一种鲁棒水印的嵌入检测技术研究与仿真

ＳＣＩ—ＴＥＣＨ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ　￣２００７年第ｌ７卷第４期　文章编号：１００５－６０３３（２００７）０４—０１９４—０３　一种鲁棒水印的嵌入检测技术研究与仿真　侯晓芳，李东生，刘秀莲，蔺兢　（太原理工大学计算机与软件学院，山西太原，０３００２４）　摘要：介绍了图像数字水印的研究现状，探讨了小波理论在水印系统中的应用。结合新　时期的目像压缩标准ＪＰＥＧ２０００，提出一种水印的嵌入及检测算法并进行了仿真实验。　关键词：数字水印；小波变换；ＨＶＳ　中图分类号：ＴＰ３９１．４１　文献标识码：Ａ　网络的发展，使数字多媒体信息在网络上的复制和传播给我们带来　了很多方便和享受，但由此也引发丁诸多信息安全、版权纷争等问题。目　２小波理论在水印系统中的应用　２．１小波理论分析　前。我们仍然采用传统的访问控制机制　来对网络资源进行访问限制，　这种机制能够杜绝一些非法用户的侵权行为，但对于权限用户的非法复　制和传播没有限制能力。数字水印技术作为传统密码学的有力补充而出　现，可以有效地保护数字多媒体资源的使用，在多媒体信息安全方面有　着良好的应用前景。　小波变换用于图像分析的基本思　是把图像进行多分辨率分解，　将图像分解成不同空间和不同频率的子图像。小波变换克服了傅立叶变　换的局限性，傅立叶变换是一种纯频域的分析方法，它只能提供整体的　频域特征，对任意局部时间段上的频率信息无能为力。而小波变换在时　域和频域上同时具有良好的局部化性质，它能够将一个信号经过分解聚　焦到被分析信号的任意局部细节。　水印系统正是利用小波变换的这种特性将图像进行分解后得到分　类的图像信息，然后选择一些适合修改圉像信息的位置，修改其小波系　ｌ　图像数字水印的研究现状　数字水印的概念是Ｃａｒｏｒｍｉ于１９９３年提出来的，主要应用于数字图　像，其早期开发主要侧重于静止图像的版权保护。数字水印的研究主要　分空域和变换域两类，变换域又主要有ＤＣＴ，Ｄｗｒ。ＤＦＴ　３种（前两者居　多）。空域算法普遍存在着可嵌入水印的能量不好控制、鲁棒性差等缺　点，ＤＣＴ域的算法较为成熟，符合ＪＰＥＧ压缩标准，一般都有很好的健壮　性。考虑到新一代的图像压缩国际标准ＪＰＥＧ２０００的核心技术是以小波　变换为基础的，所以小波域内的图像数字水印将具有更好的抗压缩攻击　等特性，是图像数字水印研究的主要方向。　●）’　…　…～……‘…（………　……●ｃ～一…　…●（　一…－、…‘　…　数值以实现水印信息的嵌入。其适合位置体现在修改了的小波系数不会　导致原始图像的失真，保证水印信息的不可见性等等。　原始图像经一级小波变换后，被分为４个子带：水平方向（ＨＬ）、垂直　方向（ＬＨ）、对角方向（ＨＨ）的中高频细节子带以及低频逼近子带（ＬＬ）。　如果对低频逼近部分继续分解就形成了二尺度下的另外４个子带。小波　三级多分辨率分解图示见图１。　ｆ　２】　Ｒａｗａｌ　Ｂ，Ｍｉｌｌｅｒ　Ｒ　Ｅ．Ｉｍｐｍｖ￣ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｆｏｒ　４５０　ＭＨｚ－５００　ＭＨｚ　ｂａｎｄ　ｌａｎｄ　ｍｏｂｉｌｅ　ｅｏｍｍｕｎｉｅａｔｉｏｎ　ｌＪ』．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９８４，３３（１）：３２—３６．　ＭＨｚ￣１６０　ＭＨｚ外为阻带区。最小阻带衰减大干２ＯｄＢ，驻波小于１．５。　４结语　理论分析的结果与实验结果有一定的差距，但是可以接受的。在器　件研制时，从理论上进行一些分析是必要的。在计算机模拟时，选取圆柱　形谐振腔或矩形谐振腔都能够实现滤波器的功能。可以推断，若选取其　他形状横截面的长多面体谐振腔，应用于腔滤波器是可行的；甚至腔体　出现局部的形变，均可以完成滤波功能。在结构加工过程中遇到加工工　艺问题时，可以适当改变尺寸而灵活解决。在三腔螺旋滤波器的基础上，　可以研制四腔及以上的螺旋滤波器。在试验中螺旋导线的圈数最小为　［３］ＭａｔｔｈａｅｉＧＬ，ＣｄｓｔａｌＥＧ．ＭｕｈｉｐｈｘｅｒＣｈａｎｎｅｌＳｅｐｅｒａｔｉｎｇＵｎｉｔｓｌｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ　ａｎｄ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｆｉｌｔｅｒｓ　Ｆｉｈｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．，１９６５，１３：３２８—３３４．　［４］　Ｋｗｏｋ　Ｒ　Ｓ．Ｄｕａｌ－－ｍｏｄｅｌ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，１ＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ。２０００，４８（３）：４７４—４７７．　［５］甘本拔，昊万春．现代微波滤波器的结构与设计［Ｍ］．北京：科学出版　社，１９７３：６７—９６．　［６］Ｇｏｕｂａｕ　Ｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｗａｖｅｇｎｉｄｅｓ　ａｎｄ　Ｃａｖｉｔｉｅｓ［Ｍ］．上海：科学技　术出版社。１９６６．　（责任编辑：邱娅男）　１．７５嘲时，滤波器的中心频率达到ｌ　ＧＨｚ，表明螺旋导线圈数的界限可以　进一步降低　参考文献　第一作者简介：王抗美，男，１９６５年４月生，１９８７年毕业于成都电讯　［１］张金玲．微波带通滤波器频率特性模拟研究［Ｊ］．真空电子技术，２００５　（２）：１１—１２．　工程学院。讲师。南京信息职业技术学院。江苏省南京市仙林大学城文澜　路９９号一系，２１００４６．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｐｉｒａｌ　Ｂａｎｄｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＷＡＮＧ　Ｋａｎｇ－ｍｅｉ，ＬＵ　Ｌｉ，ＪＩＮ　Ｙｉ－ｑｉｎ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｔｅｒ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｉｒａｌ　ｂａｎｄｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｐｉｒａｌ　ｂａｎｄｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｅｓｔｉｎｇ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｓｐｉｒａｌ　ｂａｎｄｐａｓｓ　ｉｆｌｔｅｒ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　１９４　维普资讯 http://www.cqvip.com

侯晓芳，李东生，刘秀莲。蔺兢一种鲁棒水印的嵌入检测技术研究与仿真　本刊Ｅ－ｍａｉｈｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ　科技研讨　图２为ｌｅｎａ图像经小波分　ＬＬ３ＨＬ３　ＬＨ３ＨＨ３　ＬＨｌ　解后的子图，依次为：原始图像、　ＬＨ１　一级分解逼赶子图、二级分解逼　ＬＨ２　ＨＨ２　近子图、一级分解对角细节子　图。　２．２水印嵌入强度和位置分析　通过图２可以看出，其中＿１　ＬＨｌ　ＨＨ１　低频子带ｕＪ中集中了图像的大　部分能量，而水平、垂直、对角部　分的中高频子带代表了图像每　一图１小波三级多分辨率分解示意图　方向的边缘特征。根据人眼视　（ａ）原始图像　（ｂ）一级分解逼近子图　（ｃ）二级分解逼近子图　（ｄ）一级分解对角细节子图　图２　ｌｅｎａ图像小波分解子图　觉模型ＨＶＳ，我们知道人眼对低频信号比较敏感，故埘低频部分小波系　数的修改很容易引起图像视慌质量的下降。对于巾高频系数来说，ＨＨ部　分最不重要，它的系数最小，且几乎为０。　由以上分析我们可知，人眼视觉的特性与小波特性正好相符。在小　波域嵌入水印时。为满足ＨＶＳ理论，应尽量避免对低频系数进行修改，　修改　高频系数还有利于水印的不可见性。而若从水印系统的健妆陛考　虑，嵌入水印的图像还要求有一定的抗攻击能力，而这些攻击，通常是对　高频不重要的系数进行处理，这样可能会造成水印的破坏。　上述两方面的要求相ｌ互冲突，传统的算法更侧重于系统健壮性的要　求，选择ＤＣ．ｒ变换后低频系数作为嵌入位置。笔者综合影响水印的各种　因素，结合ＨＶＳ理论和ＪＰＥＧ２０００的要求，给出了一种基于小波域的图　像数字水印算法并加以实现。与传统的算法相比，该算法通过设定阈值，　选样高于闻值的系数作为嵌八位置，通过调整嵌入系数与嵌人强度克服　了修改高频系数　特｝来的水印脆弱性弊端。经过模拟各种攻击策略，验证　了ｌ亥算法可行性，具有良好的鲁棒性和不可见性。　３水印算法描述　３．１嵌入过程　（１）将原始图像进行　级ｈａａｒ小波变换，保证第三尺度逼近干图的　系数不被修改，其他细　子　组成一个新的矩阵。　（２　Ｊ设置门限Ｔｌ　，在新组成的矩阵系数中选择高于门限　。的系数　作为水印信息嵌入位置。参照上文分析，对这些系数的修改可以满足系　统的鲁棒性，也不会引起图像失真。　（３）按照公式（１）进行水印嵌入　Ｃ（ｆ，　）＝Ｃ（　，　）＋ｄｐｈａ＂　ｌＣ（ｉＪ）ｌ＂ｍａｒｋ（ｉ√）　（１）　其中：ｃ（　，　）是矩阵中大于门限　的小波系数。　为嵌入强度。　ｍａｒｋ（ｉ，ｆ）为密钥ｋ产生的服从标准正态分布的伪随机序列，长度应与所　有大于门限　的系数个数相一致。　（４）进行小波逆变换重构　像，得到嵌入水印后的图像。　３．２提取检测过程　（１）将嵌入水印的图像重复嵌入过程的第一步。　（２）设置门限　（Ｔ２＞Ｔｊ），提取细节子带中所有大于门限　的系数　ｃ　（ｆ√），非大于ｒ，１的系数置为零。按照水印嵌入算法的逆过程提取出水　印ｍａｒｋ　（ｉ，ｆ）。　（３）随机生成肼个满足标准正态分布的伪随机序列，长度与原始水　印相同。　（４）按照公式（２）计算Ｃ　（ｆ√）与Ｍ个水印、ｍａｒｋ　（￡√）的相关性。　ｃｏ一　一　∑ｍａｉ－ｉ　ｒｋ　Ｊ）・ｃ　（　，　）　（２）　其中，Ｓ为大于门限ｒ，’的系数个数。　（５）计算阈值，判断有无水印，计算见公式（３）。　去∑ｃ　．　（　Ｊ）　（３）　４实验结果　仿真实验使用ｌｅｎａ的图像作为测试图像，Ｔｔ＝５０，　＝６Ｏ，ｄｐｈａ：Ｏ．１，　采用峰值信噪比ＰＳＮＲ作为原始图像和嵌入水印图像的质量评估指标。　圉３为原始图像和嵌入水印后的图像。　（ａ）原始图像　（ｂ）嵌入水印后的图像　图３原始图像及嵌入水印图像　可以看出原始图像和嵌入水印的图像视觉上没有变化，ＰＳＮＲ＝　３９，１２０　５。当ＰＳＮＲ＞３０时，人的视觉很难分辨出原始图像和重构图像的　差异，因此，无论从主观上还是从客观上看，采用该算法嵌人水印后的图　像均保持了良好的图像质量。完全满足水印信息的不可见性，具有较好　的视觉效果。　趟　晕　蛊　窝　龆　水印　图４检测器输出结果　１９５　维普资讯 http://www.cqvip.com

侯晓芳，李东生，刘秀莲，蔺兢一种鲁棒水印的嵌人检测技术研究与仿真　本刊Ｅ－ｍａｉｈｈｊｈ＠ｍａｉ！ｓｘｉｄｏ．ｔｔｅｔ，科技研讨　图４为嵌入水印的小波系数与随机生成的１　０００个随机序列进行相　存在。　关性比较的结果。第５ｏｏ个为提取的水印序列。从检测器的输出结果可　以看出，只有在横坐标为５００处其相关性值远远高于计算的阈值ｒ，，提取　图８为水印图像经过剪切（保留了中间ｌ，４）后的图像及检测结果的　输出。检测实验明显地可以检测出水印的存在进一步证明水印具有鞍　，检测水印成功，证明该算法具有可行性。　好的鲁棒性。　５攻击健壮性实验　下文对已经嵌入水印的图像（见图３Ｃｂ））进行攻击实验，以测试上述　算法的鲁捧性．从而进一步验证该算法的可行性。　在水印图像中加入高斯噪声后，图像见图５（ａ）。我们可以看出嵌入　水印的图像经过噪声攻击后图像质量已明显下降，但仍然可以檎验出水　印的存在，检测结果见图５（ｂ）。这里我们仅给出高斯噪声的实验结果，经　其他噪声攻击后。水印均可以被检验出来。　（ａ）ｔｏｔａｔｅ旋转　（ｂ）检测器的输出　图９旋转攻击　、Ｉ　６结语　本文提出了一种基于小波域的图像数字水印算法。该算法中利用了　小波的多分辨率分解特性，并结合ＨＶＳ人类视觉特性。选择了适当的小　波变换系数作为水印的嵌入位置，这对水印系统的健壮性起着关键作　用。在随后给出的攻击实验中，充分证明该算法具有较好的噪声、ＪＰＥＧ　压缩、滤波、剪切及旋转等抗攻击能力。　参考文献　［１］孙圣和，陆哲明，牛夏牧，等激字水印技术及应用［Ｍ］．北京：科学出　版社。２００４．　［２］Ｋａｅｗｋａｍｎｅｒｄ　Ｎ．Ｒｔｍ　Ｋ　Ｒ．Ｗａｖｅｌｅｔ　ｂａｓｅｄ　ｉｍａｇｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ。２ｏｏＯ，２（３６Ｊ：３１２—３１３．　［３］Ｂａｒｎｉ　Ｍ，Ｂａｒｔｏｌｉｎｉ　Ｆ，Ｃａｐｐｅｌｌｉｎｉ　Ｖ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ＤＣＴ－ｄｏｎｍｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｒｏｂｕｓｔ　ｉｍａｇｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ［Ｊ］．ｓｉｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９８（６６）：３５７—３７２．　（责任编辑：胡建平）　第一作者简介：侯晓芳，女，１９８０年生，现为太原理工大学２００４在读　硕士研究生。太原理工大学，山西省太原市太原理工大学觉峪校区６１３５　信箱。０３００２４．　图７高通滤波攻击　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａ　Ｒｏｂｕｓｔ　Ｗａｔｅｒｍａｒｋ　ＨＯＵ　Ｘｉａｏ－ｆａｎｇ。ＬＩ　Ｄｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ。ＬＩＵ　Ｘｉｕ—ｌｉａｎ。ＬＩＮ　Ｊｉｎｇ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｍａｇｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ，ｐｒｏｂｅｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ＪＰＥＧ２０００　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｅｗ　ｅｒａ，ａｄｖａｎｃｅｓ　ａｎ　ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ；ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ＨＶＳ　１９６