基于中频系数的图像水印算法

[摘 要]数字水印在保护图像的所有权有广泛的应用。数字水印算法要具有良好的可视性，还要有良好的鲁棒性。该文提出了在DCT域中频系数来嵌入水印。实验结果表明，该算法有很好的可视性，并且对JPEG压缩、椒盐噪声等图像操作有较好的鲁棒性。

[关键词]数字水印；密钥；鲁棒性

中图分类号：Q-334 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0121-02

1 引言

近年来，随着数字化技术的进步和Internet的迅速发展，数字多媒体（数字图像、音频、视频及计算机图形等）的应用取得了惊人的发展[1]。

基于分块的DCT域水印是国际上常用的数字水印实现方法之一，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的特点。因为DCT变换后图像的主要能量集中于低频系数中。在DCT域的高频编码易于被各种信号处理方法所破坏，而在低频编码则由于人的视觉对低频分量很敏感，从而对低频分量的改变特别容易被察觉[2-5]。该文提出了一种基于中频分量的水印嵌入算法，既可以保证图像良好的可视性，又有很好的鲁棒性。

2 水印的嵌入与检测算法

每个数字水印系统都至少包含水印的嵌人和水印的检测与提取两个方面，其过程如下：

2.1 水印的嵌入算法

（1）图像分块

将一个图像分为互不覆盖8×8大小的子块，则每个块上的离散余弦变换为：

逆向DCT（IDCT）表达式为：

其中：，，

为原始图像块，为变换后的频域系数。

（2）嵌入

读取水印图像的亮度分量，并对图像亮度分量进行Arnold变换，得到置乱后的水印信息。水印置乱的目的：一方面是使遭受到攻击的力度分散，提高水印检测准确率；另一方面是将置乱的次数作为密钥（密钥1），增加水印的安全性[6]。

选取中频系数中的系数对，对嵌入水印的DCT中频系数进行如下修改：

其中，是嵌入水印后的系数，为原始图像的系数，为水印图像的系数，为调整系数。

（3）将每个8×8的小块图像作DCT反变换，得到嵌入水印的图像。

2.2 水印的提取算法

（1）对嵌入了水印后的载体图像进行8×8分块，并进行DCT变换。

（2）选取图像亮度分量中相同位置中频系数，进行水印的提取：

（3）对提取后的水印信息根据密钥1（置乱次数）和Arnold变换的周期进行反置乱，恢复水印图像。

3 实验结果分析

文中的实验都是在MATLAB、Windows7平台上实现具体的嵌入、提取和一系列的攻击实验。本方案使用的载体图像大小是384×288×8，水印图像为192×144的二值图像，嵌入水印的图像质量的客观评价采用峰值信噪比PSNR来表示，水印检测结果用归一化相似度NC来度量。原始图像和原始水印如图1所示。

由文中算法得到嵌入水印后的图像如图2所示，其PSNR为47.2551dB。在没有任何攻击下提取出的水印图像如图2所示，归一化相似度NC=1，说明可以完全地提取出原水印。

下面对嵌入水印后的图像进行各种攻击，然后从中提取出水印。下面是该算法对常规数字水印攻击的鲁棒性分析。

3.1 噪声攻击

利用MATLAB图像处理工具箱提供的噪声函数对嵌入水印后的图像分别进行高斯噪声、椒盐噪声攻击[7]。图3和图4是以上两种攻击下检测到的水印图像，表1表示经过噪声攻击后图像的相关系数值。从抗噪声攻击方面看，该算法有很好的鲁棒性。

3.2 JPEG压缩攻击

在MATLAB中不同质量质量因子下进行JPEG压缩攻击，得到结果如图5和图6。

4 结语

文章提出了一种DCT域中频系数的嵌入水印算法。实验结果表明：第一该算法保证图像具有良好的可视性；第二在对JPEG压缩、椒盐噪声、模糊等攻击还具有良好的鲁棒性；第三该算法容易实现，具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 闫德勤，韩亚丹，高艳.一种DCT中频水印嵌入与提取方法[J].计算机工程与应用，2005，5：65-66.

[2] 张伟，陈新龙，詹斌.基于DCT的图像水印算法研究与实现[J].计算机技术与发展，2009，19（9）：157-159.

[3] Qiusheng Wang.Shenghe Sun.Embed visually recognizable watermarks into images[C].In：Proceeding of First International Conference on Image and Graphics，Tianjin China，2000：151―154.

[4] 王炳锡，陈琦，邓峰森.数字水印技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003：7―8.

[5] 王银花，柴晓东，周成鹏，等.基于分数傅里叶变换的盲数字水印算法[J].计算机技术与发展，2008，18（1）：168―170.

[6] 吴爱红.面向立体图像/视频数字水印技术的方法研究[D].宁波：宁波大学，2012.

[7] 张兆礼，赵春晖.现代图像处理技术及MATLAB实现[M].北京：人民邮电出版社，2005.