基于LSB的数字水印技术研究

第18卷 第4期Vol 118 No 14北京印刷学院学报

Journal of Be iji ng Instit ute of Graphic Co mmunicati on 2010年8月Aug 12010

收稿日期:2010201212

基金项目:北京市教委面上项目(K M 201010015003)

基于LSB 的数字水印技术研究

陈如琪,林国汇,郑良斌

(北京印刷学院,北京102600)

摘 要:信息媒体的数字化为信息的保存和提取提供了极大的方便,特别是随着互联网技术的迅猛发展,图像、语音、文本和视频等数字形式产品的传送空间不断扩大,传送时间也在不断缩短。数字化产品在发布和传送过程中很容易被侵权、盗版或随意篡改,数字产品的信息安全成为世界各国亟待解决的问题。在分析加密技术的基础上,阐述了数字图像的水印技术,研究了空域数字图像水印技术,变换域数字图像水印技术,自适应数字图像水印技术,提出了最低有效位算法改进算法。关键词:数字水印;数字图像;嵌入算法中图分类号:TP393108

文献标识码:A

文章编号:100428626(2010)0420056205

R esearch on L S B W a term a rk T echnology

CHEN R u 2q,i LIN Guo 2hu,i Z H ENG L i ang 2b i n

(Beiji ng Instit u t e of Graph i c Co m m un i cati on,Beiji ng 102600,Ch i n a)

Ab str act :The di g i tiza tion of i nforma ti on med i a can provi de great conven i ence for i n f or m ati on access .Especiall y ,w it h the rapid develo pment of Inte rnet ,d i gita l products s uch as i m age ,aud i o ,text and vi deo ,can be trans m itted m ore rapi d l y i n ti m e and more wide l y i n space .The i nfor m ati on secur ity proble m s urgentl y need to be solved i n t he wor l d because digital products can be easily copied ,pirated or juggled i n the trans m iss i on process .On the base of ana l yzi ng encry p tio n ,expatiate d i gita l i m age wa ter m ark i ng ,disqu i s itio n spatial do m ai n digital i m age water m ark i ng techn i que ,transfor m do m ain and au t oadapta ti on digital i m age wa ter m ark i ng techn i que ,this paper put forward t he i m proved LSB ar it hme ti c .K ey w or ds :d i gita lwater m ark ;di gita l i m age ;e mbed a rith m e 2

tic

随着互联网的逐渐普及和发展,信息媒体的数

字化成为一种必然的发展趋势,越来越多的信息媒体的发布和传输都借助网络以数字的形式进行。信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利条件,同时,也提高了信息表达的效率和准确性。但是随之而来的问题是通过网络传输的数据文件,容易使得有恶意的个人在没有得到许可的情况下,

拷贝和传输有版权的数据内容,因此,如何在网络

环境中,实现有效的版权保护和信息安全手段,成为亟待解决的问题。

数字水印技术是一种信息安全技术,它不同于传统的信息加密技术。传统的信息加密技术是将要保护的多媒体数据文件加密成密文的形式,然后在网络上发布,使得数据传输过程中出现的非法攻击者无法从密文中得到机密信息,从而达到版权保护和信息安全的目的。但是,这种信息加密技术有一定的弊端,首先,加密后的文件由于其不可理解性而妨碍了多媒体信息在网络中的传输;其次,加密后的密文更加容易引起非法攻击者的好奇和注意,并且有被破解的可能性,一旦密文被破解,其内容就成为完全透明。数字水印技术是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权,证明数字产品的真实可靠性,跟踪盗版行为或提供产品的附加信息。秘密信息可以是版权标志,用户序列号或者是产品相关信息

[123]

。

1 数字水印技术的分类

数字水印是加在数字图像、音频或视频等媒体中的信号,这个信号能够建立产品所有权,辨识提供数字产品的一些额外信息。按水印特性可将水印划分为可见水印和不可见水印。可见水印是可以看见的水印,水印在图像中可见。水印在图像中不太醒目,在保证图像质量的前提下,水印很难被去除,水印加在不同的图像中具有一致的视觉效果。不可见水印是一种应用较广泛的水印,被加在图像、音频、视频当中,表面上是不可察觉的,当发生版权纠纷时,所有者可以从中提取出来标记,从而证明该物品的所有权

[425]

。

2 数字图像的数字水印技术

数字图像的数字水印技术是当前水印研究中的重点之一。对图像水印的研究可分为空域水印

技术和变换域水印技术,变换域水印技术又可分为离散傅里叶变换、离散余弦变换、离散小波变换、分形以及神经网络等具体方法。211 数字水印技术的通用模型

水印的嵌入过程如图1所示,水印嵌入就是把水印信号W ={W(k )}嵌入到原始产品X 0={X 0(k)}中,一般的水印嵌入规则可描述为:

X w (k)=X 0(k)⊕h (k)W(k)

其中⊕为某种叠加操作,也可能包括合适的截断操作或量化操作。H ={h (k)}称为2维水印嵌

入掩码。

图1 水印嵌入框图

水印的提取和检测可以作用于任何产品,提取和检测时可以需要原始产品的参与,也可以不需要原始产品的参与。但将水印技术用于产品的网络发布和传播时,在检测时使用原始产品则是个缺陷,当前大多数的水印检测算法不需要原始产品的参与。

图2是水印提取框图。虚框部分表示在提取水印信号时可以不需要原始产品。在某些水印系统中,必须能够精确提取潜入的水印,并且通过水

印的完整性来确认多媒体数据的完整性。

图2 水印提取框图

最早提出的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位(Least Si g nificant Bits LSB )上,这可以保证嵌入的水印是不可见的。212 各种数字图像的数字水印算法21211 空域数字图像水印技术

大多数空域数字水印技术都是针对灰度图像的,用于彩色图像上的水印算法却较少。通过修改RGB 通道的互相关来检验水印的存在。彩色图像的水印技术可分为如下几步。

1)颜色量化技术

为了在256色显示设备中显示RGB 彩色图

像,需要采用颜色量化技术。颜色量化技术的两个主要操作是调色板设计和像素映射。调色板设计的任务是为一特定图像选择一些代表性的颜色。一般情况下,调色板由具有代表性的颜色组成,每种颜色是RGB 彩色图像的三维色。每种颜色是调色板中的一个码字。在颜色量化技术中,调色板对量化图像质量影响很大。调色板算法设计是以最少的计算成本和最小的失真选择最有代表性的颜色。调色板设计完后,执行像素映射过程。像素映射将从调色板中搜寻当前图像像素的最接近颜色。原始彩色图像中的每个像素向调色板中最接近的颜色映射,以产生量化图像。在找到原始图像中每个像素在调色板中最接近的颜色的索引后,与调色板中的颜色对应的索引被存储并用来描述输入图像的颜色。

2)基于颜色量化的水印嵌入过程设主图像是一个具有M @N 像素的RGB 彩色图像,这里x =(x 1,x 2,,,x M @N )。水印w 是一个a @b 位组成的二值图像,这里w =(w 1,w 2,,,w a @b )且w i I {0,1}。水印在嵌入之前用DES 算法加密,以增加安全性,同时,用伪随机数发生器来确定要嵌入的像素的位置。若像素x i 不嵌入水印,则直接存储I i 到颜色索引表中。若像素x i 嵌入水印w i ,则搜索到的颜色索引I i 将进行如下处理以嵌入水印:

若嵌入的水印位和搜索到的颜色索引I i 具有相同的奇偶性,直接存储I i 即可。当w i 与I i 的奇偶位不同时,要在调色板中寻找另一个最近颜色C n ext ,该颜色有索引I nex t ,满足(w i +I next )模2等于0。在像素映射过程完成后,水印就嵌入到主图像中。

3)水印抽取过程

根据密钥确定嵌入水印的图像像素位置。在图像解码的过程中,色彩索引表中的每一个记录将被调色板中的相应颜色替换。当遇到含有水印的记录时,在颜色替换之前相应的水印被抽取。如果记录值是奇数,表示嵌入的水印位是1,否则嵌入的水印位是0。抽取水印位通过DES 解密过程解密。

21212 变换域数字水印技术

在变换域水印算法中,数字图像首先进行一种特定的正交变换,该变换可以针对整个图像或对图像进行分块,再对各块进行变换。嵌入空间是载体的某个频带或某些频带。这些频带对应的变换系

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第4期陈如琪,林国汇,郑良斌:基于LSB 的数字水印技术研究

数遵循一定的规则被修改替换或变换,一般在图像的中频带系数中。变换域水印嵌入算法物理意义清晰,可充分利用人类的感知特性,不可见性和鲁棒性好,与压缩标准兼容。变换域水印技术主要包括离散余弦变换域(DC T )、离散小波变换域(D WT )、离散傅里叶变换域(DFT )、哈德码变换域、Fresne l 变换域、矢量变换域、KLT 变换域、Gabor 变换域、Zernike 变换域等。离散余弦变换域(DCT)是数字信号处理技术中最常用的线性变换之一,离散余弦变换是实变换,具有很好的压缩能力和去相关能力,因此,在图像压缩等领域得到广泛的应用。数字图像JPEG 压缩标准就是建立在余弦变换基础上的。基于JPEG 压缩标准模型的水印算法可以增强水印抵抗J PEG 压缩的能力,因此,离散余弦变换在数字水印处理技术中受到普遍重视。

21213 自适应数字图像水印技术

自适应水印算法有两个层次:第一个层次是水印生成的自适应,第二个层次是水印嵌入的自适应。自适应生成是指利用原始图像的部分或全部信息的水印生成方法。这类方法的好处是使鲁棒性和不透明性达到较好的折中,或便于原始图像的自恢复。自适应嵌入是指水印的嵌入强度、嵌入位置、嵌入信息量随着图像载体数据各部分特性的不同而自适应改变的嵌入方法。21214 抗几何攻击的水印技术

常见的几何攻击有旋转、尺度和平移三种攻击,为使水印技术能够抵抗几何攻击,最常见的处理方法有:

1)采用离散傅里叶变换和对数)))极坐标映射。该方法利用具有几何变换不变性的域进行水印嵌入。

2)采用Radon 变换的水印方法

根据载体图像的特征,在前端和抽取端对参考水印进行几何变换,利用变换结果的互相关来识别所受的攻击。

3)利用二维Radon 2W i n ger 分布的水印方法该技术利用联合空间/频域分析和W inger 分布的投影)))二维R adon 2W i n ger 分布,提出相应的简单有效的水印嵌入和检测算法,并通过一系列攻击来验证算法的有效性。

4)基于模版匹配的嵌入方法

利用模版的数字水印技术是一种能够抵抗几

何攻击的重要技术。模版本身并不携带信息,只是

一种图像几何变换的恢复手段。利用模版的数字水印技术,其水印提取包括利用模版来识别图像可能经历的各种变换和对图像进行逆变换并提取其中水印两个阶段。

5)基于环形对称水印的嵌入方法

该技术利用离散傅里叶变换特性在图像中嵌入扩频水印的数字图像水印系统,所嵌入的水印为单圆环水印。利用这种水印可实现对平移、旋转、尺度变换等攻击的鲁棒性。21215 最优数字图像水印技术

利用神经网络或遗传算法等使含水印图像的失真最小,同时,使水印抵抗常规信号处理操作的鲁棒性最好。

首先给出水印嵌入和抽取过程的一般模型,并对其进行分析,然后研究水印系统对常规图像处理操作的鲁棒性,并指出在抽取过程中出现检测错误的原因。根据这些结果,利用神经网络和反卷积滤波器,对水印抽取过程做相应的改进而得到鲁棒性好的水印系统。遗传算法的主要思想是利用遗传算法来同时优化由鲁棒性和不可见性组成的目标函数。

3 空域水印算法

311 基于融合的数字水印算法

对于给定的两幅尺寸同为M @N 的图像F 与G ,若将它们融合,即

S =

1-t F +t G ,t I

0,1

则称图像S 为图像F 与G 的融合图像,显然,当t 为1的时候,S 就是G ;当t 为0的时候,S 就是F 。t 越大,S 越接近G ,t 越小,S 越接近F 。

假设F 为需要隐藏的图像,G 为原始图像,那么F 的提取恢复算法可以用下式来表示:F c

=

S -tG 1-t

312 基于位平面的通用数字水印模型算法

基于位平面的水印算法就是把水印隐含到位平面中。设原始图像为G ,大小为M @N,那么具体的做法如下。

第一步:先对G 进行k @k ,(1[k [n )的分块,每块为g i,j 。

第二步:将数字水印信息变成二进制数据码流S,假设共有m 位。把S 等分成多份,总份数不多于[n /k]2

,每份数据S i ,j 不要太多,然后把S i ,j 像素隐含到块g i ,j 中。

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北京印刷学院学报2010年

第三步:如果信息隐含到高位平面,则图像鲁棒性较好,但是原始图像的视觉质量下降较大;如果信息嵌入到低位平面,出现的情况正好相反。因此,可以有不同的位平面选择策略,将导致不同的嵌入效果,可以用一个函数f来表示这种选择。

k c=f g i,j,k c I K,其中,K表示可选位平面集合。

第四步:如果在有k@k,(1

4数字水印的设计

数字水印是往多媒体数据中添加某些数字信息以达到版权保护等作用。在绝大多数情况下,希望添加的信息是不可察觉的,并且希望攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。发展数字水印技术的原动力就是为了提供多媒体数据的版权保护。

最低有效位算法(LSB)是一种典型的空间域信息隐藏算法,是基于位平面的水印算法。LSB算法使用特定的密钥通过m序列发生器产生随机信号,然后按一定的规则排列成2维水印信号,并逐一插入到原始图像相应像素值的最低几位。由于水印信号隐藏在最低位,相当于叠加了一个能量微弱的信号,因而在视觉和听觉上很难察觉。LSB水印的检测是通过待测图像与水印图像的相关运算和统计决策实现的。LSB算法可以隐藏较多的信息,但鲁棒性较差。不过,作为一种大数据量的信息隐藏方法,LSB在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。

411LS B改进算法

典型数字水印的空域算法是将信息嵌入到图像点中最不重要的像素位上,再通过记录提取这些信息来检测水印,该种方法具有算法简单、速度快、容易实现等特性,已受到人们高度重视。针对LS B 算法对于压缩、滤波及旋转等图像处理稳健性差的缺点,改进了传统的LS B算法。利用混沌序列对水印预处理,而后利用固定归一化相关嵌入图像数据低位,从而改进了传统LS B算法稳健性差的缺点。412水印信息预处理

混沌区的数据有两个特性:迭代不重复性和初值敏感性。当选定适当系数使方程进入混沌状态时,方程将进行无限不循环迭代,因此,不会出现重复的迭代值。任何人如果不知道其初值,都无法预测下一个迭代值,这种迭代的结果可以用来产生随机序列。

考虑一维离散混沌映射f:U y U,U

x n+1=f(x n,K),x n I U,K I R(1)其中,n=1,2,,表示迭代次数,K是控制系统混沌行为的参数。先由二值水印图像获得水印信号W,然后,利用行扫描将其映射为一维向量W1, W1=W1(i)|W1(i)I0,1,0[i

413水印嵌入

度量鲁棒性最简单的方法就是假设具有高检测值的水印比低检测值的水印鲁棒性更好,这样,检测统计量本身就成了鲁棒性的度量尺度。这里的解决方案是用一个固定归一化相关算法来进行调整,而不是调整线性相关。对每一幅作品,通过直方图处理,将每个像素值由8比特压缩为7比特,将所有像素值的第8个比特作为嵌入区域,在嵌入区域内找到与水印归一化相关期望值最接近的点。嵌入区域是一个以参考向量W r为中心的锥体表面部分,因此,只需要找出锥体上与给定点距离最近的点就可以了。

算法步骤如下:

1)用经过散列处理的混沌序列(其混沌初值作为密钥K1)置乱水印W;

2)给定一个混沌初值(密钥K2)生成混沌序列p r r=1,2,,,,其个数为水印大小;

3)在通过x t,y t直线上,找到离v0最近的点v w;

4)取p r对计算出的新向量v w嵌入水印,得到水印图像l w。

414水印提取

水印提取过程中所用密钥K1和K2与嵌入过程相同。具体步骤如下:

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1)给定密钥K2在图像l w中找到对应的向量v w,得到水印信息w t;

2)再由密钥K1生成二值混沌序列P对W1解调,即

W c1t=W t t⊕P t,t=0,1,2,3,m@n-1;

3)最后按行扫描顺序将W c1映射成二维矩阵W c,W c=W c i,j,0[i

一个安全的水印系统应满足使非法用户不易破坏。与信息加密技术一样,数字水印系统也往往使用密钥来加强水印的安全性。传统的LSB算法由于是用水印信息代替最低有效位,因此,对信号处理的低抗力差,对含水印图像进行简单的滤波处理就无法正确地提取水印。在上文的水印方案中提取水印信息时,不需要原始载体图像,能很好地实现盲提取。本算法利用混沌调制水印信号保证嵌入水印的隐蔽性,由于改变的是图像的最低有效位,从而使水印的不可见性较好;而通过归一化相关期望值找出嵌入点,使得图像的感知失真位于指定范围内,具有较好的鲁棒性;同时,具备了操作简便易行、嵌入信息量大的优点。

415水印嵌入的程序算法实现

嵌入水印的过程是,读入原图像,再读入水印图像,然后将水印扩展为原图像大小,并写入水印代码,将原图像的最低有效位值换为水印的值。显示嵌入水印图像的过程是读入嵌入水印图像并显示它。

嵌入源码

/读入原图像

file_nam e=_'l ena_std_b w.b m p;'

[cover_ob j ec t,m ap]=i m read(file_na m e);

/读入水印图像

file_nam e=k'ey.b m p;'

[m essage,m ap1]=i m read(file_na m e);

m essage1=m essage;

m essage=doub le(m essage);/转换为do uble数

m essage=fix(m essage./2);/转换为0,1组成的矩阵

m essage=uint8(m essage);/转换为ui n t8数

/原图的行数与列数

M c=s i ze(co ver_o b ject,1);/原图的行数

Nc=size(cove r_o b ject,2);/原图的列数

/水印的行数与列数

Mm=size(m essage,1);/水印的行数

Nm=size(m essage,2);/水印的列数

/将水印扩展为原图像大小,并写入wate r m ark

for ii=1B M c

for jj=1B Nc

water m ark(i,i jj)=m essage(mod(i,i Mm)+1,mod(j,j Nm)+1);

end

end

/将原图的最低有效位值换为水印的值

water m arked_i m age=cover_object;

for ii=1B M c

for jj=1B Nc

water m arked_i m age(i,i jj)=bitset(water m arked_i m age (i,i jj),1,wa ter m ark(i,i jj));

end

end

/将嵌入水印图像写入lsb_water m arked.b mp

i m write(wate r m arked_i m age,'l sb_water m arked.b m p,'b'm p)';

/显示嵌入水印图像

fi gure(1)

subp l ot(1,2,1)

i m sho w(wate r m arked_i m age,[])

titl e('嵌入水印图像)'

subp l ot(1,2,2)

i m sho w(cove r_o b ject,[])

titl e('原图像)'

提取水印源码

/读入嵌入水印图像

file_na m e='l sb_wate r ma rked.b m p;'

water m arked_i m age=i m read(file_nam e);

/嵌入水印图像的行数与列数

Mw=size(water m a rked_i m age,1);/嵌入水印图像行数Nw=size(water m arked_i m age,2);/嵌入水印图像列数

/读入原始水印

file_na m e=k'ey.b m p;'

ori g_water m ark=i m read(file_na m e);

,,

/将提取水印变为原始水印大小

water m ark=2*doub l e(water m ark);

for ii=1B Mm-1

for jj=1B Nm-1

water m ark1(ii+1,jj+1)=wa ter m ark(i,i jj);

end

end

water m ark1(1,1)=wa ter m ark(Mm,N m);

/显示提取水印与原始水印

fi gure(4)

subp l ot(1,2,1)

i m sho w(wate r m ark1,[])

titl e('提取水印)'

(下转第63页)

60北京印刷学院学报2010年

} } }

//读操作 sy nchronized(M utex){ readCo unt--; if(readCount

0)//允许写线程执行

M utext .notif y();

}

o写者线程编写规则如下: sy nch ronized(M utex){

//进入同步区,检测是不可写 wh ile(true){

if(wr ite ||readCount>0)//不可写

try{M utex .wait();}//等待写

ca tch(Interrupted Excepti on e)

{} e lse{

wr ite=true ;break ; } }}//写操作

sy nchronized(Mu tex){ write =fa l se ;

M utex .notify A ll();//允许读、写操作

}

注意/等待0进入/临界区0时需要使用wh il e 循环检验进入的条件,因为有可能多个线程同时被唤醒。被唤醒后再次检查进入/临界区0的条件,如果条件不成立,则重新进行/阻塞0状态,等待被唤醒。如此,可以确保每一个/临界区0能够严格按照规定执行。

5 结 语

进程同步互斥问题是操作系统中的重要内容,/读者-写者0问题是同步互斥问题的一个经典实

例。如果能够应用Java 语言的多线程机制编写/读者-写者0问题,则可以举一反三,解决实际问题。参考文献:

[1] 宋艳红,马礼.多线程服务器的设计与实现[J].华北工学院

学报,1998,19(2):1242126.

[2] 帖军,陆际光.同步互斥机制中的读者-写者模型[J].中南

民族大学学报,2005,24(3):67270.

[3] 石敏,金辉.R ecartAgra w la 同步互斥算法的改进[J].计算机

应用研究,2004,21(6):32234.

[4] Scott R .Cannon.Java 程序设计基础[M ].北京:中国水利水

电出版社,2004.

(责任编辑:周宇)

(上接第60页)

subp l ot(1,2,2)

i m sho w(ori g_water m ark ,[])ti tle('原始水印)

'

原图像与嵌入水印后的图像如图3所示。

图3 嵌入水印后的图像与原图像

程序运行首先弹出打开对话框,用户选择嵌入的文件,然后显示加入隐藏信息后的图像,左图为嵌入了隐藏信息的图像,右图为原始图,显示完毕,

弹出保存对话框,用户进行保存。

数字水印技术主要应用于版权保护、数据鉴别、数据监测、使用跟踪、加密和安全通信、I nternet 图像和音频视频发布、数字视频点播系统、卫星数字视频传输、数字图像和视频数据库、数字图书馆、医学图像、数码相机以及电子商务、认证授权的证明、数字新闻电视广播、D VD 版权保护、医学应用等领域。

参考文献:

[1] 杨义先.数字水印基础教程[M ].北京:人民邮电出版

社,2007.

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[5] 薛辉,王平,梁晶.基于像素点灰度值奇偶性的数字图像水印

方案[J].计算机应用研究,2006,23(12):3472348.

(责任编辑:周宇)

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程晓锦:/读者-写者0问题的Java 实现