基于小波算法的数字水印技术对藏族数字壁画的保护研究

摘要：历史进入了数字化时代，如何保护藏族数字壁画的知识产权，成为保护世界文化遗产的不可缺少的一项重要内容。该文研究了运用基于小波算法的数字水印技术对藏族数字壁画版权保护的实现方法，以达到此项技术在藏族数字壁画版权信息保护起到重要的作用。

关键词：藏族壁画；数字水印；版权保护

中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)19-4656-02

1 对藏族数字化壁画保护的意义

我国作为世界著名的文明古国，历史悠久，文化遗产十分丰富，藏族壁画[1]就是其典型的代表。藏族壁画在绘画历史发展中，经过无数画师的不断实践和总结，并吸收国内外其他画派的长处，形成其独特的民族风格、艺术形式和表现内容，是传统文化艺术的精华，更是世界绘画艺术宝库中的一颗明珠。 所以采用科学的法对藏族珍贵的壁画进行保护有着十分重要的意义。

壁画保护中的一个重要课题就是在合法授权后如何正当使用数字化壁画。数字水印技术是近些年出现的在数字产品版权保护信息和身份认证信息一种新型的技术，通常用于身份认证和版权保护。数字水印技术以其高安全性、可靠性、信息隐藏的鲁棒性等优点，能达到有效防御非法使用数字产品的目的。而在数字壁画中嵌入数字水印技术，是数字壁画的保护的技术保障。

本文对藏族壁画数字水印嵌入版权保护技术是基于小波变换算法的数字水印技术方法的实现。

2 小波变换算法

该方法可以将图像分解到频域中，并且保留了图像在三维的分布。小波变换多分辨率分析的特性和人视觉特性可以很好地匹配，并且该方法对剪裁局部的鲁棒性以及有损压缩有着非常明显的效果。所以，就水印可见性讲，DWT更相似于HVS的要求[2]。

小波变换的定义如式1：

(1)

其逆变换为式2：

(2)

图像信号S的离散小波变换是对二维信号的列和行高通和低通分部滤波后通过四通道滤波运算得到在子带LL1, HH1, HV1、和HD1上的变换参数，并且根据应用需要对子带LL1深度分解从而达到所需要的级数。

3 数字水印嵌入藏族数字壁画

3.1 水印生成

伪随机序列常被作为水印信息，最后只要检测伪随机序列的存在性[3]就可以了。数字化壁画图像版权保护就需要部分或全部版权信息嵌入到水印信息中，那么水印信息本身的大小以及安全性是需要考虑的。所以在水印嵌入图像时就要确定嵌入到图像中的水印信息存在形式(像素值或比特值)和数据量大小，以便保证数字图像能够容纳水印数据量。还要保证加密处理后的水印信息具有唯一性、有效性、不可逆性等特征。水印信息产生过程如图1所示。

图1 水印信息生成图

3.2 水印信息与藏族壁画数字图像之间的关系

小波变换是二维矩阵的变换，而是三维彩色图像。所以数字壁画图像在计算机中存储为m×n×3的数据矩阵，图像中每个像素的红、绿、蓝值用数组元素的数值大小表示，即像素的颜色就是红、绿、蓝组合的灰度值来[4]。如果把三维数据分别定义为行、列和层，那么三维图像数据就是分别存储在Red层、Green层和Blue层的多个一维数组。

一般有文本信息和图像信息组成水印信息。文本信息是有二进制数(ASCII码)构成的一维数组，因为ASCII码判断难度比较大，通常将文本信息转换为二值图像的表达。图像信息可以看成是由数字0和1组成的二维矩阵或由0- 255之间的数据组成的二维矩阵或三维矩阵。既无论是文本还是图像信息都可以看成是由元素为0和1的二维矩阵或三维矩阵。水印生成系统将处理后水印信息生成为由0和1组成的数据序列，相当于在藏族数字壁画图像中加入了0和1序列的水印信息。水印信号生过程如图2所示。

3.3 水印嵌入

系统生成数字水印序列w*通过提取原始图像信息I并依赖w*和I或版权信息而生成密钥K，通常我们的密钥是用嵌入时的嵌入时间（时间戳）。密钥K决定水印添加具置，然后根据嵌入算法嵌入水印，输出隐藏水印的图像信息I*和密钥K。其嵌入原理如图3所示。

我们采取如下策略进行水印嵌入：

如果水印信息是只有一层的二维数据(授权信息、版权信信)，那么其亮度方程为：y=0.299R+0.587G+0.144B

从亮度方程可以发现HVS对不同颜色的敏感度是不同的。这就是通常把水印信息嵌入到原始图像的Blue层小波分解的系数中的原因。如果水印信息是三层的三维数据，水印信息要嵌入到各层高频系数LH1，LV1，LV1中。

水印嵌入算法步骤如下：

1）把读入原始图像矩阵转换成灰度值（0-1之间的数)，并将读入水印图像W按照图3生成水印序列w*。

2）把原始图像进行三级小波分解，得到LH1,LV1,LV1作为w*的嵌入位置。计算出LL1的能量TK. LL1，从矩阵[LH1、LV1、LV1]中找出绝对值大于T K. LL1，的元素，并统计元素的数量：P。

3）用嵌入时间K作为密钥保存。分别把对K的ASCII数组求和和和值与水印序列长度l之差的绝对值作为伪随机数发生器状态，并生成排序好的P个伪随机数序列，标注其原始位置；排序后顺序选出l个位置，在对应的位置嵌入水印序列。

4）在嵌入位置嵌入水印公式如下：

I表示嵌入水印前小波系数，I*表示嵌入水印后相应位置小波系数，a（一般a=0.5）表示嵌入能量。

上式是嵌入公式的一种改进。采用一般计算公式时小波变换后的系数≤1，而接近1的小波变换系数嵌入水印后系数＞1，重构后误差较大。采用上式计算可以得到比较好的效果。

5）重构嵌入水印后的壁画图像并计算嵌入水印图像与原始图像的峰值信噪比PSNR。

3.4 水印检测

数字水印的检测过程如图4所示。检测算法步骤如下：

1）读入原始图像、待检测图像、水印图像和密钥K。将原始图像数据矩阵和待检测图像数据矩阵转换成灰度值(0-1之间的数)；如果待测图像与原图像行像素和列像素个数不同，需对待测图像进行缩放成与原图像像素相同的行列数。

2）将原始图像分别按Red层、Green层、Blue层分别进行小波分解，提取出LH1、LV1和LV1作为检测w*的嵌入位置的对比数据；然后再将待测图像按Red层、Green层、Blue层分别进行小波分解，提取LH1*、LV1*、LD1*。

3）依照嵌入水印的第2步和第3步，用密钥K找到水印嵌入位置，然后根据公式

求W。计算出的W

4）重构水印图像。计算待测图像的峰位信噪比PNSR，并计算NC（提取水印w*与原始水印W的归一化相关系数），通过NC判断水印是否存在，NC值越接近1，说明相关程度越高，水印是存在可能性越大。

4 结论和展望

基于小波变换的数字水印技术对藏族数字壁画保护原理是指在原始藏族数字壁画图像的小波变换域上选择合适的水印嵌入区域再嵌入有意义的数字水印。将来我们可以对现在各种数字水印算法进行实践而发现其存在的问题，并做改进，尽可能使数字水印技术更好地在藏族壁画保护工作中起到保护作用。

参考文献：

[1] 康忠榕.文物保护学基础[M].成都:四川大学出版社,1995.

[2] 唐庆牛.基于离散小波变换的数字水印技术[J].成都信息工程学院学报,2005,20(1).

[3] 刘仁金,郑盈盈.基于DCT和DWT域的图像水印算法研究[J].皖西学院学报,2007,23(2).

[4] 李黎.数字图像和二维几何模型水印技术研究[D].杭州:浙江大学,2004.

[5] 江皎月.一种基十时间戳认证的零水印方案设计[J].微计算机信息,2007,24.

[6] 马颂德,张正友.计算机视觉一计算理论与算法基础[M].2版.北京:科学出版社,2003.

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