1、叠凄夔惑豳耋羹耋囊錾豳豳豳蹩邈鋈隧：!竺璺鱼呈呈翌竺呈堂皇塑旦呈!塑竺堕竺!堕!皇!垒!仝!旦型基于HVS和小波变换的彩色图像水印算法汤晓明，王丽君(辽宁科技大学软件学院， 辽宁鞍山1 14051)摘 要：提出了一种将彩色水印图像嵌入到原始彩色图像中的数字水印算法。该算法对水印的加密采取了Arnold结合矩阵变换的方法j并利用人类视觉系统特性，将水印信息嵌入到载体图像多级小波分解后的中低频奇数行奇数列系数中。实验结果表明，该算法在对嵌入水印后的图像进行剪切、不规则色块污染、添加各种噪声等处理后，提取的水印表现出良好的鲁棒性，且主观视觉失真较小。关键词：彩色数字水印；人类视觉系统；小波变换中图分
2、类号：TP3092 文献标识码：A 文章编号：16747720(2010110004904Digital watermarking algorithm for color images based on HVS and DWTTANG Xiao Ming，WANG Li Jun(College of Software Engineering，Liaoning University of Science and Technology，Anshan 1 14051，China)Abstract：A digital watermark algorithm by embedding a color d
3、igital watermark into an original color image was discussedThe algorithm inserted the watermarks into the middlelow frequeny subbands in odd rows and columns after DWT according toHVS，The method was tested with attacks such as cropping，polluting and noise adding，obtaining results of good robustness
4、andlOW visual distortionKey words：color digital watermark；HVS；DWT目前数字水印技术已成为解决媒体版权保护问题的有效方法。在实际应用中，彩色图像占主导地位，因此研究彩色图像的数字水印技术更具有现实意义，这就促使了彩色数字水印算法的产生。参考文献11提出了一种将彩色数字水印图像嵌入到原始彩色数字图像中的算法，通过将水印多次嵌入到DWT变换后相应的频段来增强鲁棒性。本文则提出了一种新的嵌入思想，将水印嵌入到载体图像多级小波分解后的中低频奇数行奇数列系数中。1人类视觉系统对于图像来说，人类视觉系统HVS(Human Visu审System
5、)的主要特性一般表现在3个方面：亮度特性、频域特性和图像类型特性。其中，亮度特性是HVS特性中最基本的一种。一般来说，人眼对于高亮度的区域所附加的噪声敏感性较小，这就意味着，如果图像的背景亮度越高，它所能嵌入的附加信息就越多。对于频域特性来说，如果将图像从空域变换到频域，那仫，频率越高，人眼的分辨能力就越低；频率越低，人眼的分辨能力就越高，即人眼对高频的内容其敏感性较低。从图像类型特性来说，图像可分为大块平滑区域和纹理密集区域，微型机与应用2010年第10期HVS对于平滑区域的敏感性要远高于纹理密集区域，也就是说，图像中的纹理越密集，其所能嵌入的信息就越多。HVS对于不同的颜色敏感性也各有不同
6、，该特性对于彩色图像的数字水印研究很有意义。对于彩色图像来说，其每一个像素都可分为R、G、B三种基色，在向彩色图像嵌入水印时，根据人跟对不同颜色的敏感性的不同调整水印的嵌入能量，使嵌入水印后的图像有较好的质量。从亮度方程Y=O299R+0587G+0114B可知，人眼对于各种颜色的敏感性不同，其中，人眼对于绿色(G)最为敏感，对于红色(R)其次，对于蓝色(日)最不敏感。可见，在向彩色图像的不同基色中嵌入水印信息时，可依据人眼视觉系统对颜色的感知特性来调整水印的加权系数。实验表明，当加权比例选取为R：G：B=2：1：4时，对于保证图像质量最为有利21。2彩色图像数字水印的嵌入算法21水印图像处理
7、本文针对彩色图像的水印嵌入，不仅原始图像是彩色的，而且水印也采用彩色图像。对于彩色水印(形)的置乱采取如下方法进行。(1)将彩色水印图像形进行三色分离，分解为、欢迎网上投稿wwwpcachinacom 49万方数据ii壁毽童豳醴遗塑基瞳竺：堕旦坠堕业!型竺型堕!呈型型W。、W8三个基色分量；(2)对Wj、W。、Wj进行m次Arnold变换，m为变换的次数。Amold变换俗称“猫脸变换”(cat mapping)I引，它具有环形自同构的特性。简单地讲，就是Arnold变换具有周期性，即通过对目标图像进行若干次迭代变换，图像又会恢复到原始的面貌。Arnold变换的公式如下：z 7 f 1 】X，)
8、=，(rood N(x,y)(0，1，N一1)j，j u |。j，j通过变换，将原来点(戈，y)处像素对应R、G、B颜色值移至变换后的点(x 7，Y)处。代表图像矩阵的阶数。由此可以看出Arnold变换一般适用于方阵。经过Arnold变换后，得到水印变换之后的图像Wj。、眠。、耽，。在Amold变换中，式中的m与次数构成数对(N，m)正好可以成为置乱的密钥；(3)分别对Wj。、Wc。、W脚进行矩阵左右翻转、上下翻转变换。首先，W；。、W。、Wj。的第1行和第行交换，第2行和第N一1行交换依此类推直至结束，得到变换之后的图像矩阵W岛、W晓、W岛；其次，将W艘、W晓、W艘的第l列和第，v列交换，第
9、2列和第N一1列交换依此类推直至结束，得到变换之后的图像矩阵、W岛、。， 通过以七处理，最终得到加密后的水印图像。攻击者在不知道水印置乱算法的前提下，很难提取出水印图像。，本文采用了将水印信息进行Amold变换之后，再进行行列翻转变换的方法，大大提高了水印的保密性。22图像小波变换小波变换用于图像处理是小波变换应用效果比较突出的领域之一，其基本思想就是把数字图像进行多分辨率分解，分解成不同空间、不同频率的子图像，然后再根据各个子图像的特点有针对性地进行处理。本文提出的算法是基于离散小波变换DWT的。对于二维的图像信号来说，经过一次DWT变换后，把图像分解为4个频带：水平(日)、垂直(y)、对角
10、(D)和低频(A)，其中低频(A)部分还可以进行下一A 3 日3H2V3 D3H-V2 D2yl D，图1三层小波分解示意图入到图像小波变换后的低频子带或高频子带系数中。图像的低频子带携带了图像的大部分信息，因此可以嵌入更多的水印信息，使水印鲁棒性提高，但同时也产生了问题，即图像低频子带的变化容易导致较大的图像失真。相反，高频子带携带的是图像的边缘和纹理信息，人眼对这部分信息不敏感，因此，在这部分中嵌入水印可以避免弓I起图像失真，但同时水印容易遭到破坏(如有损压缩等)。因此，一个有效的小波域水印算法必须在鲁棒性和图像的失真度之间取得平衡。23水印的嵌入本文所采用的水印嵌入方法流程如图2所示，描
11、述如下：(1)将彩色载体数字图像C分解为3个基色分量G、C。、C8，分别对该3个基色分量作3层小波分解；(2)将彩色数字水印同样分解为Wj、眠、Wj 3个基色分量，分别对其进行水印加密处理；(3)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的奇数行奇数列中，嵌入公式如式(1)所示。C k(G，8)A 3(2xi一1，2xj一1)=CR(G，口)A 3(2xi一1，2巧一1)+“，(g，XwR(G，8)Al(i)C月(G，B)H2(2xi一1，2xj一1)=CR(c，R)H=(2xi一1，2巧一1)+理咄，6)眠B)l(ij) ，、I lc州c刖V2(2xi一1，2巧
12、一1)=CR(G，B)V2(2xi一1，2xj一1)+d，(mx1(G，口)l，I(j)C R(G，BlD2(2xi一1，2xj一1)=CR(GB)D2(2xi一1，2xj1)+“，(g，6)XwR(G，8)D1(i)级的分解，从而构成了小波的塔式分解。一幅图像的三级DWT分解示意图如图l所示。一幅图像经过分解之后，图像的能量集中于低频部分，这也是视觉的重要部分；而图像的高频部分即图像的细节部分所含能量较少，分布在Jv，y，D三个子图中，主要包含了原图的边缘和纹理部分信息。基于小波分析的数字水印算法的基本思想是：把水印嵌50式中，C，s4，(2i一1，2xj一1)表示彩色载体图像的红色分量兄(
13、或G、B)经小波3次分解后的低频区域中第(2i一1，2巧一1)个系数嵌入水印后的值；CA 3(2xi一1，2xj一1)表示彩色载体图像的红色分量R(或G、日)经小波三次分解后低频区域中第(2xi一1，2巧一1)个系数的值，图2水印的嵌入过程微型机与应用2010年第10期万方数据，鬟摩形瀵凰像譬羹噤瓣；。Image mcessng and Mu|tim ea|aIogy表示彩色水印图像的红色分量R(或G、B)经过加密处理 上三 三二之后，再小波一次分解后的低频区域中第(-i)个系数的 c(形，肜7)=2。刍(彤(iJ)一形)(形砸j)-w)7委辛(形值，其余类推。 当三另外，：吆：2：1：4，三
14、者的取值要合适。取值过 (i)一形)2辛2一，1(形砸)一w)212 (4)大，则透明性不好；过小，则提取过程中会产生较大的误 式中，形为原始水印图像，W 7为提取出来的水印图像，差。 矿为图像W的平均值，谚7为图像W的平均值。(4)进行小波反向变换，恢复出嵌入水印后得到的三 本文的实验结果是基于Matlab仿真得到的，采用基色； 512：512的标准Lena彩色图像作为原始彩色图像，如图3(5)将三基色合成，得到嵌入水印之后的彩色图像C。 (a)所示。水印图像为128x128的彩色图像，如图3(b)所示。3彩色图像数字水印的提取算法水印提取过程是水印嵌入过程的逆过程，需要用到彩色载体图像C。
15、对嵌入了水印的彩色图像的提取过程如下：(1)将C和C 7进行三层小波分解；(2)用嵌入了水印的彩色图像的小波系数相应地减去彩色载体图像的小波系数，即：WR(G，mA I(i)=(C R(c，B)A 3(2xi一1，2xj一1)一CR(G，B)A 3(2xi一1，2巧一1)理，(g，6V(G，R J日】(!)=(C月(c，B)H2(2xi一1，2巧一1)一cR(G，月)H2(2xi一1，2xj一1)aH” ，、1 tz JWR(c，月1Vi(i)=(C州G，口)V2(2xi一1，2xj一1)一CR(G，B)V2(2xi一1，2xj一1)la，(g，”|WR(G，R JDl(iJ)=(c州G口)D
16、2(2xi一1，2巧一1)一Cn(c,，B)D2(2xi一1，2巧一1)a，(g6)(3)将经过f：述处理后得到的W。1A。(i，i)、W。旧。1日。(i)、w一()yt(i)、w郴，。)D。(i)分别作一级小波重构，得到加密的水印三基色分量图像wj、wG、wj；(4)解密wj、Wj、三基色分量图像。将wj、w。、Wj矩阵上下、左右翻转后，得到W。、毗，、Wj。，再进行Amold变换。根据水印嵌入时设置的置乱次数m，并根据水印图像的尺寸求得其置乱周期丁，对W；。、W。，、吼。进行Tm次Arnold变换，最终得到提取出的水印三基色图像丁7眠、刑G、丁眠；(5)对n、n、n进行三基色合成，即获得了
17、提取出的彩色数字水印图像。4实验结果除了主观地辨别提取出的水印质量外，本文采用峰值信噪比(PSNR)和归一化的相关系数(NC)来进行客观评价。用Ps川R来衡量原始彩色图像与加入水印后的彩色图像之间的变化程度，其值越高，说明原始图像失真度越小。用NC来描述提取出的水印与原始水印之间的相似性，NC=1时，表职无变化。峰值信噪比(PSNR)的计算公式如下：吖 PS帽(C，C)=lOxlg(Mx、T)X2552乞乞(Cm)一c(i)2) 11 11卢1，=1f31式中，C为原始载体彩色图像，C为嵌入水印之后的彩色图像。M为C的行数，为C的列数。归一化的相关系数(NC)的计算公式如下：微型机与应用201
18、0年第10期(a1原始载体图像 (b)水印图像图3原始载体图像和原始水印图像水印嵌入之后载体图像和提取出来的水印图像如图4所示。(a)嵌入水印后载体图像 (b)提取水印(NC=1)(PSNR=24147 9)图4嵌入水印后载体图像和提取的水印剪切攻击和色块污染攻击如图5所示，攻击实验结果如表1所示。本文将人类视觉系统(HVS)结合离散小波变换(DWT)应用于数字水印技术的研究中，提出了一种基于(a)随机剪切处理 (b)色块污染图5剪切和色块污染后的图像欢迎网上投稿wwwpcachinacom 51万方数据。鲞囊逮羹翻羹鏊鲤鱼豳夔墼羹鋈鋈llllllll夔：!竺呈旦!翌!呈呈塑里璺!皇竺!型受皇
19、!璺!里!竺12皇!表1实验结果DWT和HVS的彩色数字水印嵌入算法，将真彩色图像作为数字水印嵌入到真彩色图像中。实验表明，本文的算法对于常见的图像处理和噪声干扰具有较好的鲁棒性，且提取出的水印在主观视觉上的可辨认性较好。如何在提取彩色数字水印时不使用原始图像，同时在彩色数字图像中嵌入多个水印实现多种目的，并能抵抗几何等更多的攻击，仍需要进一步研究。参考文献1刘挺，尤韦彦一种基于离散小波变换和HVS的彩色图像数字水印技术J计算机工程，2003，29(4)：115117f21刘利田，常建平一种基于HVS的彩色图像水印算法J计算机工程，2007，33(24)：144-145【3】陆宇光，龚声蓉基于
20、DWT域的图像数字水印算法J】电脑知识与技术，2008，4(1)：190192(收稿日期：2010一叭一20)作者简介：汤晓明，女，1984年生，在读硕士，主要研究方向：密码学、信息安全。王丽君，女，1952年生，教授，主要研究方向：密码学、信息安全。德州仪器推出新型FPGA扩展板使开发人员能够充分利用并体验StellarisMCU的高速M2M接口功能日前，德州仪器(TI)宣布推出专用于DKLM3S9896开发套件的新型Stellaris FPGA扩展板，可显著加速开发低成本安全接入控制系统及其他需要高速外部处理单元接口的应用。这款全新电路板使开发人员能够轻松评估Stellaris微处理器(M
21、CU)高灵活性外设接口(EPI)的高带宽机器对机器(M2M)并行接口功能。EPI的M2M模式可支持高达32位的数据宽度以及高达每秒150 MB的数据速率，专用于帮助低成本安全接入控制应用的开发人员将摄像系统或低分辨率视频与Stellaris MCU接口相连，以为经编码处理的影像提供高性价比的以太网通信功能。在上述系统中，专用的视频处理任务由FPGA或DSP完成，而经编码处理的影像则通过Stellaris MCU的片上以太网MAC+PHY进行通信传输。扩展板上的快速启动应用能直接让开发人员在DKLM3S9896的大型35英寸触摸屏上显示FPGA摄像机捕获以及FPGA处理的视频。更多详情，敬请访问
22、：http：11focusticoincn，cndocstoolswfoldersprint，dklm3s9b96一fpgahtml。Stellaris FPGA扩展板(DK-LM3S9896一FPGA)的主要特性与优势EPI工作频率为50 MHz，可支持大量数据日志及分析功能；完整的硬件，包括带100 K个系统门的Xilinx Spadan 3E FPGA、】13”CMOS VGA(640x480)彩色摄像模块、用于FPGA编程的16报头以及Xilinx JTAG连接头；l MB异步10 HS SRAM支持图形，视频缓冲，以及1 KB的I存储器可用于存储配置数据；8个FPGA测试垫盘提供5组
23、输入和3组IO，用户可用于专用FPGA处理任务的原型设计；视频与运动软件特性可帮助用户的开发工作实现跨越式起步，这些特性包括QVGA(320x240)分辨率的彩色运动视频显示、运动视频的图形屏幕视控系统(Onscreendisplay)覆盖、基于小控件的触摸屏用户界面(使用Stellar-isWareGraphics Library)、支持屏幕捕获的暂停恢复运动，以及亮度、饱和度、色度色调和锐利程度图像控制等；可直接插入DKLM3S9896开发板上的EPI中，其包含众多组件，如带256 KB闪存的80 MHz Stellaris MCU、96 KBSRAM、ROM中的StellarisWare
24、软件以及集成型以太网MAC与PHY、移动USBHostDevice和CAN等。供货情况Stellaris FPGA扩展板(DKLM3S9896FPGA)现已开始供货，可访问http：focustiCOITIcncndocstoolswfoldersprintdkhn3s9b96一fpgahtml进行订购；此外，独立销售的DKLM3S9896也将供货在即，如欲订购，敬请访问：http：focustiCOrncncndocstoolswfoldersprintdklm3s9b96html(TI公司供稿152 微型机与应用2010年第10期万方数据基于HVS和小波变换的彩色图像水印算法作者： 汤晓明
25、， 王丽君， TANG Xiao Ming， WANG Li Jun作者单位： 辽宁科技大学,软件学院,辽宁,鞍山,114051刊名： 微型机与应用英文刊名： MICROCOMPUTER 彩色水印的提取不需要原始水印和原始宿主图像.实验证明,嵌入水印后的图像具有很好的不易觉察性,并且对常见的图像处理操作具有很强的鲁棒性.2.期刊论文 苏庆堂.SU Qing-tang 基于整型小波变换的彩色图像盲水印算法 -计算机应用研究2009,26(6)针对多数图像水印算法将灰度图像嵌入宿主图像的研究现状,提出了一种基于整型小波变换将彩色数字水印嵌入到彩色宿主图像中的算法.本算法结合人眼的视觉掩蔽特性, 实
26、现了数字水印嵌入位置的自适应确定,同时采用量化小波系数的方法将彩色水印嵌入到彩色图像YCrCb模式的Y分量中去,彩色水印的提取不需要原始水印和原始宿主图像.实验证明,水印具有良好的不可见性,并且对常见的图像处理操作具有很强的鲁棒性.3.期刊论文 钱丽娜.谢元旦.张丹平.刘俊清.QIAN Li-na.XIE Yuan-dan.ZHANG Dan-ping.LIU Jun-qing 基于位扩展的小波域彩色数字水印算法 -鞍山科技大学学报2006,29(4)提出一种应用于彩色图像版权保护的水印方法.为保证水印的安全性,在嵌入之前先对水印图像作置乱处理,再将水印图像位扩展为原始图像的两倍大小;然后根据
27、HVS和小波变换的多分辨率分解特性,将位扩展水印和原始彩色图像蓝色分量对应方向上的子带系数进行组合.通过实验验证,该算法在对嵌入水印后的图像进行JPEG有损压缩、剪切、不规则色块污染、添加各种噪声处理后,提取出的水印表现了较好的鲁棒性,且主观视觉失真较小.4.期刊论文 姜炳强.江铭炎.赵立军 一种新的基于小波变换与混沌加密的彩色数字水印算法 -山东大学学报(工学版)2004,34(3)提出一种新的基于小波变换与混沌加密的彩色数字水印算法,将混沌算法产生的阵列作为密码对水印图像进行加密,同时利用人类视觉系统HVS的特性,实现了水印的自适应嵌入.在兼顾鲁棒性和不可见性的情况下,提出将水印按不同比例
28、的方法,分别嵌入到小波域的低频和中频(或高频)子带中,在提取时根据低频子带提取的水印信息对中频或高频子带的信息进行调整,从而恢复出更加清晰的水印图像.实验结果表明算法同时具有很好的鲁棒性和不可见性.5.学位论文 刘挺 基于离散小波变换（DWT）和HVS的彩色数字图像混合型水印嵌入技术算法研究 2002该文第1章从信息时代的信息安全问题谈起，讨论了传统密码技术对于数字信息保护的局限性，从而引出了一门新的信息安全保护学科信息隐藏学.第2章对信息隐藏学作了简略的介绍，讨论了信息隐藏系统的模型、特点及其应用.第3章从各个方面详细介绍了信息隐藏学中一个重要的分支数字水印技术，并对各种典型的数字水印算法作
29、了讨论，尤其是彩色图像的数字水印技术研究状况，同时对水印技术的一些新型应用如数字指纹、在音、视频上的应用等也作了介绍.在此基础上，该文第4章循序渐进地提出了一个基于离散小波变换（DWT）和人类视觉系统（VHS）的彩色数字图像混合型水印嵌入及提取算法，从算法提出的目的、要求开始，逐步描述了鲁棒型水印和易损型水印嵌入及提取算法，从算法提出的目的、要求开始，逐步描述了鲁棒型水印和易损型水印同时对于彩色图像的版权和防篡改进行保护的过程，并对算法中使用的相关技术也作了介绍，第5章给出了一组实验结果.初步的分析和实验表明，该算法对于特定的应用具有较好的性能，对数字水印技术的研究有一定的参考价值.6.会议论
30、文 刘挺.尤韦彦.秦晓凌 一种基于DWT和HVS的彩色图像混合型数字水印技术 2003本文提出一种基于离散小波变换(DWT)和人类视觉系统(HVS)的彩色数字图像混合型水印嵌入及提取算法,描述了鲁棒型水印和易损型水印同时对于彩色图像的版权和防篡改进行保护的过程,最后给出了一组实验结果.初步的分析和实验表明,本算法对于特定的应用具有较好的性能,对数字水印技术的研究有一定的参考价值.7.会议论文 杨俊.张贵仓 一种基于DWT和HVS的彩色图像数字水印算法 2005提出了一种将彩色数字水印嵌入到原始彩色数字图像中的算法.采用了离散小波变换与人类视觉系统相结合的方法,使嵌入水印后图像无主观失真;在RG
31、B原始图像中冗余嵌入转换为YCrCb彩色水印图像来增强鲁棒性.仿真试验验证了该算法的有效性,对如叠加噪声、JPEG压缩、几何剪切、图像增强、马赛克效果等攻击表现出较好的鲁棒性。8.学位论文 李敏 基于小波变换和人类视觉系统特性的彩色图像信息隐藏与数字水印技术研究 2004随着数字信号处理和计算机网络技术的迅猛发展，传统的多媒体设备进入了数码时代，数字媒体能够被完美的传输和复制。传统的数字加密方式不能很好的保护数字产品的版权。信息隐藏技术弥补了加密技术的不足，成为近些年来的研究热点。尤其是信息隐藏技术在数字产品版权保护的分支数字水印技术成为解决版权保护问题的有效手段。本文简要介绍了信息隐藏和数字
32、水印技术的产生和发展，相关的理论和技术，常见的攻击方法，信息隐藏和数字水印技术可能的发展方向。由于大多数现有技术考虑灰度图像、无意义水印，根据信息隐藏与数字水印技术、数字图像处理和色彩论的基本原理，本文主要研究了彩色图像的有意义水印的处理。对离散余弦变换、离散傅立叶变换、离散小波变换进行分析之后，结合人类视觉系统以及二维小波变换的多分辨率分解的特性，提出了一种信息隐藏的算法和两种数字水印算法，并在实验中验证了算法的鲁棒性。论文的工作主要有以下三个部分：1.基于小波变换提出了一种信息隐藏的算法，将一个音频文件隐藏在一幅彩色图像中。仿真实验结果表明算法能够满足网络传输中的压缩需要，并且能够抵抗一定的噪声污染。2.基于小波变换提出了一种简捷的将彩色图像作为水印嵌入到彩色宿主图像中的双彩色数字水印算法，实验表明该算法可以抵抗常见的攻击。3.基于小波变换和人类视觉系统的特性，提出了一种能够自适应宿主图像特征的数字水印算法。该算法对彩色水印图像在嵌入前进行了压缩预处理，通过修改宿主图像的显著系数来嵌入水印。实验结果表明算法是可行并且令人满意的。本文链接：http:/
