漏端施 [ 6 ] [ 12 ] μ加 ESD 应力后发生热击穿的照片 ,器件采用标准 0 . 13m CMO S 工艺. 可以看到发生热击穿时器件源 漏区都有融化点 ,源端损伤区面积虽然比漏端小一些 ,但是栅结构的损伤甚至更为严重 ,这一点同图 7 是一 致的. 图中器件源端的损伤说明源端接触区电流集中 ,产生2复合热产生机制确实可以形成源端热点 ,最终导 致源端发生热击穿 ,这也证明了文中接触电阻引起的电流集中模型理论的正确性. 5 结论 在深亚微米器件中 ,由于沟道长度的缩短 ,源/ 漏寄生电阻与沟道电阻相比已经非常可观 ,不能再被忽 略 ,源漏接触电阻会造成源/ 漏端接触边缘发生电流集中效应 ,这种电流集中和源端载流子复合效应的综合 作用使得在 ESD 应力下 GGN MO SF E T 源端可以与漏端同时发生热击穿. 参考文献 : [ 1 ] A mera sekera A ,Duvvur y C. ESD in Silico n Integrated Circuit s [ M ] . New Yo r k : J o hn Wiley & So ns , 2002 . [ 2 ] Ro unt ree R. ESD Pro tectio n fo r Submicro n CMO S Circuit s Issue s a nd Sol utio ns [ A ] . Tech Dig IEDM [ C ] . Fra nci sco : IE E E , 1988 . 5802583 . () [ 3 ] L indef elt U . Heat Generatio n i n Semico nducto r Device [J ] . J Appl Phys ,1994 , 75 2:9422955 . [ 4 ] To r nblad , L indef elt U , Breit holtz B . 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