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      Haar小波在數(shù)字圖像水印算法上的探究

      2013-11-15 02:39:14
      電子測試 2013年14期
      關(guān)鍵詞:數(shù)字水印子帶數(shù)字圖像

      劉 濤

      (陜西國際商貿(mào)學院,陜西西安,712046)

      1 問題研究

      小波變換是傅里葉變換中的特殊形式,它的優(yōu)點在于可以對一些數(shù)字信號比如上文提到的數(shù)字圖像或者音頻之類(在數(shù)學上可以看做是函數(shù))利用自身的變換特點:平移、伸縮,發(fā)生尺度細化作用,就相當于是一個掃描儀逐步對信號進行掃描,精確到信號上的微小細節(jié),并且可以達到對信號低頻時候進行頻率細分,高頻時候進行時間細分的效果。對小波變換的研究已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)應用到了非常廣的領(lǐng)域內(nèi),例如信號接受處理、模式認知、圖像識別、數(shù)字信息安全保護、還可以涉及到數(shù)學上的微積分方程數(shù)值解等等。

      本文研究方向是通過小波變換當中應用最廣的Haar小波變換把宿主圖像分解,然后將保證信息安全的的數(shù)字水印信息通過算法嵌入到已分解好的宿主圖像中。

      2 基于Haar小波數(shù)字圖像水印算法

      Step1:利用Logistic變換和Arnold變換先后對數(shù)字水印信息“JD"進行之亂處理,先用Logistic變換對數(shù)字水印信息進行一級置亂,接著用Arnold變換對數(shù)字水印信息進行二級置亂,生成(0, 1)二值序列,這樣做的目的是為提高信息的安全性,增加信息被破解難度。

      Step2:把宿主圖像分割成8*8的小圖像塊,目的是為了節(jié)省程序運算時間以及運算成本。接著利用Haar小波分別對8*8當中的每一個小圖像塊做一級解構(gòu),同時分別把CD1這樣的高頻圖像提取出來。

      Step3:利用Haar小波把Step2中提取出的高頻圖像再一次的解構(gòu),從而對角高頻圖像CD:同時選擇CD1 (1,1)和CD2 (1,2),這兩個位置是可以固定具體位置的系數(shù)。圖1為數(shù)字圖像高頻分解圖。

      Step4:本文研究的創(chuàng)新之處是將數(shù)字水印信息通過算法嵌入到數(shù)字圖像的高頻子圖區(qū)域,并且不越位的將數(shù)字水印信息讀入,若計算機識別數(shù)字水印信息的讀入位置是0同時CD1(1,1)<CD2 (1,2)的時侯,則交換CD1 (1,1)和CD2 (1,2)位置;當讀入位為1時候,并且CD1 (1,1)>CD2 (1,2)時,則交換CD1(1,1)和CD2 (1,2)的位置。操作步驟具體為:

      當Vector=0,并且CD1 (1,1)<CD2 (1,2),則交換CD1 (1,1)和CD2 (1,2)位置;

      如果 Vector=1,并且‘CD1 (1,1)>CD2 (1,2),則交換 CD1(1,1)和CD2 (1,2)位置。

      然后根據(jù)CD1(1,1)和CD2(1,2)之間的差值的大小決定水印的嵌入;

      如果CD1(1,1)-CD2(1,2)<k,則CD2(1,1)=CD2(1,1)+(k/2);CD2(1,2)= CD2(1,2)-(k/2);

      如果CD2 (1,2)-CD2 (1,1)<k,則CD2 (1,2)= CD2 (1,1)-(k/2); CD2 (1,2)= CD2 (1,2)+ (k/2)。

      Step5:按照上述的嵌入算法把水印嵌入后,還要對塊宿主圖像作用Haar小波的逆變換,從而達到重構(gòu),這就是8*8當中的一小塊宿主圖像的數(shù)字水印完整的嵌入過程。

      Step6:通過程序讓計算機自動重復上述的流程,逐一完成8*8每一小塊圖像的數(shù)字水印嵌入,最終將數(shù)字水印信息嵌入整幅圖像當中。

      圖2 為數(shù)字水印信息嵌入到宿主圖像的整個流程。

      本文將常用的實驗的大小為512*512灰度數(shù)字圖像“boon"作為宿主圖像,水印信息為將大小為64*64的二值數(shù)字圖像“JD”作為待嵌入的數(shù)字水印信息,圖3展示。本文先對待嵌入的數(shù)字水印信息進行Logistic變換一級置亂,使之成為一級加密水印,相當于進行了第一級加密,然后對一級置亂后的數(shù)字水印信息再利用Arnold變換對其進行二級置亂,生成(0,1)二值序列,相當于是二級加密,使其具有更高的安全性。通過算法利用用Haar小波將已分割成8*8的宿主圖像每一小塊圖像進行了兩次的小波解構(gòu),在每一小塊的灰度圖像的高頻子帶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字水印信息的嵌入。這樣做的目的是利用了人類視覺獨有的特點使得在數(shù)字水印信息在宿主灰度圖像里具有更加理想的隱蔽性,從而達到與原灰度圖像極度相似的目標。

      3 數(shù)字水印信息的提取

      Step1:把已嵌有數(shù)字水印信息的灰度圖像,再進行8*8的減構(gòu)處理,這樣做的目的同樣是為了降低計算機的能耗,減少資源浪費,達到最優(yōu)。也為Step2做了鋪墊。

      Step2:對已減構(gòu)好的每一小塊帶有數(shù)字水印信息的宿主圖像,提取出其高頻子帶,按照系數(shù)比較法,提取之亂后的數(shù)字水印信息。最終得到完整的一維向量。

      Step3:對已提取出的一維向量,按照數(shù)字水印的信息置亂的逆過程,既先進行Arnold變換恢復,再進行Logistic變換恢復,從而得到最初的待嵌入的數(shù)字水印信息“JD”。

      圖4為數(shù)字水印信息提取的流程圖。

      圖4 水印信息提取流程圖

      4 結(jié)論

      本文之所以選擇灰度宿主圖像的高頻子帶作為數(shù)字水印信息的的嵌入?yún)^(qū)域,這是結(jié)合了人類視覺特征,并且不斷優(yōu)化嵌入算法的結(jié)果,與以往把宿主圖像的低頻子帶作為水印信息嵌入?yún)^(qū)域有了很大的不同。同時也驗證了結(jié)合Haar小波變換,定義小波系數(shù)和數(shù)字水印信息強度因子之間的關(guān)系,加密灰度宿主圖像的可行性,使得水印保密性大大加強。

      [1]邸繼征.小波分析原理[M],科學出版社,2010.

      [2]T.LeightonJ,Cox,J.Kilian.Securedia[C].IEEE Transaction on Imagespread spectrum Processing,1997.

      [3]張小華,鐘樺,焦李成.數(shù)字水印與圖像認證算法及應用[M],西安電子科技大學出版社,2006.

      [4]瓦爾納(David F.Walnut).小波分析導論[M].世界圖書出版社,2011.

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