基于喷泉码和人眼视觉系统的扩频数字水印方案

基于喷泉码和人眼视觉系统的扩频数字水印方案
陈留洋;鲁荣波;滕娟
【摘要】为了更好地在Contourlet域里选择合适的嵌入位置和嵌入强度,提出基
于人眼视觉系统(HVS)的视觉掩蔽.利用此视觉掩蔽在Contourlet城里选择适当的嵌入位置和嵌入强度来嵌入水印信息,提高水印的保真度;采用喷泉码编码对水印图
像进行预处理加密,增加水印的安全性;利用扩频水印技术增强水印方案抵抗常见水
印攻击的能力,提高水印方案的鲁棒性.Matlab仿真结果表明,新水印设计方案具有
较高的鲁棒性和安全性,保真度得到较大幅度的提高.
【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(037)002
【总页数】5页(P33-37)
【关键词】Contourlet变换;人眼视觉系统;视觉掩蔽;喷泉码;扩频数字水印
【作者】陈留洋;鲁荣波;滕娟
【作者单位】吉首大学数学与统计学院,湖南吉首 416000;吉首大学信息科学与工程学院,湖南吉首 416000;吉首大学数学与统计学院,湖南吉首 416000
【正文语种】中文
【中图分类】TP309.7
数字水印技术是主要的信息隐藏技术之一.图像数字水印方案的基本要求是保真度高、鲁棒性和安全性好.三者构成了评价水印方案的基础[1].为了寻找最优的保真度和鲁棒性，Lee YangSun等[2]提出基于DCT域和人眼视觉系统(HVS)的水印方案，
利用HVS的视觉特性，自适应地寻找最佳嵌入强度和位置.然而，该方案是基于DCT域进行的，嵌入容量小，没有充分利用HVS的特性.Emad Fatemizadeh等[3]提出基于HVS和感兴趣区域的内容完整性确认的数字水印方案，以提高保真度，但二维小波变换对图像的处理缺乏方向性，使得图像的纹理和边缘等奇异点信息不能很好地表示出来.为了提高水印信息在传输过程中的抗干扰能力，增强其鲁棒性，很多学者将信道编码技术引入到数字水印设计方案中，对水印信息进行预处理，取得了很好的效果.霍智勇等[4]利用低密度奇偶校验码的纠错性能降低水印在传输过
程中的失真率，利用HVS实现对水印图像的深度嵌入和隐藏，以此提高鲁棒性和
保真度.但该方案是基于DCT域进行的，没有充分利用HVS特性.Fazli A R等[5]
采用直接序列码分多址的方法来编码水印图像，由熵准则确定水印嵌入到哪个小波块中，提高了安全性和鲁棒性.Korus P等[6]采用喷泉码的范例设计了一个方便的
类似于传统分组网络的水印通信架构，该架构可以直接和水印内容自适应编排在一起，抗剪切能力强，支持多数据流，提高了鲁棒性.
笔者提出了一种新的基于喷泉码和HVS的Contourlet域的扩频数字水印方案.首先，提出基于HVS的针对Contourlet变换的视觉掩蔽，利用此掩蔽在Contourlet域里选择合适的嵌入位置和强度，提高该方案的保真度.其次，采用喷泉码和扩频水印技术提高安全性和鲁棒性.最后，仿真实验证实了新水印方案的优
越性能.
1.1 喷泉码和扩频水印原理
喷泉码是一类性能很好的基于图的线性纠删码，其中LT码是喷泉码的一种实现形式.LT码编码速率较高且动态可变，每个码字独立随机，适用于删除概率未知的信道.而且，其译码方式简单有效，只要接收端收到比原信息长度略多的码字，就能
将所有信息还原[7].
扩频水印是借鉴扩频通信技术而发展的一种水印方案，其信道容量为[8]
其中为通过此信道的信号功率，为噪音功率，W为信道带宽.由(1)式可知，对于给定的信道容量C，可以采用不同的带宽W和信噪比的组合来传输信息.当噪音功率很大时，可以增加带宽W来保证通信质量，降低通信差错率.将C看作宿主图像，看作水印信息，则可以将扩频通信技术应用到扩频水印技术上[9].
1.2 Contourlet变换
Contourlet变换突破了小波变换对图像表示的局限，能将图像的亮度、纹理、边缘等局部相关特征表示出来，是对图像真正的二维频域表示[10]，且该变换的每层由LP变换和DFB分解组成.
2.1 待嵌入水印信息的生成
首先，将二值原始水印转换为一维二进制序列w=(w1,w2,…,wn)T；其次，对w 进行喷泉码编码，得到编码后长度为m的序列∈{0,1},1≤i≤m)；然后，根据密钥向量k采用混沌技术生成2个长度为r的用于扩频的伪随机序列，
其中r的取值由宿主图像能容忍的嵌入容量决定.嵌入容量大，则r取较大值，反之，取较小值.
令待嵌入水印为
2.2 水印嵌入过程
(1)对宿主图像I进行l层LP变换和d维DFB方向分解，得到变换后的系数(i,j)，该系数即为Contourlet变换后第l层第d维的方向子带上位于(i,j)位置上的系数.
(2)令加入水印后的系数为
其中w*嵌入的顺序为自左至右，(i,j)被嵌入的顺序为从高频到低频.现对视觉掩蔽(i,j)说明如下：人眼对高频子带中位于30°和60°方向的子带的噪音敏感度低，但对低频子带的改变非常敏感，所以
其中d仅取位于30°和60°方向的子带标号.
考虑到人眼对于高亮度或黑暗区域处的噪声敏感度较小，所以
其中L表示LP变换层数.
当宿主图像受到剪切、缺失等攻击时，只要高频部分图像的边缘和纹理保存完好，就可以恢复大部分图像信息.低频能量集中的位置如果信息缺失，则会对图像恢复造成无法弥补的后果.考虑到人眼对位于图像纹理丰富区域的噪声不敏感，位于物体边缘处的噪声异常敏感这一特性，故有
(3)对进行Contourlet逆变换，得到含水印信息的图像I′.
2.3 水印提取
(1)对I′进行Contourlet变换，得到C′；
(2)计算w*；
(3)对w*进行相关性解扩，由喷泉码解码得到水印图像.
3.1 水印的嵌入和提取测试
使用Matlab 2012进行仿真实验，宿主图像采用标准灰度图像
Lena(1 024×1 024)(图1).水印图像采用有“copyright”字样的二值图像
(126×64)(图2).Contourlet变换采用3层LP分解，8方向DFB分解.令
k=(0.6,09)，r=4.嵌入水印信息后的图像如图3所示，提取出的水印图像如图4所示.
3.2 保真度的测试
采用基于HVS的自顶向下与自底向上图像质量评价算法(Diagram of Top￣down and Bottom￣up Quality Map，TBQM).[11]由TBQM算法得出0～1之间的实数，越靠近1表示保真度越高.
本研究仅测试在相同嵌入容量下的不同方案的保真度，尽可能排除对鲁棒性的考虑.新水印方案与文献[3，5-6]的水印方案相比较，其TBQM值见表1.
由表1可知，新水印方案与文献[3，5-6]的水印方案相比，在嵌入相同信息容量的情况下，前者TBQM值最高，这说明新水印方案在对宿主图像保真度方面优于文
献[3，5-6].
3.3 鲁棒性的测试
为测量水印图像鲁棒性，令相关系数NC为
其中：M，N表示水印图像的宽度和高度；W*表示原始水印图像；W表示重新提取的水印图像.NC的取值在0～1之间，越靠近1说明鲁棒性越强.
为了得到公平的NC值，控制相同的保真度和嵌入水印信息，令JPEG压缩质量因子Q为30，50，80，均值滤波窗口大小为3×3，5×5，中值滤波窗口大小为
2×2，高斯滤波窗口大小为9×9，对比度增强百分比为30%，50%，剪切大小为
1/8，1/4和1/2，旋转度数为15°,30°，等比例放大1.3，1.7倍.NC值的测试结
果如表2所示.
由表2可知，新水印方案在受到JPEG压缩攻击(Q=80)，均值滤波(5×5)，高斯滤波(9×9)，剪切1/8的情况下，NC值接近于1，且优于文献[3，5-6]中的方案；
在受到JPEG压缩攻击(Q=30，50)，均值滤波(3×3)，中值滤波(2×2)，对比度增强(30%，50%)，剪切1/4的情况下，其NC值仍然很高，且优于其他文献的算法；在受到剪切1/2，旋转度数为15°，30°，等比例放大1.7倍等几何攻击时，新水
印方案和其他文献中的水印方案的NC值下降很快，但新水印方案的NC值仍然满足正常读取水印的要求，且优于其他文献方案的NC值.
提出基于HVS的针对Contourlet变换的视觉掩蔽，利用此视觉掩蔽在Contourlet域里选择适当的嵌入强度和嵌入位置，提高了水印方案的保真度.采用喷泉码编码和扩频水印技术对水印图像进行预处理加密，增强水印方案抵抗常见水印攻击的能力.与文献[3,5-6]中水印方案相比，新水印方案在受到相同攻击时，有
较高的鲁棒性，且算法设计思路简单，具有较强的实用意义.如何用数学模型量化HVS，以此来提高视觉掩蔽的效率和水印方案的保真度，将是下一步需要解决的
问题.
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