一种基于纠错编码的小波域数字图像水印技术1【WORD可复制可编辑】

一种基于纠错编码的小波域数字图像水印技术1【WORD可复制可编辑】 一种基于纠错编码的小波域数字图像水印技术1 阙大顺，陈杰，姚涛 武汉理工大学信息工程学院,430063, E-mail:dsque@sina.com 摘 要:本文提出了一种基于纠错编码的小波域数字水印算法～该算法在检测时不需要原始 图像～实现了盲检。算法中对水印图像进行了置乱和混沌加密处理～提高了抗几何攻击的能 力～并且提高了安全性～纠错编码的引入使水印抗攻击能力明显增强。实验结果明该算法 较好的保持了图像质量～并对一般的信号处理～如剪切、JPEG 压缩、噪声等有很好的鲁棒 性。 关键词:纠错编码 小波变换 图像置乱 混沌序列 1(引言 随着多媒体数据在网上交易和传送的日益增多,由于数字信息极易被篡改、复制与散布, 如何对数字作品的知识产权进行保护已经成为迫切需要解决的问题[1]。近年来迅速发展起来 的数字水印技术为解决该问题提供了一种新的有效途径[2]。数字水印是以噪声的形式，向数 字产品中嵌入版权信息，在不影响视觉和听觉效果的前提下，达到版权保护的目的。 小波变换域上的数字水印方法兼具时空域方法和 DCT 变换域方法的优点，基于 DWT 域的数字水印技术是目前主要的研究方向。盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据，而 且盲水印的检测更方便、安全，是目前研究的一个重点。目前，国内外提出了许多有关盲水 印的算法，但这些算法大都需要提供原始图像的部分信息，如水印的嵌入位置信息等，因此 不是一种真正意义上的盲水印。本文提出了一种小波域的盲水印算法，该算法利用鲁棒性小 波嵌入理论在小波变换的低频区域嵌入，并且水印在检测和提取过程中不需要任何来自原始 图像的信息。为进一步提高盲水印的鲁棒性，引进了简单的纠错编码技术。 2(纠错原理和纠错码的编码方法 (l)纠错原理 本算法采用(7，4)汉明码[3]。(7，4)汉明码，最小码距 d0 为 3，所以它是可以纠正单个 随机错误的高效率分组码。 (2)纠错编码 2k 个 n 重集合 C 称为线形分组码，当且仅当它是 n 维线性空间Vn 中的一个 k 维子空间。 (n, k ) 线性分组码的编码问题是指在满足一定条件下根据 k 个信息元求得 n k 个校验 k 元。由于 (n, k ) 线性分组码字组成了 n 维线性空间 Vn 中的一个 k 维子空间，因此这 2 个码 字完全可由 k 个线性无关的矢量组成，设这 k 个码字分别为: c1, c2 ,......, ck c1 g1, n 1 g1, n 2 ...... g1,0 ...... g 2,0 c2 , m g 2, n 1 ...... ... k c g 1,1 n n ...... g n 1,1 码中任一码字 ci 均可由基底的线性组合生成，即: ci , miG ，其中 mi 为信息元。 (3)译码 T T 设发送端发送 yH , (c ， e)H ，接收端得到码字 xi , ( xn 1, xn 2 ......x0 ) 。由 G 我们可 1 本课题得到武汉理工大学科研基金项目(批准号 2003XJJ216)资助 -1- 以得到一致校验矩阵 H : h11 h1,2 ......h1, n h2,1 ...... h2, n H , ...... ,...... h n n ,1 h n H 与 G 有如下关系: GH T , 0 或 H G T , 0 T 产生错误无非为由 1 变成 0 或者是由 0 变成 1，因此用错误图样 e , (en 1, en 2 ......e0 ) 来 表示，当传送的码字哪位发生错误时，相应的 e 中那位为 1，无错就为 0。 3(水印图像的生成 设二值水印图像W , {wij , 0 , i , M , 0 , j , N} 其中 wij ?{0,1}。本文采用如下处理 完成对原始图像的数字水印加密: (1)对水印图像做置乱处理。采用 Anode 矩阵置乱法，把 K 和变换次数作为密钥传递， 并把置乱后的水印图像按行序变换为一维序列W '(i), { 0 , i , M * N } ，与置乱后水印图像 一一对应。 (2)对水印图像进行纠错编码。首先把W '(i) 分为 L 组长为 4 的码组，然后对每个码组 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 a 进行纠错编码。假设信息元为 ，由生成矩阵 可得监督码6 5 4 3a a a G , 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 元 a2a1a0 。信息元和监督码元组成水印信号经纠错编码后的码元: a6a5a4a3a2a1a0 。水印信 息变为W ''(i){0 , i , 7 , L }。 (3)为了提高水印的安全性，对生成的水印信息进行加密。采用 Logistic 混沌序列对水 印信息做加密处理，产生长度与水印信号相等的序列，再对序列做二值化处理，最后与水印 信息做异或运算。 4(水印信息的嵌入 假设载体图像为 X (i, j) , {0 , i , p, 0 , j , q }(一般 p>M, q>N)。Cox 等认为图像水 印应放在视觉上最重要的分量上。由于视觉上重要的分量是图像信号的主要成分，图像信号 的大部分能量都集中在这些分量上，在图像有一定失真的情况下，仍能保留主要成分，即视 觉上重要的分量的抗干扰能力较强。因此将水印嵌入在这些分量上，可获得较好的鲁棒性。 所以我们选择在低频系数中嵌入水印信息，算法如下: 对原始图像做二级小波变换，根据人眼视觉特性计算出低频各个点的视觉误差门限[4]。 根据门限选取与水印尺寸相同的门限大的小波系数，并根据门限的大小选取一个阈值把系数 分成两类，大于门限的为?类，小于门限的为?类。 对于第?类将水印信息嵌入在小波系数整数部分的第四位，第?类嵌入在整数部分的第 三位。具体算法如下:如果要嵌入位置数据与水印值相同则不改变小波系数;如果系数值为 1 且水印值为 0，则改变系数值并且把低位整数部分变为 1，如果系数值为 0 且水印值为 1， 则改变系数值并且把低位整数部分变为 1。 5(水印信息的提取 提取过程是嵌入过程的反过程。首先对图像做相同级数的小波变换，再通过计算视觉门 -2- 限得到水印信息嵌入位置，根据嵌入时小波系数的关系提取水印信息。根据提取的水印信息， 对提取的信息元进行纠错。由 G 得校验矩阵 H : 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 H , 1 1 0 1 0 0 1 最后生成与加密处理相同的混沌序列解密，再对图像进行反置乱处理获得检测到的水印 图像。 6(实验结果与分析 本文利用上述算法进行了计算机仿真实验。图 1 左图为 256*256 的 Lena 原始载体灰度 图像，右图为 32*32 的“武汉理工”字样的二值水印图像。做二级小波变换，混沌加密序列 初始值: x01 , 0.613 ， ,1 , 3.784 。 本算法在和 Matlab 6.5 环境下实现。图 2 是嵌入水印后的图像和经置乱加密后的水印图 像;图 3 是对嵌入水印后的图像加入强度为 0.02 的椒盐噪声的图像和提取的水印图像;图 4 是对嵌入水印后的图像用质量因数 60%进行 JPEG 压缩后的图像和提取的水印图像;图 5 是 在竖直方向剪切 84 列后的嵌入水印后的图像和提取的水印图像。表 1 列出了在各种攻击方 式下，检测的图像峰值信噪比 PSNR 和水印的归一化相似度 NC。由实验结果可知，该算法 对常见的图像处理的攻击具有较好的鲁棒性和可感知性。 图 1 左图是原始载体灰度图像， 图 2 左图是嵌入水印后的图像，右 右图为二值水印图像 图是经置乱加密后的水印图像 图 3 左图是含强度为 0.02 的 图 4 左图是用质量因数 60%进 图 5 左图为在竖直方向剪 椒盐噪声的嵌入水印图像， 行 JPEG 压缩后的嵌入水印图 切 84 列后的嵌入水印后的 右图为提取水印图像 像，右图为提取水印图像 图像，右图为提取水印图像 椒盐噪声 竖直剪切 JPEG 压缩 攻击方式 无攻击 (2%) (60%) 84 列 PSNR(db) 44.8651 21.5673 44.3362 26.5720 NC 1 0.9803 0.8935 0.9028 表 1 7(结论 本文提出了一种基于纠错编码和小波变换的数字水印技术，并且实现了盲检。对水印进 -3- 行置乱和混沌加密处理，使水印具有很好的安全性。并且采用纠错编码技术使水印抵抗一般 的攻击具有更好的性能。实验表明本文算法具有较高的安全性和较大的实用价值。 参考文献 [1] Voyatzis G, Ipitas I. The use of watermarks in protection of digital multimedia products. Proc. of the IEEE, 1999,87(7):1197~1207. [2] van Schyndel RG, Tirkel AZ, Osborne CF. A digital watermark. In: Proc. of the ICIP’94, Vol 2. 1994. 86~90. [3] 唐朝京，雷菁. 信息论与编码基础. 长沙:国防科技大学出版社,2002. [4] A.S.Lewis and G.Knowles.Image ComPression Using the 2-D WaveletTransform[J].IEEE Transactions on Image Processing,1992,l(2):244-250. A digital image watermarking based on Error-Correcting Codes in Wavelet Domain DaShun Que，Jie Chen，Tao Yao College of Information and engineering，Wuhan University of Technology,430063 Abstract In this paper，an algorithm of digital image watermark based on wavelet and error-correcting codes is introduced，and the original image is not required for detecting the watermark.. The watermark is scrambled and encrypted by chaotic sequences to improve the capability of resisting geometrical attacking and security. Experimental results show that the proposed algorithm keeps the quality of the image well and is robust against common image processing, such as cut, JPEG compress, and noise. Keywords: error-correcting codes, wavelet transform, image scramble, chaotic sequence 作者简介:阙大顺，男，1963 年生，武汉理工大学信息工程学院副教授，主要研究方向为 信号与信息处理。 -4-