基于人类视觉特性的自适应水印嵌入方案
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
F（ u， v） = 2 c（ u ） c（ v） ∑ ∑ f （ m ， n） m =0n =0 MN 槡
M － 1N － 1 ［6 ］
。 二维离散 DCT
（ 2 m + 1 ） uπ （ 2 n + 1 ） vπ cos（ ） cos（ ） 2M 2N
自适应地确定出不同区域的水印嵌入强 局部特性进行分析， 度。其计算方法如下：
每幅载体图像都有着不同的色度信息和特征， 根据 HVS
的特性， 边缘和纹理复杂的区域具有更大的视觉掩蔽效应， 而 平滑区域具有更大的视觉敏感度 。本算法要充分利用 HVS 特 性， 根据载体的视觉敏感度进行不同强度的嵌入， 必须首先对 得到不同区域的纹理度水平， 从而确定不 载体图像进行分析， 同区域的嵌入因子的大小 。 传统的寻找纹理活动区域的方法包括基于小波变换的树 型空频域特征方法， 即 FTM 方法。 但此方法的处理包括小波 变换、 全树矩阵（ FTM ） 提取、 纹理分析等一系列操作， 计算繁 杂且时间代价很大。 为了更好地表征图像的区域特征并且花费最小的时间 、 空
： a ） 在经过常见的信号处理和
噪声干扰后仍能很好地保留， 即这些 DCT 系数不应过多地为 信号处理和噪声干扰所改变； b ） 具有较大的感觉容量以便嵌 入水印后不会引起原始图像视觉质量的明显改变 。 第一个要 求是为了保证水印在嵌入图像后有较大的稳健性 。 当加入水 印的 DCT 系数改变较小时， 水印便更可能被保留， 这是显然 的。第二个要求是同时针对不可见性和稳健性而提出的， 较大 的感觉容量意味着在主观视觉效果不变的前提下有较大的改 变裕度， 这也意味着可以嵌入较强的水印信号 。根据这两个要 求， 中低频交流（ AC） 系数作为嵌入水印的位置已被逐渐采用， 并得到共识， 如 Cox 水印方法采用低频 AC 系数。然而被人们 DC 分量比任何 AC 分量更适合嵌入水印 忽视的一个事实是， DC 系数的 信号。这个事实有两方面的理由： 与 AC 系数相比， 振幅大得多， 这意味着 DC 系数有比 AC 系数更大的感觉容量； 根据信号处理理论， 嵌入水印的图像最有可能遭遇到诸如有损 A / D 和 D / A 转换等信号处理过 压缩、 低通滤波、 次抽样、 插值、 程， 这些过程对 DC 分量的保护比 AC 分量要好， 所以嵌入 DC 分量的水印会比嵌入 AC 分量的水印更加稳健。 因此， 在 DCT DC 分量更适合于嵌入水印 。 域， 就稳健性而言， 图像嵌入水印可视为在强背景下叠加一个弱信号， 根据视 觉系统特性， 仅当叠加的信号超过一定的强度时， 它才可以被 视觉系统检测到。叠加信号的可见性门限受到背景照度 、 背景 的纹理复杂性、 背景和信号的空间频率所影响 。本文提出的水 印算 法 将 利 用 视 觉 系 统 的 纹 理 掩 蔽 特 性， 根据空域中基于 NVF 块的纹理度分类结果， 实现水印嵌入强度自适应控制 。 3. 1 水印嵌入算法 1 ） 水印信号预处理
性， 通过噪声可见函数（ NVF） 对图像块复杂度的计算， 提出了一种在 DCT 直流系数进行嵌入的水印算法。 该算 法能够根据图像块复杂度计算结果实现嵌入强度的自适应控制。实验结果表明， 所提算法相比已有算法提高了 嵌入容量和嵌入强度的自适应控制程度， 并且一定程度上避免了由于 DC 系数嵌入数据所出现的块效应现象， 对图像处理和常见的图像攻击也具有很好的稳健性。 关键词： 数字水印； 噪声可见函数； 人类视觉特性； 直流系数 中图分类号： TP391 文献标志码： A 文章编号： 1001-3695 （ 2011 ） 10-3817-03 3695． 2011． 10． 057 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001-
Adaptive image watermarking technique based on human visual system
2 LUO Peng1 ，SU Yang1 ，YANG Xiaoyuan1， ，LIU Yuan1
（ 1 ． Key Laboratory of Network ＆ Information Security Under Chinese Armed Police Force，Dept． of Electronic，Engineering College of Armed Police Force，Xi’ an 710086 ，China； 2 ． Key Laboratory of Network ＆ Information Security of Ministry of Education，Xidian University，Xi’ an 710071 ，China）
［5 ］
法， 广泛应用于数字文件真伪识别 、 网络的秘密通信、 隐含标题 与注释、 使用控制等， 一经提出就成为多媒体信息安全领域的 一个研究热点
［1 ］
， 也是近几年来国际学术界兴起的一个前沿
研究领域。它将具有特定意义的水印信息嵌入到数字产品中， 以证明创作者对其作品的所有权， 并可作为鉴定、 起诉非法侵 权的证据， 同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完 整可靠性。 不可见性和鲁棒性是数字水印系统最重要的特性， 水印的 不可见性取决于人眼的视觉特性 。 水印嵌入可看做是在强背 景（ 载体图像） 下迭加一个弱信号（ 水印图像） 。 只要迭加信号 的幅值低于人眼视觉特性对比度门限， 视觉系统就无法感觉到 信号的存在。该思想可借鉴到水印系统的设计中， 利用人的视 在不超出 JND 觉系统特性，
NVF（ i，j） = 1 － 1 1 + θσ2 j） x （ i，
f（ m， n） =
2 M － 1N － 1 v） c（ u） c（ v） ∑ ∑ F（ u， MN u = 0 v = 0 槡 （ 2）
（ 2 m + 1 ） uπ （ 2 n + 1 ） vπ cos（ ） cos（ ） 2M 2N
0
引言
数字水印技术为版权保护提供了一个行之有效的解决方
于这一思想， 国内外的许多学者
［2 ～ 4 ］
提出了利用视觉模型来判
断水印加在图像上的位置及可加水印强度上限的水印嵌入方 法， 该嵌入方法既保证水印的不可见性， 又能尽可能地增大水 印强度来抵抗压缩等攻击 。 图像数字水印研究领域， 在水印嵌入位置的选择上， 可分 为空域嵌入和变换域嵌入 。 由于空域嵌入存在鲁棒性弱和水 1997 年 Cox 等人提出了一种基 印信号能量局部集中的问题， 于离散余弦变换（ DCT） 低频信号的扩频水印算法， 为数字水印 技术提供了新思路。其主要依据是感觉上重要的分量是图像 信号的主要成分， 携带较多的信号能量， 在图像有一定失真的 情况下， 仍能保留主要成分。 因此， 若将水印嵌入到感觉上重 稳健性较好。当然， 为了保证不可见性， 对感觉上 要的分量中， 重要分量的改变应小心进行 。一些学者进行了折中， 把水印放 在 DCT 域的中频系数上。尽管 Cox 等人的观点已逐渐为人们 DC （ 直流） 分 所赞同和采纳， 但在基于块 DCT 的水印算法中， 量总是被明确地排除在外 。 这样处理的考虑是避免加水印的 图像出现块效应现象。黄继武等人
［2 ］
（ just noticeable difference） 约束的
情况下， 使水印的能量取得最大值， 以保证水印的鲁棒性。 基
收稿日期： 2011-03-11 ； 修回日期： 2011-04-17 04 ）
根据对图像块 DCT 系数
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 60573036 ） ； 武警部队科研基金课题（ wxk2010-
作者简介： 罗鹏（ 1988-） ， 男， 内蒙古乌兰察布人， 硕士研究生， 主要研究方向为数字水印、 信息隐藏（ peng． luo0208@ gmail． com ） ； 苏旸（ 1975-） ， 男， 副教授， 博士， 主要研究方向为信息安全 、 密码学； 杨晓元（ 1959-） ， 男， 教授， 硕士， 主要研究方向为密码学、 信息安全； 刘圆（ 1986-） ， 女， 硕士研 究生， 主要研究方向为信息隐藏 ．
· 3818·
计 算 机 应 用 研 究
第 28 卷
定性 / 定量的分析， 提出一个新的观点： 从稳健性的角度， 在保 DC （ 直流） 分量比 AC （ 交流） 分量 证水印不可见性的前提下， 本文提出一种基于 DCT 直 更适合于嵌入水印。 在此基础上， 流系数的水印嵌入算法 。
2
基于 NVF 的图像纹理度测定
［5 ］
2 其中： θ 是根据特定图像选取的调节参数， σ x （ i，j ） 是在以坐标
（ i，j） 为 中 心 的 一 个 窗 口 内 的 图 像 局 部 方 差， 如式（ 4） （ 5） 所示：
j） = σ2 x （ i， 1 （ 2L + 1）
L L
∑ 2 k =∑ －L l= －L
L
（ x（ i + k） ， （ j + l） － x（ x， j） ）
（ 1）
［7 ］ 本算法采用噪声可见性函数（ NVF ） 对载体图像的 间代价，
1
1. 1
DCT 直流系数嵌入水印
DCT 变换 DCT 是数字图像处理以及信号处理 常 用 的 一 种 正 交 变
具有压缩比高、 误码率小、 信息集中和计算复杂性综合效果 换， 较好等优点， 是图像编码的核心技术之一 及 IDCT 公式如下：
第 28 卷第 10 期 2011 年 10 月
计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers
Vol． 28 No． 10 Oct． 2011
基于人类视觉特性的自适应水印嵌入方案
罗
1 鹏 ，苏 1 1， 2 旸 ，杨晓元 ，刘
*
圆
1
（ 1． 武警工程学院 电子技术系 网络与信息安全武警部队重点实验室，西安 710086 ； 2． 西安电子科技大学 网络 信息安全教育部重点实验室，西安 710071 ） 摘 要： 针对已有算法在嵌入量和嵌入强度自适应控制方面存在的问题， 结合人类视觉对纹理区域的感知特
（ 3）
f（ m， n ） 存在两种 DCT 方法， n ） 看成 其中， 一种是把图像 f （ m， Cox 采 直接对其进行 DCT 变换， 然后嵌入水印， 一个二维矩阵， 用此种方法； 另一种是与 JPEG 压缩标准相统一， 先把图像分 再分别对每一块进行 DCT 变换， 进而嵌 成 8 × 8 的不同小块， 入水印。本文采用后一种方法嵌入水印 。 1. 2 DC 分量上嵌入水印 在 DCT 域， 不同的 DCT 系数作为水印载体对水印的稳健 性有不同的影响。为使水印具有较好的稳健性， 用来嵌入水印 的 DCT 系数应满足如下条件
Abstract ： In order to improve the capacity and selfadaptive control of embedding intensity， this paper proposed a new method which combined noise visibility function （ NVF ） and human for embedding information into DC coefficients of DCTdomain， visual system which was sensitive to texture features． The algorithm could control the embedding intensity selfadaptively， according to block complexity of images computed using NVF． Experimental results show that the proposed algorithm improves the and to some extent， avoids the block effect caused by the embedding capacity and selfadaptive control of embedding intensity， information． Additionally，it is robust against common image processes and attacks． Key words： digital watermarking； noise visible function； human visual system（ HVS） ； DCcoefficient
L
2
（ 4） （ 5）
Baidu Nhomakorabea
珋 x （ i，j） =
1 （ 2L + 1）
∑ ∑ 2k= －L l= －L
（ x（ i + k） ， （ j + l） ）
在 NVF 的计算过程中， θ 是依据特定图像选取的调节参 它起到了调节对比度的作用， 为了使 θ 依赖于所研究的 数， 图像。
θ= D σ2 x （ 6）
M － 1N － 1 ［6 ］
。 二维离散 DCT
（ 2 m + 1 ） uπ （ 2 n + 1 ） vπ cos（ ） cos（ ） 2M 2N
自适应地确定出不同区域的水印嵌入强 局部特性进行分析， 度。其计算方法如下：
每幅载体图像都有着不同的色度信息和特征， 根据 HVS
的特性， 边缘和纹理复杂的区域具有更大的视觉掩蔽效应， 而 平滑区域具有更大的视觉敏感度 。本算法要充分利用 HVS 特 性， 根据载体的视觉敏感度进行不同强度的嵌入， 必须首先对 得到不同区域的纹理度水平， 从而确定不 载体图像进行分析， 同区域的嵌入因子的大小 。 传统的寻找纹理活动区域的方法包括基于小波变换的树 型空频域特征方法， 即 FTM 方法。 但此方法的处理包括小波 变换、 全树矩阵（ FTM ） 提取、 纹理分析等一系列操作， 计算繁 杂且时间代价很大。 为了更好地表征图像的区域特征并且花费最小的时间 、 空
： a ） 在经过常见的信号处理和
噪声干扰后仍能很好地保留， 即这些 DCT 系数不应过多地为 信号处理和噪声干扰所改变； b ） 具有较大的感觉容量以便嵌 入水印后不会引起原始图像视觉质量的明显改变 。 第一个要 求是为了保证水印在嵌入图像后有较大的稳健性 。 当加入水 印的 DCT 系数改变较小时， 水印便更可能被保留， 这是显然 的。第二个要求是同时针对不可见性和稳健性而提出的， 较大 的感觉容量意味着在主观视觉效果不变的前提下有较大的改 变裕度， 这也意味着可以嵌入较强的水印信号 。根据这两个要 求， 中低频交流（ AC） 系数作为嵌入水印的位置已被逐渐采用， 并得到共识， 如 Cox 水印方法采用低频 AC 系数。然而被人们 DC 分量比任何 AC 分量更适合嵌入水印 忽视的一个事实是， DC 系数的 信号。这个事实有两方面的理由： 与 AC 系数相比， 振幅大得多， 这意味着 DC 系数有比 AC 系数更大的感觉容量； 根据信号处理理论， 嵌入水印的图像最有可能遭遇到诸如有损 A / D 和 D / A 转换等信号处理过 压缩、 低通滤波、 次抽样、 插值、 程， 这些过程对 DC 分量的保护比 AC 分量要好， 所以嵌入 DC 分量的水印会比嵌入 AC 分量的水印更加稳健。 因此， 在 DCT DC 分量更适合于嵌入水印 。 域， 就稳健性而言， 图像嵌入水印可视为在强背景下叠加一个弱信号， 根据视 觉系统特性， 仅当叠加的信号超过一定的强度时， 它才可以被 视觉系统检测到。叠加信号的可见性门限受到背景照度 、 背景 的纹理复杂性、 背景和信号的空间频率所影响 。本文提出的水 印算 法 将 利 用 视 觉 系 统 的 纹 理 掩 蔽 特 性， 根据空域中基于 NVF 块的纹理度分类结果， 实现水印嵌入强度自适应控制 。 3. 1 水印嵌入算法 1 ） 水印信号预处理
性， 通过噪声可见函数（ NVF） 对图像块复杂度的计算， 提出了一种在 DCT 直流系数进行嵌入的水印算法。 该算 法能够根据图像块复杂度计算结果实现嵌入强度的自适应控制。实验结果表明， 所提算法相比已有算法提高了 嵌入容量和嵌入强度的自适应控制程度， 并且一定程度上避免了由于 DC 系数嵌入数据所出现的块效应现象， 对图像处理和常见的图像攻击也具有很好的稳健性。 关键词： 数字水印； 噪声可见函数； 人类视觉特性； 直流系数 中图分类号： TP391 文献标志码： A 文章编号： 1001-3695 （ 2011 ） 10-3817-03 3695． 2011． 10． 057 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001-
Adaptive image watermarking technique based on human visual system
2 LUO Peng1 ，SU Yang1 ，YANG Xiaoyuan1， ，LIU Yuan1
（ 1 ． Key Laboratory of Network ＆ Information Security Under Chinese Armed Police Force，Dept． of Electronic，Engineering College of Armed Police Force，Xi’ an 710086 ，China； 2 ． Key Laboratory of Network ＆ Information Security of Ministry of Education，Xidian University，Xi’ an 710071 ，China）
［5 ］
法， 广泛应用于数字文件真伪识别 、 网络的秘密通信、 隐含标题 与注释、 使用控制等， 一经提出就成为多媒体信息安全领域的 一个研究热点
［1 ］
， 也是近几年来国际学术界兴起的一个前沿
研究领域。它将具有特定意义的水印信息嵌入到数字产品中， 以证明创作者对其作品的所有权， 并可作为鉴定、 起诉非法侵 权的证据， 同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完 整可靠性。 不可见性和鲁棒性是数字水印系统最重要的特性， 水印的 不可见性取决于人眼的视觉特性 。 水印嵌入可看做是在强背 景（ 载体图像） 下迭加一个弱信号（ 水印图像） 。 只要迭加信号 的幅值低于人眼视觉特性对比度门限， 视觉系统就无法感觉到 信号的存在。该思想可借鉴到水印系统的设计中， 利用人的视 在不超出 JND 觉系统特性，
NVF（ i，j） = 1 － 1 1 + θσ2 j） x （ i，
f（ m， n） =
2 M － 1N － 1 v） c（ u） c（ v） ∑ ∑ F（ u， MN u = 0 v = 0 槡 （ 2）
（ 2 m + 1 ） uπ （ 2 n + 1 ） vπ cos（ ） cos（ ） 2M 2N
0
引言
数字水印技术为版权保护提供了一个行之有效的解决方
于这一思想， 国内外的许多学者
［2 ～ 4 ］
提出了利用视觉模型来判
断水印加在图像上的位置及可加水印强度上限的水印嵌入方 法， 该嵌入方法既保证水印的不可见性， 又能尽可能地增大水 印强度来抵抗压缩等攻击 。 图像数字水印研究领域， 在水印嵌入位置的选择上， 可分 为空域嵌入和变换域嵌入 。 由于空域嵌入存在鲁棒性弱和水 1997 年 Cox 等人提出了一种基 印信号能量局部集中的问题， 于离散余弦变换（ DCT） 低频信号的扩频水印算法， 为数字水印 技术提供了新思路。其主要依据是感觉上重要的分量是图像 信号的主要成分， 携带较多的信号能量， 在图像有一定失真的 情况下， 仍能保留主要成分。 因此， 若将水印嵌入到感觉上重 稳健性较好。当然， 为了保证不可见性， 对感觉上 要的分量中， 重要分量的改变应小心进行 。一些学者进行了折中， 把水印放 在 DCT 域的中频系数上。尽管 Cox 等人的观点已逐渐为人们 DC （ 直流） 分 所赞同和采纳， 但在基于块 DCT 的水印算法中， 量总是被明确地排除在外 。 这样处理的考虑是避免加水印的 图像出现块效应现象。黄继武等人
［2 ］
（ just noticeable difference） 约束的
情况下， 使水印的能量取得最大值， 以保证水印的鲁棒性。 基
收稿日期： 2011-03-11 ； 修回日期： 2011-04-17 04 ）
根据对图像块 DCT 系数
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 60573036 ） ； 武警部队科研基金课题（ wxk2010-
作者简介： 罗鹏（ 1988-） ， 男， 内蒙古乌兰察布人， 硕士研究生， 主要研究方向为数字水印、 信息隐藏（ peng． luo0208@ gmail． com ） ； 苏旸（ 1975-） ， 男， 副教授， 博士， 主要研究方向为信息安全 、 密码学； 杨晓元（ 1959-） ， 男， 教授， 硕士， 主要研究方向为密码学、 信息安全； 刘圆（ 1986-） ， 女， 硕士研 究生， 主要研究方向为信息隐藏 ．
· 3818·
计 算 机 应 用 研 究
第 28 卷
定性 / 定量的分析， 提出一个新的观点： 从稳健性的角度， 在保 DC （ 直流） 分量比 AC （ 交流） 分量 证水印不可见性的前提下， 本文提出一种基于 DCT 直 更适合于嵌入水印。 在此基础上， 流系数的水印嵌入算法 。
2
基于 NVF 的图像纹理度测定
［5 ］
2 其中： θ 是根据特定图像选取的调节参数， σ x （ i，j ） 是在以坐标
（ i，j） 为 中 心 的 一 个 窗 口 内 的 图 像 局 部 方 差， 如式（ 4） （ 5） 所示：
j） = σ2 x （ i， 1 （ 2L + 1）
L L
∑ 2 k =∑ －L l= －L
L
（ x（ i + k） ， （ j + l） － x（ x， j） ）
（ 1）
［7 ］ 本算法采用噪声可见性函数（ NVF ） 对载体图像的 间代价，
1
1. 1
DCT 直流系数嵌入水印
DCT 变换 DCT 是数字图像处理以及信号处理 常 用 的 一 种 正 交 变
具有压缩比高、 误码率小、 信息集中和计算复杂性综合效果 换， 较好等优点， 是图像编码的核心技术之一 及 IDCT 公式如下：
第 28 卷第 10 期 2011 年 10 月
计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers
Vol． 28 No． 10 Oct． 2011
基于人类视觉特性的自适应水印嵌入方案
罗
1 鹏 ，苏 1 1， 2 旸 ，杨晓元 ，刘
*
圆
1
（ 1． 武警工程学院 电子技术系 网络与信息安全武警部队重点实验室，西安 710086 ； 2． 西安电子科技大学 网络 信息安全教育部重点实验室，西安 710071 ） 摘 要： 针对已有算法在嵌入量和嵌入强度自适应控制方面存在的问题， 结合人类视觉对纹理区域的感知特
（ 3）
f（ m， n ） 存在两种 DCT 方法， n ） 看成 其中， 一种是把图像 f （ m， Cox 采 直接对其进行 DCT 变换， 然后嵌入水印， 一个二维矩阵， 用此种方法； 另一种是与 JPEG 压缩标准相统一， 先把图像分 再分别对每一块进行 DCT 变换， 进而嵌 成 8 × 8 的不同小块， 入水印。本文采用后一种方法嵌入水印 。 1. 2 DC 分量上嵌入水印 在 DCT 域， 不同的 DCT 系数作为水印载体对水印的稳健 性有不同的影响。为使水印具有较好的稳健性， 用来嵌入水印 的 DCT 系数应满足如下条件
Abstract ： In order to improve the capacity and selfadaptive control of embedding intensity， this paper proposed a new method which combined noise visibility function （ NVF ） and human for embedding information into DC coefficients of DCTdomain， visual system which was sensitive to texture features． The algorithm could control the embedding intensity selfadaptively， according to block complexity of images computed using NVF． Experimental results show that the proposed algorithm improves the and to some extent， avoids the block effect caused by the embedding capacity and selfadaptive control of embedding intensity， information． Additionally，it is robust against common image processes and attacks． Key words： digital watermarking； noise visible function； human visual system（ HVS） ； DCcoefficient
L
2
（ 4） （ 5）
Baidu Nhomakorabea
珋 x （ i，j） =
1 （ 2L + 1）
∑ ∑ 2k= －L l= －L
（ x（ i + k） ， （ j + l） ）
在 NVF 的计算过程中， θ 是依据特定图像选取的调节参 它起到了调节对比度的作用， 为了使 θ 依赖于所研究的 数， 图像。
θ= D σ2 x （ 6）