一种DCT域水印嵌入与提取算法研究

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公 式 ，考 虑 到 图 像 块 类 别 的 不 同 ，根 据 提 取 公 式 在 各 块 DC 系数提取水印序列。根据提取出的水印序列及伪随 机噪声序列，得到提取出的二值水印图像。
3 实验结果
远高于设定门限值 5，可以检测到水印的存在。嵌入水 印后的图像经过 JPEG 压缩和中频滤波等破坏后，仍可 以提取出水印。说明这一算法对一系列图像处理操作 有较好的鲁棒性。
2013 年 6 月 15 日 第 36 卷第 12 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
Jun. 2013 Vol.36 No.12
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一种 DCT 域水印嵌入与提取算法研究
王若蕙，傅圣雪
（中国海洋大学，山东 青岛 266100）
摘 要：理论上，讲在 DCT 域的 DC 系数嵌入水印有更好的鲁棒性，而有意义二值图像的优点在于意义直观的。在此提
峰值信噪比（PSNR）用来度量嵌入水印的图像和原
始图像之间的差别，定义如式（4）所示：
PSNR = 10 log10
2552 MSE
（4）
其中，MSE 的定义如式（5）所示：
MSE
=
∑( 1
MN
M i=1
I (i,j)
-
I′(i, j ))2
（5）
式中：（I i，j）是原始图像；I（′ i，j）是嵌入水印后的图像。
（4）对每一原始图像分块进行 DCT 变换，得到各个 频率的变换系数 Block（k u，v），并在各块 DC 系数根据以 式（8）嵌 入 水 印 ，嵌 入 公 式 采 用 乘 法 准 则 。 根 据 weber 定律[12]，awi应小于 0.02，选择 a1=0.006，a2=0.015。
Block′k
参考文献
图 2 原始水印图像
图 3 嵌入水印后的图像
图 4 JPEG 压缩后的图像以及从中提取的水印
图 3 是嵌入水印后的图像，PSNR 值为 47.159 3，可 看出主、客观质量都很好，难以感觉到水印嵌入的痕迹， 满足不可见性的要求。检测试验得，如图 4，图 5 所示， 嵌入水印后的图像经过 JPEG 压缩和中频滤波后，提取 出待测水印与原始水印相似度值为 16.833 3，16.021 5，
（1）将 原 始 图 像 分 为 8×8 像 素 的 互 不 覆 盖 的 图 像
块，记作 Bk，k=0，1，2，…，K-1。 （2）读取二值图像水印，嵌入水印之前，对水印图像
中的 0 和 1 做如式（7）处理。
Ci
=
ì-1，
í î
1，
像素值为0 像素值不为0
（7）
用 Ci对伪随机噪声序列进行调制，用调制之后的序
出了一种 DCT 域的有意义二值图像水印嵌入和检测、提取算法。用二值水印图像调制伪随机序列生产水印序列，将宿主图
像分块并分类，水印嵌入到 DCT 域的 DC 系数。仿真试验了嵌入、攻击和提取过程，表明该算法嵌入的水印有比较好的鲁棒
性和不可见性。
关键词：信息隐藏；数字水印；鲁棒性；DCT
中图分类号：TN919⁃34；TP391
实验结果如图 1~图 5 所示。
图 5 中频滤波后的图像以及从中提取的水印
图 1 原始图像
4结语
本文提出的基于 DCT 变换的静态数字图像水印嵌 入与提取算法特点在于保证水印不可见性的同时将水 印嵌入到 DCT 变换的 DC 系数上，实现了水印嵌入强度 自 适 应 地 调 整 。 仿 真 实 验 证 明 ，该 算 法 简 单 易 行 ，计 算 量小，不会引起图像严重失真，又可保证水印的鲁棒性。
Abstract：The watermark embedded into DC coefficient of DCT domain has strong robustness in theory. The advantage of meaningful binary image is that its meaningful is intuitional. A watermark embedding，detecting and extracting algorithm of meaningful binary image based on DCT domain is presented in this paper. The binary watermark image is used to modulate pseu⁃ do⁃random sequence to produce the watermark sequence. The host image is segmented and classified. The watermark is embed⁃ ded into the DC coefficient of DCT domain. The embedding，attacking and extracting simulation experiment show that the water⁃ mark embedded by this algorithm has good robustness and invisibility.
与伪随机序列等无意义水印相比，有意义图像水印 的优点在于水印意义直观。而有意义图像作水印需将 该图像转换为二值序列。笔者选择用二值水印图像调 制 伪 随 机 序 列 生 产 水 印 序 列 ，将 宿 主 图 像 分 块 并 分 类 ， 水印嵌入到 DCT 域的 DC 系数。 2.1 水印的嵌入
将二值图像水印嵌入到 DCT 域 DC 系数的算法如 下：
代表嵌入水印之后的载体图像，如式（2）所示：
i′ = e(i,w′)
（2）
d 代表水印的检测算法，如式（3）所示：
d
=
(i,
i′,
w,
k)
=
ì1，有水印存在 íî0，没有水印存在
（3）
1.2 水印评价参量
可 以 用 峰 值 信 噪 比（PSNR）的 值 和 相 似 度（NC）的
值来评价某种水印的质量 。 [10]
有无嵌入水印的结论。
水印的提取算法如下：
（1）将待检测图像分为 8×8 的互不覆盖的图像块， 记作 Bk，k=0，1，2，…，K-1。
（2）对每一分块进行 DCT 变换，得到各个频率的变 换系数 Block（k u，v）。根据嵌入式（8）逆推得到水印提取
第 12 期
王若蕙，等：一种 DCT 域水印嵌入与提取算法研究
1 水印基本原理
1.1 六元组水印框架 水印的用途是证明作者的版权，所以需要将水印嵌
入 到 原 作（即 水 印 的 载 体）中 ；为 了 不 破 坏 原 作 的 艺 术 性 ，嵌 入 水 印 后 需 保 持 载 体 的 可 用 以 及 水 印 的 不 可 见 性；需要证明版权时，水印能够提取出来；载体受到攻击 时 ，水 印 能 最 大 化 地 保 持 在 载 体 中 的 嵌 入 ，遭 受 最 小 化 的破坏，即水印具有鲁棒性。Voyatizis 和 Pitas 建立了数 字水印的原理框架 ，他 [10] 们将数字水印算法划分为 3 个 基 本 步 骤 ：水 印 的 生 成 、嵌 入 和 提 取 。 数 字 水 印 的 基 本 框 架 可 以 定 义 为 一 个 六 元 组（i，w，k，g，e，d），应 用 在 图 像载体中，其中的元素定义如下：
i 代表嵌入水印前的载体图像； w 代表原始水印信号，这时的 w 可以是某种序列或
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现代电子技术
2013 年第 36 卷
图像；
k 代表水印密钥，原始水印 w 在密钥 k 的调制下生
成适合嵌入的水印；
g 代表生成最终水印信号 w′的算法，如式（1）所示：
w′ = g(w,k)
（1）
e 代表将最终水印 w′嵌入到载体图像 i 中的算法，i′
列作为实际嵌入的水印信号。
（3）背景纹理越复杂，水印可见性门限就会越高；背
景越亮，水印可见性门限也会越高。据此可根据图像的
局部纹理复杂性，改变水印的嵌入强度。把原始图像块
按 边 缘 点 密 度 分 为 两 类 ：有 [11] 较 弱 纹 理 的 为 S1；较 强 纹 理的为 S2，每一类嵌入水印强度不同，以实现嵌入算法 的自适应性。判定图像块类别的判决门限为 T1，根据经 验设定 T1值为 3。
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2013）12⁃0055⁃03
CT⁃based algorithm of embedding and extracting watermark
WANG Ruo⁃hui，FU Sheng⁃xue
（College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）
IDCT 变换，得到嵌入水印后的图像。
2.2 水印的检测和提取
针对上文水印嵌入算法的水印检测算法如下：
（1）将原始图像和嵌入水印后的图像分别进行 8×8
像素分块，对每一分块进行 DCT 变换，得到各个频率的
DCT 系数。将待检测图像（即嵌入水印后受攻击图像）
各个分块的 DC 系数与原始宿主图像对应分块的 DC 系 数相减，得到待检测水印 W′。
=
ì ïï í
Block′k(u′, v′)(1 Block′k(u′, v′)(1
+ +
a1 w i )， u′ a2 wi)，u′
= =
v′ v′
= =
0且Blockk∈ 0且Blockk∈
S1 S2
îïïBlock′k(u′, v′)，
Otherwise
（8）
（5）最 后 对 各 个 嵌 入 水 印 之 后 8×8 像 素 分 块 进 行
之前多数研究倾向于将水印嵌入到 DCT 域中的中 低 频 系 数 ，而 黄 继 武 等 提 出 DCT 域 的 直 流 分 量 更 适 合 嵌入水印 。 [9] 本文在黄继武等的研究基础上实现了一种 DCT 域的有意义二值图像水印算法。首先，用二值水印
收稿日期：2013⁃02⁃05
图像调制伪随机序列生产水印序列，将宿主图像分块并 分类，对宿主图像的分块做 DCT 变化，将二值图像水印 嵌入到 DCT 域的直流系数。仿真试验显示此算法有较 好的鲁棒性和透明性。
Keywords：information hidding；digital watermark；robustness；DCT
在多媒体通信网络飞速发展和信息传播速度和渠 道日益增加的今天，如何有效地进行版权保护引起人们 日 益 关 注 。 数 字 水 印（Digital Watermarking）技 术 可 以 针对此问题作为实现版权保护的有效途径，于是逐渐演 变成为信息安全研究领域中的热点之一，也成为信息隐 藏技术的一种方法。通过可应用的算法提取水印，即可 作为证明作者版权的证据[1] 。按水印嵌入域的不同可 将 水 印 算 法 分 为 空 间 域 算 法 [2] 和 变 换 域 算 法 [3⁃8]，一 般 来 说 ，变 换 域 算 法 相 较 于 空 间 域 算 法 的 更 为 不 可 见 ，鲁 棒 性 更 强 。 基 于 离 散 余 弦 变 换（Discrete Cosine Transfor⁃ mation，DCT）域的数字水印是目前研究很多的一种数字 水印，也是数字图像处理及信号处理常用的一种正交变 换，是图像编码的核心技术之一 。 [6⁃7]
（2）计算与原水印 W 的相似性，如式（9）所示。
K-1
∑ p(W′, W ) = (xi′ ⋅ xi) i=0
K-1
∑(x i ′)2
i=0
（9）
判断水印是否存在的标准为：若 p 值大于判决门限
T2，可判定待测图像中有水印存在；否则，判定待测图像
中没有水印存在。根据经验设定判决门限 T2 为 5，得出
相似度（NC）用来度量提取出的水印和原始嵌入水
印之间的相似度，定义如式（6）所示：
NC
=

w ⋅ w′
w w′
（6）
式中：w 是原始嵌入水印；w′是提取出的水印。
2 DCTΒιβλιοθήκη Baidu域嵌入和提取水印的算法分析
黄 继 武 等 提 出 ，保 证 水 印 不 可 见 性 的 前 提 下 ，嵌 入 水 印 到 DCT 域 的 直 流（DC）分 量 比 嵌 入 到 交 流（AC）分 量能达到更好的鲁棒性 。 [9] 黄继武等提出 2 点理由：首 先，DCT 域的 DC 系数比 AC 系数的振幅大的多，由 We⁃ ber 定律和视觉系统的照度掩蔽特性可得出 DC 系数比 AC 系数有更大的感觉容量的结论；其次，根据信号处理 理论，嵌入水印的图像最有可能遭遇到的图像处理和攻 击，对 DC 分量的破坏比 AC 分量要少。