基于小波域可逆信息隐藏的免疫数字水印算法

【前言】基于小波域可逆信息隐藏的免疫数字水印算法由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。免疫数字水印是一种弱可逆数字水印，其基本框架算法[1]是：当原始图像嵌入水印之后，最终得到的图像发生较大的失真，使其失去使用价值，如此一来，攻击者无法利用最终公开的含水印的图像；另一方面，如果水印的提取端是可信的用户，则可以获得由水印嵌入端用户给予的...

摘 要：提出一种小波域上的免疫数字水印算法框架下的新颖可逆水印算法，旨在解决现有的免疫水印不能准确恢复原始图像的问题。算法可以有较大的容量并且可以精确地恢复原始图像。使用可逆水印算法中的直方图平移技术嵌入恢复向量，达到精确恢复原始图像的目的。算法通过小波变换时图像的分块大小、直方图平移的“峰值—零值”对和嵌入轮数三个参数来计算控制因子从而控制嵌入深度，最终可以得到和原始图像保持有较大的失真但又可以获知主要信息的图像。在嵌入过程中采用置乱以及加密技术，使得入侵者在没有得到授权文件的情况下无法强行恢复出原始图像。通过实验验证了该算法不仅可以得到和原始图像相差较大的图像，并且在得到安全认可的情况下又可以完整地恢复出原始图像。

关键词：免疫水印； 可逆隐藏； 小波变换； 控制因子；直方图平移；授权文件

中图分类号： TP309. 2

文献标志码：A

0 引言

免疫数字水印是一种弱可逆数字水印，其基本框架算法[1]是：当原始图像嵌入水印之后，最终得到的图像发生较大的失真，使其失去使用价值，如此一来，攻击者无法利用最终公开的含水印的图像；另一方面，如果水印的提取端是可信的用户，则可以获得由水印嵌入端用户给予的授权信息，并利用这些授权信息从图像中得到正确的原始图像和嵌入的水印信息。由于图像没有使用价值，所以很多常用的水印攻击算法对其无法使用，即使遭受到攻击，算法中使用的恢复码也可以保证算法的安全性而使得攻击者不能得到正确的原始图像。因此该数字水印有天生的免疫性，能有效地遏制非法复制和篡改。可逆信息隐藏有着传统水印没有的特点，它不仅可以提取出嵌入的水印信息，还可以完全无损地精确恢复源信号。其主要的算法有两种：基于差值扩展的可逆水印算法[2]和基于直方图平移的可逆水印算法[3]。其中，直方图平移以实现简单、效率高而受到了很多研究者的关注。王俊祥等[4-5] 对直方图平移算法的性能进行了分析并在此基础上提出了高性能的直方图平移算法。还有很多研究者将直方图平移和差值扩展相结合以达到增大嵌入容量的目的，比如Tai等[6]，Tsai等[7]和Lin等[8]都提出了将直方图平移和预测差值结合的算法来扩大可逆水印的嵌入容量，达到了较好的效果。Jung等[9]提出了基于人类视觉系统的直方图可逆水印算法，该算法减小了最终图像的失真。Weng等[10]提出了在进行直方图平移算法之前对于待嵌入的宿主进行预处理，这样也可以增大嵌入容量并减小失真。可逆数字水印在实际应用中有着广泛的应用[11-13]。本文综合考虑免疫数字水印和可逆隐藏的特点，提出了一种可以在免疫水印框架下进行的可逆水印算法，既可以克服现有免疫水印不能精确恢复原始图像的缺点，又为单纯的可逆水印算法找出了一个新的应用方向。

为了增强水印的抗干扰能力和提高嵌入容量，受一些水印算法的启发[14-15]，本文提出的算法将在图像的小波域上进行实现。

1 算法描述

小波变换作为图像处理中的一种常见技术，可以分离出图像的低频信息和高频信息等，这两部分分别保存了图像的主要信息和次要信息。一般情况下，图像经过一次小波变化后会形成可LL1、LH1、HL1和HH1四个区域。在这四个区域之中，LL1作为最低频信息部分，含有图像的最主要信息，HH1作为最高频部分含有图像信息中最次要的部分。虽然按照小波变换的原理，其变换过程可以无限次进行下去，但是在本文算法中，一级小波变换所含有的容量已经足够。

根据免疫水印的算法模型，用于嵌入水印的小波系数需满足以下两个条件：信号处理和噪声干扰不能过多地改变小波系数；为了避免嵌入一定强度的水印后引起原始图像视觉质量的明显改变，需要较大的感官容量。为了满足这两个条件，将水印嵌入到经过一级小波变换的LH1、HL1以及HH1三个非低频频带中。

1.1 图像小波域上水印嵌入算法

在嵌入端，算法包含如下步骤：

1）提高算法安全性。在水印嵌入之前，对水印图像使用N次Arnold变换进行置换处理，如图1所示。

1）在嵌入轮次r和“峰值—零值”对的数量p相同的情况下，分块大小越大，其控制因子越小，得到的图像和原始图像的差距越小，如上图中第一行、第二行和最后一行图3（a）、（b）、（e）。

2）在图像分块大小b和嵌入轮次r相同的情况下，“峰值—零值”对的数量p越大，其控制因子越大，造成最后图像的失真越大，如上图中第三行和第四行所示图3（c）、（d）。

3）在图像分块大小b和“峰值—零值”对的数量p相同的情况下，嵌入轮次r越多，其控制因子越大，造成最后图像的失真越大，如上图中第二行和第三行所示图3（b）、（c）。

4）若控制因子太小，如图中第一行3（a），最终得到的图像在视觉上和原始图像差别非常小。这种图像虽然也嵌入了水印，但是其不能满足免疫水印算法框架的要求。若控制因子太大，如图3（e），这时已经失真过于严重，基本没有任何使用价值。这两种控制因子下得到的图像都不符合免疫的算法框架要求，所以不能选用这样控制因子。

在提取端，用户通过图像确认自己是否想获得原始图像，如果确认想查看原始图像，提取端可以向发送端提出请求发送相关授权文件，发送端通过认证提取端是否合法决定是否发送授权文件。在得到授权文件后，首先使用可逆水印算法提取出含水印图像和加密压缩补偿向量，接着再按照前文所述的提取算法通过补偿向量提取出水印和原始图像。由于补偿码是经过安全处理的，提取端如果强行恢复，则无法获得正确有意义的原始图像。所以在没有授权文件的情况下，提取端用户很难获取正确的原始图像。图5（a）和（b）分别显示了从使用控制因子为0.19得到的图像正确恢复和强行恢复的airplane图像。

如果图像遭到攻击（比如噪声、裁剪等攻击后），这样会使得最终提取出来的压缩向量发生变化。虽然按照提取算法同样也可以得到一个图像与水印，但是并不能判断得到的是否正确，因此用户恢复时，还需要与原始水印进行比较，如果和原来的水印不一致，则说明得到的不是正确图像。

4 结语

本文在免疫水印算法模型的框架下，提出了一种在小波域上采用可逆隐藏实现可完整精确恢复原始图像的具体算法。通过结合小波变换和可逆水印算法本身所拥有的特点来计算控制因子，达到控制嵌入深度的目的，使得嵌入端可以控制最后图像的失真程度；并且通过置乱加密等安全措施，保证了只有合法的接收端可以获得正确的原始图像。根据该算法

的特点，它可以应用于需要精确图像的领域，如医学图像、

军事图像等。

参考文献：

[1]彭德云， 王嘉祯， 王素贞， 等. 免疫数字水印技术 [J].计算机工程与应用， 2006，19（3）：11-13.

[2]TIAN J. Reversible data embedding using a difference expansion [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2003，13（8）：890-896.

[3]NI Z， SHI Y Q， ANSARI N， et al. Reversible data hiding [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2006，16（3）：354-362.

[4]王俊祥，杨波. 基于直方图平移可逆水印的性能估计[J]. 计算机应用， 2010，12（12）：3246-3251.

[5]王俊祥，倪江群，潘金伟. 一种基于直方图平移的高性能可逆水印算法[J]. 自动化学报， 2012，38（1）：88-96.

[6]TAI W L， YEH C M， CHANG C C. Reversible data hiding based on histogram modification of pixel differences[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2009，19（6）：906-910.

[7]TSAI P Y， HU Y C， YEH H L. Reversible image hiding scheme using predictive coding and histogram shifting[J]. Signal Processing， 2009，89（6）：1129-1143.

[8]LIN S L， HUANG C-F. LIOU M H， et al. Improving histogrambased reversible information hiding by an optimal weightbased prediction scheme[J]. Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing， 2013，1（1）：19-33.

[9]JUNG S W， HA L T， KO S J. A new histogram modification based reversible data hiding algorithm considering the human visual system[J]. IEEE Signal Processing Letters， 2011，18（2）：721-724.

[10]WENG S W， PAN J S， GAO X. Reversible watermark combining preprocessing operation and histogram shifting[J]. Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing， 2012，3（10）：320-326.

[11]李建伟， 胡永健， 陈开英. 边缘和纹理优先的可逆数据隐藏算法[J]. 计算机应用， 2008，28（S1）：76-79

[12]周璐， 胡永健， 曾华飞. 用于矢量数字地图的可逆数据隐藏算法[J]. 计算机应用， 2009，29（4）：990-993

[13]徐德智， 童学锋， 宣国荣， 等. 基于直方图调整的二值图像无损数据隐藏[J]. 计算机应用，2009，29（6）：1651-1653.

[14]宣国荣， 姚秋明， 柴佩琪， 等.基于整数小波阈值嵌入的无损数据隐藏[J]. 计算机应用， 2006，26（12）：2891-2893.

[15]CHAN Y K， CHEN W T， YU S S， et al. A HDWTbased reversible data hiding method[J]. The Journal of System and Software， 2009，82（3）：411-421.