基于MATLAB的DCT域数字水印技术实现

信息技术　In formation T echnology 2005年第4期基于MAT LAB的DCT域数字水印技术实现李永全(长江大学电子信息学院,荆州434023)摘　要:研究了基于离散余弦变换(DCT)的数字图像水印算法,并借助一种高效实用的编程工具MAT LAB,编程使这种算法得以实现,实验结果表明,对于通常的压缩编码,该算法具有足够的稳健性。

关键词:数字水印;离散傅立叶变换(DCT);MAT LAB中图分类号:TP30912 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2005)04-0066-03R ealization of digital im age w aterm arking technologyin DCT-dom ain based on MAT LABLI Y ong2quan(College of E lectronics and I nform ation,Yangtze U niversity,Jingzhou434023,China)Abstract:This paper discussed the digital image watermarking alg orithms based on Discrete C osine T rans form (DCT),and with an efficiency and practical programming tool—MAT LAB,to realize this alg orithms.The experiment result sindicated that this alg orithm was robust enough to unusual com pacting.K ey w ords:digital watermarking;Discrete C osine T rans form(DCT);MAT LAB0　引言随着计算机和网络通信技术的迅猛发展,多媒体信息(图像、音频、视频)的交换和传输变得异常方便和快捷。

越来越多的数字产品走进了人们的生活,借助Internet人们可发布自己的产品、传递重要的信息、进行学术交流以及参与电子商务等。

然而,这也使盗版者能以低廉的成本复制、传播、篡改、销售未经授权的数字产品信息,从而导致产品的版权、完整性、有效性得不到保证。

因此,数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权保护问题。

1　数字水印技术数字水印技术是一种将特制的不可见的标记,利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中,用以证明原始作者对其作品的所有权,并作为鉴定、起诉非法侵权的证据,同时通过对水印的探测和分析,验证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。

数字水印是永久镶嵌在其它数据(宿主数据)中具有可鉴别性的数字信号或模式,而且不影响宿主数据的可用性。

数字水印技术是利用人类视觉系统(H VS)的冗余,通过一定的算法在数字信息中加入不可见标记,但不影响数据的合理使用和价值,并且不能被人的知觉系统觉察到,起到证明作品的版权归属的作用。

除非对数字水印具有足够的先验知识,任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏图像质量。

不同的应用对数字水印的要求不尽相同,一般认为数字水印应具有如下特点:安全性:数字水印中的信息应是安全的,难以被篡改或伪造,同时有较低的误检测率。

只有被授权者能够检测、恢复和修改水印。

能充分可靠地证明所有者对特定产品的所有权。

隐形性:数字水印应是不可知觉的,即数字水印的存在不应明显干扰被保护的数据,不影响被保护数据的正常使用。

密匙唯一性:不同的水印密匙不应产生相同的收稿日期:2004-08-04作者简介:李永全(1965-),男,副教授,主要从事信号处理教学及研究。

—66—水印,即对于一种水印只有唯一的检测方法才能对其进行检测和抽取。

稳健性(鲁棒性):指水印算法有较强的抗攻击能力,即水印信息经过一些常见的改变后仍具有较好的可检测性。

这些改变包括常见的图像处理、几何变换和几何失真等。

自恢复性:即水印信息经过一些操作或变换后,可能会使原图产生较大的破坏,如果仅从留下的片段数据便能恢复出水印信息,而且恢复过程无须原始图像。

具有上述特点的水印才是严格意义上的数字水印,但由于对数字水印的定义尚未统一,许多文献中讨论的数字水印并不具备上述特点,或者仅具有部分上述特点。

2　DCT域数字图像水印算法选择二值化灰度图像作为水印信息,根据水印图像的二值性选择不同的嵌入系数,并将载体图像进行8×8的分块,将数字水印的灰度值直接植入到载体灰度图像的DCT变换域中,实现水印的嵌入。

具体方法如下:2.1　水印嵌入设CI是M×N大小的原始图像,SI是水印图像大小为P×Q,M和N分别是P和Q的偶数倍。

把水印SI加载到图像CI中,算法分以下几步进行:(1)分块将CI分解为(MΠ8)×(NΠ8)个8×8大小的方块B CIm,n;同时,将SI也分解为(MΠ8)×(NΠ8)个8・PM ×8・QN大小的方块BSIm,n,1ΦmΦMΠ8,1ΦnΦNΠ8。

(2)DCT变换对每一个B CI m,n,进行DCT变换: DB CI′m,n=DCT(B CI m,n)。

(3)加载水印对每一个DBCI′m,n和BSI m,n,s i为从DBCI′m,n的中频选出的加载的位置,1ΦiΦ8・P M ×8・QN,t i为水印BSI m,n的位置坐标1ΦiΦ8・P M ×8・QN。

DB CI″m,n(si)=α×BSIm,n(ti),其中α是加权系数,用DB CI″m,n (si)来代替DB CI′m,n(si)得到加载水印后的图像DB CI″m,n。

(4)逆DCT变换对以上得到的每一个DB CI″m,n进行逆DCT变换:IDB CIm,n=IDCT(DB CI″m,n)。

并将各方块IDB CIm,n合并为一个整图CI′,即为加载了水印的新图像。

2.2　水印提取设图像TCI为已经加载了水印的载体图像。

现要将所加载的水印从TCI中提取出来。

其过程为上述加载水印算法的逆运算:(1)分块将TCI分解为(MΠ8)×(NΠ8)个8×8大小的方块B TCIm,n,1ΦmΦMΠ8,1ΦnΦNΠ8。

(2)DCT变换对每一个B TCI m,n进行二维DCT变换:B TCI′m,n=DCT(B TCI m,n)。

(3)提取数据对每一个B TCI′m,n,按照式BSI m,n(t i)=1Πα×B TCI′m,n(s i)得到BSI m,n。

(4)合并将上面得到的所有BSIm,n合并成一个整图NSI。

3　数字图像水印算法的M A T LA B实现3.1　MAT LAB简介MAT LAB是Mathw oks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一人方便的、界面友好的用户环境,MAT LAB意为矩阵实验室,最初用于矩阵计算和数值计算。

随着语言本身的发展,它的功能越来越强大,至今它的应用已覆盖了许多科学和工程计算领域,如仿真技术、数字信号处理、数字图像处理、神经网络和小被分析等,如今MAT LAB已经发展成为一个具有高性能数值计算和可视化功能的科学计算环境。

MAT LAB将计算、图示和编程集成到一个交互式的环境中,计算结果和编程过程实现了可视化。

MAT LAB语言的语法规则与一般的高级语言类似,一个稍有编程基础的人能很快熟悉掌握。

MAT LAB 具有强大的数学矩阵运算功能,它的基本数据元素是无须预定义的数组,单个的整数或浮点数用1×1的数组来表示,既可对数组进行整体处理,也可以对某个或部分元素进行单独地处理。

3.2　水印算法MAT LAB实现下面以一个在频域嵌入和提取黑白图像水印程序为例,给出使用MAT LAB实现数字水印的实现过程和完整的源程序。

(1)读取原始公开图像和黑白水印图像到二维数组I与J;(2)将原始公开图像I分割为互不覆盖的图像块block(x,y),1Φx,yΦ8,l=1,2,ΛM3MΠ64,对block(x,y)进行以DCT变换,得到blockdct(xy,);(3)取黑白水印图像中的一个元素J(p,q),嵌入原始公开图像块的低频系数中;(4)对嵌入水印信息后的图像块block dct(x, y)进行反DCT变换,得到block(x′,y′);—76—(5)合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像;(6)对嵌入水印后的图像进行J PEG压缩(一种水印攻击);(7)而后从压缩的图像中提取出水印。

%3333　定义常量,变量　3333M=256; %原图像长度N=32;%水印信息长度K=8;%分块系数I=zeros(M,M);D=zeros(M,M);D1=zeros(M,M);J=zeros(M,M);W=zeros(N,N);L=zeros(M,M);block=zeros(M,M);block dct1=zeros(M,M);block dct2=zeros(M,M);block idct=zeros(M,M);block1=zeros(M,M);block2=zeros(M,M);%33　读取源图像和水印数据,并显示　33subplot(1,3,1);I=imread(‘e:\d\lena’,‘bm p’);imshow(I);title(‘源图像’);subplot(1,3,2);J=imread(‘e:\d\watermark’,‘bm p’);imshow(not(J));title(‘水印信息’);%3333　嵌入水印信息　3333tem=1;for m=1:N　for n=1:N x=(m-1)3K+1; y=(n-1)3K+1; block dct=I(x:x+K-1,y:y+K-1); block dct1=dct2(block dct); if J(m,n)==0 a=-1; else a=1; end block dct2=block dct13(1+a30.01); block idct=idct2(block dct2); D(x:x+K-1,y:y+K-1)=block idct;　tem=tem+1;　endend%3333　显示嵌入水印后的图像　3333D1=round(D);subplot(1,3,3);imshow(D1);title(‘嵌入水印后’);im write(D1,‘e:\with mark.bm p’,‘bm p’);figure;%33　对入水印后图像进行JPEG压缩　33L=imread(‘e:\with mark.bm p’,‘bm p’);im write(L,‘e:\J PEG attack.jpg’,‘jpeg’,‘Quality’,70);J=imread(‘e:\J PEG attack.jpg’,‘jpeg’);subplot(1,2,1);imshow(J);title(‘受J PEG压缩攻击后的图像’);%33从受攻击后的图像中提取水印信息33for p=1:N　for q=1:N x=(p-1)3K+1; y=(q-1)3K+1; block1=I(x:x+K-1,y:y+K-1); block2=L(x:x+K-1,y:y+K-1); if block2>block1 W(p,q)=0; else W(p,q)=1; end　endend%33333　显示提取的水印　33333subplot(1,2,2);imshow(W);title(‘受攻击后的提取的水印图像’)。