二值图像数字水印技术综述

摘要:计算机网络通信时代,二值数字图像作为一种广为使用的传输媒介,对其进行版权保护和完整性认证具有重要意义。对用于二值图像版权保护和完整性认证的数字水印技术进行详细的综述,介绍了现有的各种水印算法,分析了各自的优缺点,并指出下一步的研究方向。

关键词:二值图像;数字水印;鲁棒性

中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)32-9043-02

Overview of Digital Watermarking Techniques for Binary Images

XU Nan, LI Wang-yan

(Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract: In the era of computer network, it is essential to take measures for copyright protection and data authentication of binary images, whose transmission is a major activity during everyday communication. Digital watermarking techniques have been proposed to address the issue. This paper reviews various watermarking algorithms for binary images, and analyzes their advantages and disadvantages. The paper also proposes several research topics at next stage.

Key words: binary image; digital watermarking; robustness

数字水印技术作为信息隐藏技术研究领域的重要分支,是实现多媒体版权保护与信息完整性认证的有效方法,现成为信息领域的一个研究热点。目前,大量的参考文献主要涉及到灰度图像、彩色图像以及视频、音频水印技术研究,二值图像因只有两个亮度等级,水印实施困难,故相关文献较少。但随着全球信息数字化进程的日益加快,大批的重要资料,如个人档案、医疗记录、学历证书、专利证件、手写签名、设计图样、馆藏图书、机要文件等,已扫描成数字化文档备存。再者,随着电子商务、电子政务的日趋流行,对网上发行的电子刊物进行盗版追踪,对来往的电子信函、公文或传真进行完整性认证也日益紧迫。而这其中,绝大部分信息资料为二值图像格式。因此二值图像数字水印技术研究也就显得尤为重要。

1 二值图像水印技术研究需解决的问题

二值图像即黑白图像, 其每个像素点只用一位表示,“0”代表黑,“1”代表白,这个特点决定了任意修改像素值是不可行的。在二值图像中嵌入水印时,不能像灰度图像和彩色图像中那样孤立的考虑一个像素点,而必须考虑该像素邻域情况,否则会引起视觉异常。与灰度图像和彩色图像相比,二值图像的视觉冗余少,二值图像的水印技术应重点考虑视觉的空间屏蔽效应(即视觉上的隐蔽性)问题。

二值图像水印技术的嵌入容量与鲁棒性是一对矛盾。 很明显,鲁棒性越强嵌入容量越小,鲁棒性越弱嵌入容量越大,增强技术的鲁棒性会以牺牲隐藏容量作为代价。因此需在鲁棒性与嵌入容量之间寻求一种平衡,根据应用需求不同对鲁棒性与嵌入容量做不同的侧重。

2 二值图像数字水印典型算法

二值图像水印算法可按嵌入原理的不同分为:行移或字移、基于图像分块的水印算法、变换域水印算法等几类。

2.1 基于行移和字移的水印算法

文本行移位和字符移位的嵌入方法就是将文本图像的一行字符, 一个字符或是一个字符群做微小的整体移位来携带信息。这种方法适用于文本内容的二值图像。

Low 发表文章[1-2] 讨论基于字符移位、行移位的水印方法。该技术通过修改字符间距、行间距来携带信息, 修改幅度为1/150 英寸(1/381 cm) 。嵌入策略非常简单, 比如说字符行向上移嵌入“1”, 向下移嵌入“0”; 字符行向左移嵌入“1”, 向右移嵌入“0”, 嵌入的水印可以经的起扫描和打印的攻击,具有一定的鲁棒性。由于水印在打印或扫描时难免会引入量化噪声, 水印恢复时用极大似然法来判别。

2.2 基于图像分块的水印算法

分块嵌入的二值图像水印方法是一种较为典型的水印方法, 由于其算法简单、嵌入容量大,相对于其它算法而言具有更强的实用性。这一类嵌入方法就是把图像分成大小为M×N 的子块, 然后对划分的子块按某种规则进行计算确定嵌入策略,根据嵌入策略找出可以修改的像素, 然后直接对该像素进行修改。这种方法对所有的二值图像均适用。

2.2.1 修改块内黑白像素个数的奇偶性

Wu等人[3]提出一种算法,其主要思想是使通过控制“可翻转”的像素并利用置乱操作嵌入大量信息,信息的提取不需要原始图像的参与,可用于内容的认证和篡改提示,但确定可翻转像素是个复杂的过程。具体实现方法是,首先根据每个像素在其3×3邻域内的连通性和平滑度来计算该像素的翻转优先级,然后对图像置乱使可翻转像素点分散到整个图像。最后将图像分块,根据每个图像块中黑白像素的奇偶性分别嵌入“0”和“1”。

文献[4]对该算法进行了改进,把基于距离倒数的失真侧度(DRDM)引入到计算像素的翻转优先级,以减少图像嵌入信息后的失真度。

文献[5]中提出,将二值图像分割成大小为2×2 的图像块,利用图像块的奇偶性将一条二进制信息嵌入到黑白像素邻近的块中,嵌入1 位信息平均修改0.5 个像素,具有计算量小、嵌入信息量大、图像质量下降少、安全性高的优点。

文献[6]中提出,为了使可翻转像素在空间上均衡分布, 对原始图像进行随机排列和分块后, 在每一块中嵌入相同数量的水印。 并根据随机排列的统计特性, 自适应地确定可嵌入水印像素, 以尽量减少对图像质量的损害。实验结果表明, 嵌入的水印不易被察觉。

2.2.2 修改黑白像素的比例

Koch和Zhao[7]提出一种算法,把图像被分成8 ×8 的子块, 用每个子块中黑白像素的多少来表示嵌入的信息, 具体的嵌入策略为: 根据图像中为“1”的像素所占百分比, 设定一个门限, 用子块中为“1”像素的百分比超过门限来表示“1”, 低于门限则表示“0”。对每个子块按上述嵌入策略进行修改即可完成嵌入。该方法具有一定鲁棒性, 但嵌入水印的图像块质量会明显降低。

2.3 变换域

在变换域水印技术方面,对二值图像来说,在变换域嵌入水印信息,再返回到空间域后,为了确保图像的二值性,需进行二值化处理,而这种二值化操作通常会大大削弱水印强度,甚至会除去水印信息,因此不能直接变换域上通过简单地修改系数来嵌入水印。

Lu[8]等人证明:对于二值图像,若通过修改DCT系数的直流系数(DC)来嵌入水印,则经二值化操作后,水印将不复存在;对于灰度图像,若通过修改来嵌入水印,当二值化阈值取为最大亮度与最小亮度的中值时,水印信息也将被除去。为此,他们提出将二值图像先经模糊预处理转换为灰度图像,通过修改灰度图像的DC来嵌入水印,在空间域进行二值化处理时,采用由水印信息动态决定的有偏阈值。该算法对局部剪切和噪声具有一定的鲁棒性,但提取水印时需原始图像。由于修改分量相当于将空间域的每个像素DC叠加上一个常数。

文献[9]中提出了一种基于DCTCDWT的二值文本频率域数字水印算法。算法结合了DCT 和DWT 二者的特点,将水印信号进行分块DCT 变换,按照从低频到高频的顺序对各块系数进行重新排列,对应嵌入到原始图像的DWT 分解子带中,强化了不可见性。对JPEG 压缩、加入高斯噪声、椒盐噪声以及剪切具有一定的鲁棒性。但该算法只适用于纹理复杂的二值图像,且提取水印时需原始图像。

3 几种典型的水印算法的分析和比较

行移或字移、基于图像分块的水印算法属于空域水印,相比变换域水印算法,该类算法特点是水印嵌入方法简单,但鲁棒性较差。而变换域水印的抗攻击能力很强,但是嵌入量较小,计算更为复杂。在实际应用中,根据实际需要,选取合适的算法。文本行行移位, 文本字符移位法属于大块图像做微小平行移位的嵌入方法,该方法水印嵌入容量小,但可以抵抗打印扫描、打印、影印、传真传送等这些二次量化引入的噪声的攻击,具有一定的鲁棒性。分块嵌入水印算法,水印嵌入容量较高,但鲁棒性较差。变换域水印,可以抵抗局部剪切和噪声等攻击,鲁棒性较好。表1给出几种典型算法的各自的特点和不足。

4 结论

在数字水印技术中,水印嵌入算法一直都是人们关注的焦点,由于二值图像只有两个亮度等级,过去二值图像数字水印算法研究主要集中在空域算法,在变换域嵌入水印认为几乎是不可能的,但是现在有越来越多的研究尝试并成功地在变化域的嵌入水印,相信今后随着多媒体产权保护和信息安全维护的推动,在这个领域将有更多、更好的成果出现。

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