包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol.31No.32010.02
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收稿日期:2009210220
作者简介：胡新颖(1985-)，女，河南辉县人，天津科技大学硕士生，主攻印刷复制技术。
基于DCT 域的鲁棒数字水印算法的研究
胡新颖，赵秀萍
(天津科技大学，天津300222)
摘要：选取基于DCT 域的鲁棒水印算法、数字图像处理工作者常用的Lena 图和天津科技大学校徽图像作为嵌入的二值水印图，利用MA TL AB 软件进行水印图像的嵌入、提取实验和鲁棒性检测实验。结果证明该算法能够实现数字水印的提取和检测，并具有较强抵抗常见攻击的能力，鲁棒性较好，能够实现初步的数字图像的防伪和版权保护。
关键词：鲁棒性；数字水印;DCT 域
中图分类号:TS853+.6 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2010)03-0030-03
Rea rch of Robust Digit al Waterma r king Algorit hm Bad on D C T Domain H U X i n 2y i ng ,Z H A O X i u 2pi ng
(Tianjin University of Science and Technology ,Tianjin 300222,China )
Abstract :The digital image "Lena"often ud by image processing workers and the school badge of Tianjin U 2
pant是什么意思
niversity of Science and Technology were chon as watermark images.The robust digital watermarking algo 2rithm bad on DCT domain and MA TL AB software were applied to do imbedding and extracting ,and robust 2ness detecting of the images.The results showed that the algorithm realizes the watermark ’s imbedding and ex 2tracting ;it also is robust.The digital watermarking technology can be ud to protect the curity of digital im 2ages and the copyright.
Key words :robustness ;digital watermarking ;DCT domain
数字水印技术是通过一定的算法将具有标志性的信息直接嵌入到多媒体内容中，但不影响原信息的价值和使用的技术。通常一个数字水印系统一般包括3个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印
的提取或检测[1]。对于数字图像来说，水印的嵌入和提取需要快捷方便，并且达到鲁棒性的要求。本文选择变换域算法中的基于DCT 域的水印嵌入和提取算法，并利用MATLAB 软件实现了二值数字水印图像的嵌入和提
取，并通过鲁棒性检测实验，证实了该算法具有较强的抗击剪切、污损、格式修改等常见攻击的能力。该算法研究的数字水印技术应用于图像防伪领域，为图像版权保护问题的解决提供了一定的依据。
1 嵌入与提取实验
1.1 水印的嵌入
DC T 即离散余弦变换，是一种与傅里叶变换紧
密相关的数学运算，被认为是对图像信号进行变换的最佳方法。
在水印的嵌入过程中，采用的是基于DC T 中频的数字水印技术。通过对人类视觉系统(HVS )的研究，发现人类对位于低频部分的噪声相对敏感，为了使水印不易被察觉，应将水印嵌入到较高频部分；但是将水印信息嵌入到高频部分，很容易因量化、低通滤波等处理而丢失信息，影响水印的鲁棒性。为了解决低频和高频的矛盾，将水印信息嵌入到原始载体图像的中频部分[1]。
基于以上的原理,DC T 算法分3个步骤实现:1)图像分割。为了与国际压缩标准兼容，将原
始图像首先分解为互不覆盖的8×8的图像子块。分
块是基于纹理掩蔽特定的块分类。
2)DCT 变换。DCT 将图像看成一个M ×N 的
矩阵，借助于二维DCT ，可以将图像从空间域(即m ,
n 平面)变换到DCT 域(即z 平面)。DCT 变换的变
胡新颖等 基于DCT 域的鲁棒数字水印算法的研究
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换核是余弦函数。根据水印图像的具体信息，随机选取M ×N 个图像块进行DC T 变换。其公式如下:
f (x ,y )=
∑M-1u =0∑
N -1
v =0
c (u )c (v )F (u ,v )・co s
π(2x +1)u 2M co s
π(2y +1)v
2N
3)DCT 反变换。对调整后的图像块进行DCT
反变换，得到包含水印的图像。DCT 反变换公式如下:
F (u ,v )=c (u )c (v )
∑大象英文
m-1
x =0
众鸟
f (x ,y )cos
克己π(2x +1)
u
2M
・
co s
π(2y +1)v
2N
这样就完成了水印的嵌入。本实验选择大小为
480piex ×480piex 的连续调灰度图，作为嵌入水印
信息的原始图像，用比较复杂的黑白二值图像———天津科技大学校徽，作为水印图像，并利用上述步骤完成了嵌入，见图1。
图1 水印的嵌入
Fig.1The imbedding of the watermark
通过肉眼观察，嵌入的校徽完全不可见，该算法满足了水印的不可见性的要求。
1.2 水印的提取
现要将所加载的水印从待测图像中提取出来。其过程为上述水印嵌入算法的逆运算:
1)原始图像和待测图像的分块在DCT 域中进
行求差运算，并比较相关性。根据求差结果，确定水印嵌入的纹理块，提取数据，对原始图像和待测图像的分块进行DCT 变换，从而确定水印曾经的嵌入位置。
2)将嵌入水印的图像块提取出来，然后取出嵌
入位置的水印信息，得到水印序列。
3)合并步骤2)中得到的所有水印序列，重组图
像信息，完成水印图像的提取。与原始水印图像进行比较，见图2。
图2
水印的提取
Fig.2The extracting of the watermark
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2 鲁棒性实验研究
使用Photoshop 软件模拟加载水印的图像在实际生活中所遇到的污损、剪切、格式修改等恶意的篡改，然后使用上述提取水印算法进行水印提取，完成本算法鲁棒性的验证。
2.1 抗污损攻击实验
对于污损比较严重的加载水印图像而言，其水印的提取效果图与原水印相比，遭污损中间位置黑色像素多
，见图3。这是因为在水印提取算法中，对于图
图3 抗污损实验效果图
Fig.3The result of the anti 2contaminate test
像中污损的部分，程序自动将其用黑像素进行代替，所以得到的效果图中黑色像素会多。
2.2 抗剪切攻击实验
对于遭受比较严重剪切操作的加载水印图像，其水印的提取效果图和原水印相比，其图中的白色像素明显多，见图4。这是因为对于遭受涂改和剪切的部
图4 抗剪切实验效果图
Fig.4The result of the anti 2shear test
包装工程 PAC KA GIN G EN GIN EERIN G Vol.31No.32010.02
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分，水印提取算法中，自动将其用白像素进行代替，所以得到的效果图中白色像素会较多。
2.3 抗格式修改攻击实验
可以看到将加载水印的图像从tif 格式改为bmp 格式后，进行水印提取实验，提取的水印与原始水印图像的差别不大，有一点信息丢失，但总体效果完全满足鲁棒性的要求，见图5
。
图5 抗格式修改实验效果图
Fig.5The result of the anti 2form modification test
3 实验分析
在实验过程中对水印信号进行了相似度检测，水印相似度检测的通用公式是:
si m =
W ×W ′W ×W ′
式中:si m 为相似度;W ′代表提取后水印;W 代表原始水印。
相似度比较见表1。可以看出未篡改时提取的
表1 相似度比较
T ab.1Comparison of similarity
与原始水印进行比较的图像未篡改时
提取的水印污损后提
取的水印
剪切后提取的水印
格式修改后提取的水印
相似度值(sim )
0.92477
0.72939
0.7698
0.92477
水印图像与原始水印图像的相似度值超过了0.9，在遭受各种攻击后的相似度值也均接近0.8。通常认为当si m 为0.7～0.8时，可以认定成功的检测出了水印信息，因此，该算法的鲁棒性很好。
4 结论
好听的英文名字女本文研究基于DC T 的鲁棒数字水印算法，成功的进行了水印的嵌入与提取，并且能够抵抗常见的攻击，鲁棒性较好。为图像防伪工作者及图像的版权保护提供了一定的参考和借鉴。
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