基于灰关联及采样理论的数字水印算法11资料.doc

基于灰关联及采样理论的数字水印算法摘要：数字水印已成为互联网知识产权保护的重要手段之一，但目前对数字水印的研究尚有待进一步深入，特别是在水印的鲁棒性方面本文提出一种基于灰色关联和采样理论的数字水印算法，由采样变换生成的二值序列作为水印，灰度图像作为原始载体图像，将水印信号隐藏在原始图像中灰关联度小于阈值的位置仿真结果表明，该算法具有优越的透明性，并对大多数攻击均具有较好的鲁棒性关键词：灰关联，采样理论，数字水印1. 引言随着高速发展的信息技术、网络、多媒体和电子出版物等现代技术和媒体的迅猛发展，数字图像水印技术应运而生，并且成为在电子知识产权保护方面极富生命力的一项高新技术数字图像水印涉及到数字图像处理、通信理论、密码学等众多交叉学科，目前国内外关于数字图像水印的研究正处在迅速发展阶段[1-2]数字水印算法包括水印加密、水印嵌入和水印提取等方面的关键技术，在性能上涉及透明性和鲁棒性目前在数字水印的鲁棒性方面有很多研究，取得一定的进展，但尚未能取得突破性成果，因此需要进行进一步深入研究2. 水印的实现算法2.1 水印的加密算法为了提高水印的鲁棒性，需要对水印图像W进行第一步的预处理，即加密。

根据对各种加密算法[3-4]性能进行比较，采用采样技术[5]在实验中设置采样的次数，用来作为密钥key水印图像用矩阵A表示，大小为N×N： (1)N=2n时，把矩阵A中的奇数列抽出来排成矩阵B，把偶数列抽出来排成矩阵C，再把矩阵B和C组合成A1， A1=[B C]2)N=2n+1时，除最后一列，最后一行不变外，其它同N=2n时一样2.2 水印嵌入水印嵌入算法采用DCT结合灰色关联理论[5]的方法设原始图像P的大小为M×N，水印图像W的大小为m×n，分别可以表示为P={p(i,j)|1≤i≤M，1≤j≤N}和W={w(i,j)|1≤i≤m，1≤j≤n}水印的生成和嵌入的过程如下图1所示： 图1. 水印的生成和嵌入过程示意图水印嵌入算法的步骤如下：第一步，首先把原始图像分成8×8小块，对每小块进行DCT变换然后对每一小块图像进行边缘扩展，将四周像素的灰度值扩展到新增加的边界上，且四个顶角处的值与原始图像中顶角处的灰度值保持不变，得到的处理图像P1大小变为(8+2)×(8+2)第二步，从P1中寻找对人眼视觉不敏感的区域，可根据相邻像素的灰度值相近的概率最大的原理，选择邻域空间做为选取对象嵌入过程中，根据相邻像素间灰度值相近的概率最大的原理，设定参考序列取为: (1)参考序列各元素的比例关系类似于平滑区域中各相邻点的关系。

比较序列的选取方法为：对九点阵经Zig-Zag曲线一维化处理后可表示为： (2)可将定为比较序列，其中{(i,j)|2≤i≤M+1，2≤j≤N+1}第三步，计算灰色绝对关联度设为，设{为，则灰色绝对关联度用公式表示为： (3)其中：，第四步，将计算得到的灰色绝对关联度与比较阈值比较大小，设定比较阈值为K(K<1)，如果灰色绝对关联度r0i＜K且r0i与1相差较大，则说明九点阵的中心点P1(i,j)位于图像的非平滑区域，是合适的嵌入位置，记录该点在原始图像中的对应位置(i-1,j-1)；否则将该点略去继续对下一个像素点进行判断，直至选定的可嵌入位置总数满足需嵌入的水印信息量2.3 水印提取水印的提取过程基本上就是嵌入过程的逆操作本文采取了非盲水印算法，所以提取过程需要含水印图像PW和原始载体图像P3 仿真实验原始图像为一幅256×256大小的灰度图像，水印标记为128×128大小的图像运用采样变换加密技术对水印进行预处理，加密后的图像如图2所示从图中可以看出，利用该算法对水印图像进行4次置乱后，原始水印已经变得杂乱无章。

原始水印 采样1次 采样2次 采样4次 采样7次图2. 置乱水印 (a) 剪切图像的载体图像及提取的水印 (b) 图像增亮的载体图像及提取的水印 图3. 攻击后含水印的载体图像及提取的水印为了检测该算法的鲁棒性，对水印进行了一系列攻击，包括剪切、图像增亮、图像变暗、增加对比度、降低对比度、椒盐噪声、JPEG Image 压缩、直方图均衡化、添加高斯噪声等攻击方式攻击后含水印的部分载体图像及提取的部分水印如图3所示从嵌入图像和提取图像结果可以看出，该算法对大多数常见攻击具有很好的抗攻击能力4. 结束语本文以采样变换和灰色系统为理论基础，提出了一种基于采样加密和灰色关联的数字水印算法，在实现水印的嵌入中取得了数字水印的透明性和鲁棒性间的良好权衡；在水印提取时，利用参考序列与待检测图像中比较序列来检测水印的存在，提高了水印检测时的正确率算法经受了剪切、图像增亮、图像变暗、增加对比度、降低对比度、添加椒盐噪声等各种不同的仿真攻击实验仿真实验结果表明，该算法对大部分攻击方法具有良好的鲁棒性。

参考文献：[1] 王丽娜,郭迟,李鹏.信息隐藏技术[M]. 武汉大学出版社,2004.10,140-190.[2] 王颖,肖俊.数字水印原理与技术[M]. 科技出版社，2007.3，7~9.[3] 林雪辉,蔡利栋.基于Hilbert曲线的数字图像置乱方法研究[J].中国体视学与图像分析,2004,9(4):224-227.[4] 邹建成,铁小匀.数字图像的二维Arnold变换及其周期[J].北方工业大学学报,2000,12(1):10-14.[5] 刘桂明. 基于不确定性理论的数字水印算法研究[D]，电子科技大学硕士论文. 2007年4月.。