！ＱＱ Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ Ｔ技术 基于小波变换的数字水印技术的实现 周天琦’ 邓凡 ００８６） （１．北方民族大学 ７５００２１； ２．西安武警工程学院 ７１摘要：当今是一个数字化时代，数字水印技术的出现很好的解决了信息安全方面的问题。 本文结合人类视觉特性，利用了一种基于离 散小波变换的非盲水印算法在一幅彩色图像中实现了水印技术的嵌入。 关键词：数字水印 人眼视觉特性 小波变换 中图分类号；ＴＰ ３ ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）１ ２（ｂ）一００４４—０１ 将水印嵌入中频段以及多次嵌入水印低频 小波系数的方法来增强水印的鲁棒性。 小波变换对图像能量具有较好的集中 作用。如果用于图像压缩，有望得到高质 量、高压缩比的图像压缩算法。小波变换 随着计算机技术和网络技术的飞速发 展，使得人们对信息的需求从过去单一的 文本数据逐渐延伸到数字化信号集成的多 媒体信息。目前对多媒体数字版权保护的 研究中，刚刚发展起来的数字水印技术被 在水印生成时会根据人类感知系统的掩蔽特 性或结合原始载体的时空域特性或频域特性 使生成的水印信号具有自适应性。 小波变换具有时域和频域的良好局部 化特性及自动调节时频窗的特点，它能够 认为是一种最具潜力的版权保护方法。但 将一个信号分解成对空间和时间、频率的 是目前市场上的数字水印产品在技术上还 独立空间，聚焦到被分析信号的任意局部 不成熟，很容易被破坏或破解，还需要进一 细节。用小波变换多分辨率分析功能对图 步的理论支持。 ｌ进行一级小波变换以后，可将原始图像分 所谓数字水印，就是通过一定的算法 解成四个子图（见图２），分别是水平方向、 将一些标志性信息直接嵌入到数字宿主媒 垂直方向、对角线方向的中高频细节子图 体当中，根据对所加信息要求的不同，这部 和低频逼近子图，每一子图的大小为原图 分加入的信息或可见或不可见，但都不影 的四分之一，然后再将低频逼近子图进一 响原宿主媒体的功能，并对原宿主媒体起 步分解，这样就得到二尺度下的四个子图， 到保护的作用。通常这些加入的水印是含 它们分别是一尺度逼近子图在水平方向、 有版权信息或其它重要信息的数字符号。 垂直方向、对角线方向的中高频细节子图 数字水印生成是数字水印处理过程的第 和两个方向的低频逼近子图。对于二维的 一步关键步骤。构成水印的序列通常应该具 图像信号来说，经过一次ＤＷＴ变换后，图 有不可预测的随机性。由于人类视觉系统对 像被分解为４幅，其中左上角是原图像的 纹理具有极高的敏感性，故水印不应含有过 平滑逼近（低频），左下角为垂直细节，右上 于复杂的纹理。通常意义上说，数字水印生 角为水平细节，右下脚为原图像的细节分 成过程就是在密钥的控制下由原始版权信 量（高频）。然后，可以继续对左上角的低频 息、认证信息、保密信息或其他有关信息生 分量进行同样的第二次、第三次……小波 成适合于嵌入到原始载体中的待嵌入信号的 变换。图像的分解模型如图３、４所示。 过程。在数字水印算法中，往往不是直接嵌 其分辨关系可表示为： 入所需信息，而是通过某种方法生成适合嵌 Ｓ＝ＬＬ１＋ＨＬ ＋ＬＨ ＋ＨＨ ＋ＨＬ， 入的水印，主要基于如下考虑：如果给定的原 ÷ＬＨ、七ＨＨ、＋ＨＬ ＋ＬＨ ＋ＨＨ 始水印是具有特定意义的图像数据，则相邻 经过小波分解后，其低频分量是对原图 的像素或采样间具有很强的相关性，而且一 像的近似，所以在该频段中所加入的水印具 旦提取算法被人知道，攻击者很容易得到水 有较强的鲁棒性。但人眼对于其低频分量 印信息。因此，必须采用一定的措施使水印 加入水印的敏感性要远高于对高频分量加 信息能量分散，消除信息中相邻像素的空间 入信息。另一方面，由于图像的压缩知识可 相关性，提高其抵制图像剪切操作能力，以保 知，在高频段加入的水印在图像进行有损压 证数字水印算法的鲁棒性，同时提高了安全 缩的操作中较易被丢失。综合以上考虑，这 性。另一方面，为了提高水印图像的质量或 种算法对ＪＰＥＧ图像采用了不同基色乘以不 考虑到水印检测的有效性和自恢复性，通常 同加权系数的方法来解决可视失真，并通过 曩 ｜ｊ｛ ＨＬ ｝晰 Ｈ｛ ＨＩＩ ，图１原始图像 图２一级小波分 ■ 图４二维小波三 解后输出矩阵中各 图３三层多分辨 率分解示意图 层分解图 部分系数的位置图 蟓 一伽掰一 ’］ 术 Ｊ：’Ｉ：ｉ嵌入 厂 枷ｊ—ｊ 掰一 ’ ｌ ｌ’ 含水即 缘・一也彩秘 ｊ＋一罔僧的艰构 图５水印的嵌入流程 ４４ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 的这一特性首先可以被用来进行水印信息 的预处理，以实现大容量的水印信息的嵌 入。第二，由于小波变换能够得到不同层 次、不同方向上的细节子图，还可以满足对 不同细节质量的要求。第三，如果将一幅图 像按由低频到高频逐层展开的方式显示，图 像的显示会呈现从大体轮廓——低层细节 再高一层细节的一个逐渐清晰的显示 过程，这符合人类视觉系统（ＨＶＳ）的感知特 性。人眼在接收一幅图像时，并不是逐点进 行的，而是抽取空间、频率或彩色的特征进 行编码。这种特性与小波的分解特性相符 合。结合这一特性，如果在小波域嵌入水印 信息，将能够获得较好的隐蔽性。 以上所讨论的图像处理技术都是面向 单色图像的。然而大多数图像都具有丰富 多彩的色彩。彩色图像提供了比灰度图像 更丰富的信息，人眼睛对彩色图像的视觉 感受比对黑白或多灰度图像的感受丰富的 多。为了更有效的增强或复原图像，在数 字图像处理中广泛应用了彩色处理技术。 彩色图像其每一个像素都可分为Ｒ、Ｇ、Ｂ 三种基色，在向色彩图像嵌入水印时，先将 原始彩色数字图像分解为３个基色分量 、 、 ，分别对该三个基色分量作两层 小波分解。其次，将彩色数字水印同样分解 为三个基色分量Ｆ 、 、 ，分别对其进 行一次小波分解。然后便将彩色数字水印 的三基色分解系数分别对应嵌入到原始彩 色图像的三基色分解系数中，其水印的嵌人 流程见图５，嵌入公式为：水印分解小波分 解。然后，将彩色数字水印同样分解为 Ｃｎ（￣ｍＡ２（ ， ） Ｃ ） （ ，）＋ｒ（ｇ，６）十Ｗｅｍ ｌＡ１（ √） Ｃｎ（』 ＿）Ｈ１（『．，）＝Ｃ州 ＪＨＩ（ｆ．，）＋ｒ（ｇ，６）十ＷＲｍ＾１Ｈ１（ ， ） ＣｍＧ ） （ ， ）＝ＣⅢ６ １ “，Ｊ）十ｒ（ｇ，ｂ） ＷＲｆＧ １ （ ，Ｊ） Ｃ １ＤＪ（ ，Ｊ）＝（ Ⅲ， ）Ｄｌ ／）＋ｒ（ｇ，ｂ） ，Ｄｌ（ ， ） 其中：ｒ（ｇ，ｂ）Ａ２（ｉ，Ｊ）表示原色彩图像的 红色分量Ｒ（或Ｇ、Ｂ）经小波２层分解后的 低频区域中的第ｆ， 各系数的值，其余类 推。并且ｒ：ｇ：ｂ＝２：１：４． 参考文献 【１］孙圣和，陆哲明．牛夏牧数字水印技术及 应用．科学出版社，２００４． 【２］杨波．信息隐藏与数字水印．信息技术， ２００３． 【３】徐佩霞，孙功宪．小波分析与应用实例． 中国科学技术大学出版社，２００１． 【４】姚敏．数字图象处理．机械工业出版社， ２００６．