一种基于HVS的空域分块数字水印技术

刘挺

（西安外事学院 陕西 西安 710077）

通信和网络技术的日益普及，多种数字终端的大量应用，使得人们生活中到处充满着各种各样的数字信息。数字信息以其传播迅速、费用低廉、复制简单、制作方便、传播区域广的特点，方便我们使用的同时，数字信息安全性的关注也更加突出。数字水印技术中大量的借鉴了传统密码学和通信学中隐藏术的研究，再与现代各种数字技术相融合，体现了数字水印作为一门新技术的特点。

根据数字水印嵌入数字载体区域的不同，又分为空域水印和频域水印。空间域算法通常简单易操作，水印嵌入量较大，抵抗外部几何攻击能力强，具有明显的优势，但抵抗压缩、噪声、滤波等攻击方面，效果较差。

1 数字水印与HVS

HVS（Human Visual System）指人类的视觉系统。人们的视觉感官对周围事物的察觉敏感性的差异，会随着环境的不同，视觉敏感性差异很大。这种变化是与人类视觉自身的生理结构相关的。

大量的研究发现，HVS对于事物各种的颜色敏感性，也有差异。大自然中不同颜色，我们都可由红、绿、蓝3种颜色调配而成，称之为“3基色原理”。我们目前在生活中所用到的数字影像几乎都为彩色的，因而本文中选用的水印载体图像均为彩色的，便于实验结果更加符合实际运用。对于彩色影像来说，其任一个像素都可以由 R（红）、G（绿）、B（蓝）3 种颜色表示。根据HVS人类视觉系统针对各种色彩的敏感度不同，在数字图像的不同位置，调整嵌入的水印信息，可极大提高嵌入水印的图像质量。大量的相关实践证明，彩色图像颜色的权值比例系数分别为 R：G：B=2：1：4 时[1]，含数字水印的彩色图像的效果较好。本文在载体图像的颜色B（蓝色）分量中，嵌入水印信息，调整各种颜色的权值，使加载数字水印后的图像质量，有很好的不可感知性，不易被察觉。

2 基于分块的空域水印

空域水印算法思想是指在数字水印载体的颜色灰度值中，隐藏加载数字水印信息。这种水印技术简单，易操作实现，但抵御外部对水印攻击能力差，易造成水印信息的丢失。为了提高水印信息的稳定性和强度，使其具有更强的抵御外部攻击能力，本文提出了一种基于分块思想的空间域水印算法。在数字水印载体图像中，把载体数字信息进行分块，按不同区域重复嵌入水印信息，加载后的水印信息分布兼顾数据的集中与分散特点。嵌入的数字水印越分散，其加载后不可见性就越好，抵抗缺损、变形的外部攻击的能力更强；数字水印在载体信息中的重复率越高，其强度就会越高，抗外部攻击能力整体就强[2-7]；嵌入水印信息的局部重复率越高，根据几何里旋转中质心不变的特性，加载后的水印信息局部稳定性强，因而在实际中抵御旋转等攻击的能力更加明显。

图1 水印的嵌入Fig.1 Watermarking imbedding

数字水印的提取算法如图2所示。数字水印信息提取时，含水印的载体图像经常会受到外部环境的影响，发生一些形变或遭受一定程度的攻击破坏，使得水印载体图像信息不全。我们在水印信息嵌入时，因为有多个重复数据，采用“多数原则”的思想，进行水印的提取，统计分析水印的像素点值；最后，汇集统计出来的水印信息数据，就可恢复出水印图像信息。

图2 水印的提取Fig.2 Watermarking extracting

3 水印的嵌入

本文水印算法，具体步骤为：

1）将彩色水印载体图像（M×M），分解为红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）3个灰度图像。根据HVS特性，分别设置颜色权值为红色为0.12，绿色为0.03，蓝色为0.12。

3）量化处理水印信息。水印像素点值除以设定的量化步长值，再取整。

4）水印信息的嵌入。

式（1）中 w′x，y含数字水印的像素点值， wx，y为水印像素点值， 为步长值，λ为数字水印量化后的像素点值。

5）在同一数据区域内，重复嵌入同一个数字水印信息。

6）遍历每一个的数据块，分别嵌入不同的水印像素值，最后得到含水印信息二维灰度图像。

7）三色叠加，重构出嵌入水印的彩色图像。

4 水印的提取

其操作过程为：

1）分解含水印图像为红、绿、蓝 3个二维灰度图像。

2）把蓝色灰度图像分解为不重复的数据区域，数据区域的大小为蓝色灰度图像的尺寸除以水印图像大小，得到的数据取整数，再平方。

3）分别对某一数据区域的像素点值进行量化处理：像素点值除以量化步长值，对其取整数，得到数据∂′。4）提取出所对应的水印信息像素点值。

式（2）中 w′x，y为提取出的水印信息值， ∂′为量化后水印的值。

5）重复步骤4，得到同一数据区域内多个数字水印值，依据“少数服从多数原则”确定提取的单个水印信息。

6）遍历每一个的数据区域，重复步骤3-5，最后得到还原后的数字水印信息图像。

5 实验结果

实验平台选用MATLAB 7.0进行仿真，水印载体选用的baboon.bmp（512×512）彩色 RGB 图像，数字水印为二值图像（64×64）；强度参数为4.43，嵌入水印后载体图像的PSNR为32.638 9＞30，表明载体透明性较好，水印信息不易察觉。部分实验数据如表1所示。

表1 实验数据Tab.1 Experimental data

6 结束语

文中的空域水印在剪切、旋转、椒盐噪声的攻击下，抗攻击能力强；空域算法是基于块分解的，有突出的抗击旋转能力；空域水印算法为盲水印算法，提取简单，不需原图像，速度快。

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