第３２卷第３期 江西理工大学学报 Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．３ ２０１１年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ． ２０１１ 文章编号：１００７—１２２９（２０１ １）０３—００１５—０４ 一种基于置乱的双彩色图像鲁棒水印算法 谢斌， 任克强， 肖玲玲 （江西理工大学信息工程学院，江西赣州３４１０００） 摘 要：结合视觉特性和小波变换，提出了一种基于Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱变换的双彩色图像水印算法． 该算法首先对彩色宿主图像进行三基色分离和小波变换，然后将Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱变换后的彩色水 印图像数据嵌入到宿主图像对应基色的低频小波系数中，较好地实现了彩色水印的嵌入及提取． 实验结果表明，该算法在保证透明性的同时对多种常规攻击具有较强的鲁棒性． 关键词：数字水印；图像置乱；Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变换；鲁棒性 中图分类号：ＴＰ ３０９ 文献标识码：Ａ Ａ Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｏｌｏｒ Ｉｍａｇｅ Ｒｏｂｕｓｔ Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ＸＩＥ Ｂｉｎ，ＲＥＮ Ｋｅ－ｑｉａｎｇ，ＸＩＡＯ Ｌｉｎｇ－ｌｉｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＨＶＳ ａｎｄ ｔｈｅ ＤＷＴ，ａ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｈｏｓｔ ｉｍａｇｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｗａｔｅｒｍａｒｋ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ａｆｔｅｒ Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｉｍａｇｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｌｏｒ， ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｗａｔｅｒｍａｒｋ ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｒｏｂｕｓｔ ｅｎｏｕｇｈ ｔｏ ｆｉｇｈｔ ａｇａｉｎｓｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｔｔａｃｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｗａｔｅｒｍａｒｋ；ｉｍａｇｅ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ；Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ 水印主要考虑视觉上的不可见性．水印一般是嵌入 ０ 引 言 到图像中最不重要的像素位上．空间域水印的特 点是算法相对简单，但其鲁棒性较差．对滤波、量化 所谓数字水印就是将序列号、文字和图像标志 和压缩等处理比较敏感．可嵌入的信息量相对较 等版权信息嵌入到多媒体数据中，以证明数字作品 小．变换域算法一般是在原始图像的某个变换域 版权的一种技术『ｌ１．数字水印技术作为知识产权保 （如ＤＷＴ、ＤＣＴ、ＤＦＴ等）嵌入水印，该类算法可以较 护的一种有效手段得到了国际学术界的广泛关注， 好地结合人眼视觉掩蔽特性．并且水印信号的能量 并已成为人们的研究热点之一，其中以图像水印的 可分布至图像所有像素．因此变换域算法相对于空 研究居多． 间域算法具有更好的不可见性和鲁棒性［４１．文献【５］ 按照水印嵌入位置的不同来划分，数字图像水 提出了一种基于二维ＤＦＴ的一对多非对称图像水 印可以分为空间域水印『２Ｊ和变换域水印［３１．空间域 印算法，该算法选用的水印是伪随机序列，其容量 收稿日期：２０ｔ１－０２—１９ 基金项目：江西省教育厅青年科学基金资助项目（ＧＪ儿１ １３２） 作者简介：谢斌（１９７７一），男，讲师，主要从事信息隐藏、数字信号处理等方面的研究，Ｅ—ｍａｉｈｘｉｅｂｉｎ一６６＠１６３．ｃｏｒｔ１． １６ 江西理工大学学报 ２０１１年６月 太小，且版权意义不够直观．文献【６】提出了一种空 滤波、有损压缩等常见的信号处理破坏．低频部分 间域和频率域相结合的图像水印算法，按行或列分 解水印图像，并将其分别嵌入载体的空间域和频率 则对应于图像的全局信息，这一区域集中了图像的 大部分能量，其视觉容量和嵌入信号的临界可见误 差相对较高，并且常见的信号处理和噪声干扰对低 频部分的影响相对较小，在这一区域嵌入水印既可 域，该算法所使用的水印载体为灰度图像．文献［７】 提出了一种基于ＤＣＴ的彩色图像水印算法，通过 修改彩色图像绿色分量的ＤＣＴ系数来实现水印的 以保证算法的透明性．又能够较好地抵抗多数常规 信号处理．因此，文中选择将彩色水印信息嵌入在 彩色宿主图像三基色的低频小波系数中，水印嵌入 算法原理如图１所示． 嵌入，该算法使用二值图像作为水印，其信息量不 够丰富，很多时候难以满足人们的需求． 文中在考虑了人类视觉系统特性的基础上．结 合Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱技术【８Ｊ、三基色分离及小波变换， 提出了一种ＤＷＴ域双彩色图像水印算法．实验结 果表明。该算法能够较好地实现彩色水印图像在彩 色宿主图像中的嵌人及提取，对诸如ＪＰＥＧ压缩、 椒盐Ｓｐｅｃｋｌｅ、高斯及等攻击具有较强的鲁棒性． １水印图像的置乱处理 为了加强算法的安全性和鲁棒性，水印图像在 嵌入载体之前先要进行置乱处理．图像置乱是利 用某种特定算法将图像的像素位置打乱，消除像素 之间的相关性，使可能受到的局部影响分散到整幅 图像中．另外，水印图像置乱后将会失去其本来的 面目．即使被非法攻击者截获，也仅仅是一幅杂乱 无章且毫无意义的图像．文中采用Ｆｉ鬯 ｂｏｎａｃｃｉ变换 对彩色水印图像进行置乱处理． Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变换在图像置乱中的应用占有重要 的位置Ｉ８１．对于给定的自然数 ≥２，下列变换称为 Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变换： 叠蔓 ｆ １ ｆ【 １ｌ １ ｏ １ Ｊｆ １ （ｍ０ ） （ ） 对于Ｎ￣Ｎ大小的图像矩阵，设像素坐标为（ ， Ｙ），迭代地对其进行Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变换，即将左端输出 的 、Ｙ 作为下一次Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变换的输入，如此便 可得到一系列不同结果的图像．将迭代次数作为 密钥．对ＮｘＮ的水印图像进行入次Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ变 换．可以得到置乱后的水印图像． ２水印嵌入算法原理 彩色图像经过ＤＷＴ变换后可以分解成一个 低频逼近子图三 和不同分辨率级下的高频细节 子图￡Ｈ】、ＨＬ 及ＨＨ （下标１表示ＤＷＴ变换的级 数）．其中，高频部分对应于图像的边缘、轮廓和纹 理等细节信息，其能量相对较小，在这一区域嵌入 水印其临界可见误差较低，且高频分量容易被低通 彩色水 三基色 印网像 １级ＤＷＴ 彩色宿 主图像 水印嵌人 三基色 ＩＤＷＴ 图１水印嵌入原理框图 （１）彩色水印图像在嵌人彩色宿主图像之前 先采用置乱的方法使其失去本来的面目，以加强算 法的安全性和鲁棒性．对ＮｘＮ大小的彩色水印图像 进行Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱变换，得到置乱后的水印图像． （２）将置乱后的彩色水印图像进行三基色分离 得到Ｒ 、Ｇ 及 ｓ分量，然后分别进行ｌ级ＤＷＴ变 换，得到其对应的低频分量￡￡ 和高频分量 、 ＨＬ 及ＨＨｓＩ． （３）对ＭｘＭ大小的彩色宿主图像进行三基色 分离得到 、 及 分量，然后分别进行３级 ＤＷＴ变换．其中低频小波系数部分包括最低频分 量￡￡ 和次低频分量 ３、ＨＬ西及刎 ． （４）水印的嵌入．将彩色水印图像三基色的低 频分量 。嵌入到宿主图像对应三基色的最低频 分量 为中，即 ＬＬ 刀＝Ｌ￡刀＋ ・ＬＬｓｔ （２） 式（２）中： 为水印嵌入系数， 刀为彩色宿主图 像嵌入水印三基色低频分量￡ 。后的最低频分量． 另外，水印图像三基色的高频分量 凰 、ＨＬ 及 删 依次嵌入到彩色宿主图像对应三基色的次低 频分量￡ 、 ￡乃及ＨＨ乃中，即 ＬＨ’乃＝ 日乃＋ ・己 ｓｌ ｌ Ｌ ＝ＨＬ忍 ・ＨＬ５ｌ ｝ （３） ＨＨｔ ＨＨ ・ＨＨ ＼ 式（３）中： 乃、舭 刀及ＨＨ 刀分别为宿主图像嵌 入水印三基色高频分量ＬＨｓ 、ＨＬ 。及ＨＨｓ。后的次 低频分量． （５）对嵌入水印后的宿主图像三基色小波系 第３２卷第３期 谢斌，等：一种基于置乱的双彩色图像鲁棒水印算法 １７ 数进行ＩＤＷＴ变换，经过图像重构后得到嵌有彩色 水印的彩色图像． ３水印提取算法原理 彩色水印提取时需要彩色宿主图像的参与，水 印提取算法原理如图２所示． 三基色 ３级ＤＷＴ ３ 级ＷＴＤ Ｈ水印提取 Ｉ ｌ… … 藿聚毒篙鬟Ｈ Ｆ逆ｉｂｏ置ｎａ乱ｃｃｉ Ｈ网像重构Ｈ三基ＩＤＷＴ色 图２水印提取原理框图 （１）对嵌有水印的彩色图像进行三基色分离， 然后分别进行３级ＤＷＴ变换，得到其对应的最低 频分量 ￡ 忍和次低频分量ＬＨ Ｈｊ 乃及ＨＨ 日． （２）对彩色宿主图像进行三基色分离，然后分 别进行３级ＤＷＴ变换，得到其对应的最低频分量 刀和次低频分量Ｌ日 舭 乃及ＨＨ （３）水印的提取．水印图像三基色的低频分量 从含水印彩色图像三基色的最低频分量Ｌ￡ 中提 取．即 ＬＬ５１－－８（ＬＬ＇ｚ３－ＬＬ西） （４） 式（４）中：６为水印提取系数， Ｌ 。为提取出的水印 图像三基色低频分量．另外，水印图像三基色的高 频分量依次从含水印彩色图像三基色的次低频分 量 舭 乃及ＨＨ 压中提取，即 ，Ｊ风。＝５（ＬＨ＇ｚ３－ＬＨ乃）Ｉ Ｌｓｌ－－￣（ＨＬ 一 Ｌ乃）｝ （５） ＨＨｓｌ （ＨＨＩＺ３一ＨＨ乃）ｌ 式（５）中：￡Ｈｓ 、ＨＬ 。及删 。为提取出的水印图像 三基色高频分量． （４）对提取出的水印小波系数进行ＩＤＷＴ变 换。经过图像重构得到置乱后的水印图像． （５）对置乱后的水印图像进行Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ逆置 乱变换．得到提取出的彩色水印图像． ４实验结果 文中在Ｍａｔｌａｂ７．０环境下对所提算法进行仿真 实验．实验中采用的原始宿主图像为５１２ｘ５１２的 彩色图像，如图３（ａ）所示．原始水印图像为６４ｘ６４ 的彩色图像，如图３（ｂ）所示．图３（ｃ）为置乱后的水 印图像．文中使用彩色宿主图像和含水印彩色图 像的峰值信噪比ＰＳＮＲ值来衡量算法的透明性．用 提取出的水印与原始水印之间的相似度ＮＣ值来 衡量算法的提取效果．图４（ａ１为嵌入彩色水印后的 宿主图像，其与原始宿主图像的ＰＳＮＲ值为 ５７．６３６６，人眼很难觉察二者的区别，说明嵌入的水 印具有良好的透明性．图４（ｂ１为正常无攻击时提取 的水印图像，其与原始水印的相似度，ｖＣ值为 ０．９９１２，说明在无攻击时提取的水印失真程度非常 小。算法具有较好的提取效果． 一■■ （ａ）宿主图像 （ｂ）原始水印 （ｅ）置乱后的水印 图３原始图像及待嵌入的水印 ■■ （ａ）嵌有水印的宿主图像 （ｂ）正常提取的水印 图４嵌有水印的宿主图像和正常提取的水印 对嵌入水印后的彩色宿主图像进行多种类型 的常规攻击实验，通过比较攻击后提取出的水印 图像与原始水印图像的相似度来进行算法鲁棒性 的评估．图５（ａ）为ｑ＝９５的ＪＰＥＧ压缩攻击后提取的 水印图像．与原始水印的相似度ＮＣ值为０．９３９５． 图５ｆｂ）为ｄ＝０．００５的椒盐攻击后提取的水印图像， 与原始水印的相似度ＮＣ值为０．９６７５．图５（ｃ）为 ＝ ０．０００５的高斯攻击后提取的水印图像，与原始水印 的相似度为０．９５２６．图５（ｄ）为ｖ＝Ｏ．Ｏ０ｌ的Ｓｐｅｃｋｌｅ攻 击后提取的水印图像．与原始水印的相似度为 ０．９６５１． （ａ）ＪＰＥＧ压缩攻击后提取的水印 ■ ■ （ｂ）椒盐攻击后提取的水印 （Ｃ）高斯攻击后提取的水印 ■ ■ （ｄ）Ｓｐｅｃｋｌｅ攻击后提取的水印 图５各类攻击后提取的水印 ｌ８ 江西理工大学学报 ２０１１年６月 为了更好地证明算法的鲁棒性，对文中算法还 进行了多种强度的ＪＰＥＧ压缩攻击、椒盐攻击、高 斯攻击和Ｓｐｅｃｋｌｅ攻击实验．含彩色水印的宿主图 Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱，提出了一种鲁棒性双彩色图像水 印算法，将彩色水印嵌入到彩色宿主图像三基色的 像经过不同强度的上述攻击后，提取出的水印与原 始水印的ＮＣ值统计结果如表ｌ所示． 表ｌ各类攻击后的水印相似度（＾ 统计 低频小波系数中，较好地完成了水印的嵌入和提 取．水印图像经过了Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ置乱变换处理，提高 了水印信息的安全性．实验结果表明。该算法在元 攻击时的嵌入及提取效果良好，并且对ＪＰＥＧ压 缩、椒盐、高斯及Ｓｐｅｃｋｌｅ等攻击具有较强的鲁棒 性．由于目前多数图像水印算法是以二值图像或 灰度图像作为水印，因此文中所提以彩色图像作为 水印的双彩色图像水印算法具有较强的实际意义． 如何在视频载体中较好地完成彩色水印的嵌入将 是下一步的研究重点． 参考文献： ［１】凌贺飞，卢正鼎．基于ＹＣｂＣｒ颜色空间的二维ＤＣＴ彩色图像数字 水印实用技术【Ｊ】．，Ｊ、型微型计算机系统，２００５，２６（３）：４８２－－．４８４． 『２１李江华，陈 丰．一种基于ＤＣＴ理论的空域数字水印算法一ＤＡＳ 算法【ＪＪ．江西理Ｔ大学学报，２００７，２８（３）：４１－－４３． 综合以上实验结果可知，嵌入彩色水印后的宿 【３］李 军，陈 康．一种抗几何攻击的小波域盲图像水印算法【Ｊ］．江 主图像虽然经过了不同强度的多种类型攻击，但是 西理＿Ｔ大学学报．２０１０。３ｌ（３）：５１—５５． ｆ４１严明，夏建平，周激流．基于分块ＤＣＴ和Ｔｕｃｋｅｒ分解的彩色图像 提取出的彩色水印与原始彩色水印的相似度仍然 数字水印『Ｊ１．计算机应用，２０１０，３０（６）：１５０５—１５２６． 保持了较高的数值。人眼能够较容易地识别提取水 ｆ５】刘向丽，党岚君，寇卫东，等．一种基于二维ＤＦＴ的一对多非对称 印的内容．实验结果表明，文中所提算法对上述攻 数字水印算法【Ｊ】．四川大学学报，２００７，３９（５）：１３３一ｌ３６． 击具有较强的鲁棒性． ｆ６１初勇波，冯子亮．一种空问域和频率域结合的数字水印算法『Ｊ】．计 算机Ｔ程与应用．２００８，４４（８）：１ １５—１３８． 【７】李海燕．一种ＤＣＴ域的彩色图像数字水印算法【Ｊ】．合肥工业大学 ５结 语 学报，２００９，３２ｆ７）：ｌ０３４—１０８０． 【８】杨金华，王 霄，林祝亮．一种基于ＤＣＴ和置乱变换的数字图像 文中利用人类视觉系统特性，结合小波变换和 水印算法『Ｊ］．仪器仪表学报，２００６，２７（６）：９２３—９２４．
