一种抵抗JPEG压缩的数字水印方案

付艳辉，郑文超，李 黎

(杭州电子科技大学计算机学院，浙江杭州310018)

0 引言

数字水印技术是信息隐藏的一个分支。如今信息技术的飞速发展，给人们的生活带来便利的同时也带来了信息安全问题。数字水印是对数字媒体进行知识产权保护的一种重要且有效的手段。自从数字水印概念被提出以来，水印技术已越来越多地受到人们的重视，并已成为多媒体信息安全领域研究的一个新的热点［1］。数字水印是在数字媒体中嵌入水印信息以保护其版权或增强嵌入信息的隐蔽性。数字水印从嵌入位置分类可以大致分为空域算法和变换域算法。其中最优代表性的是最低有效位法，文献2、3提出，这是一种典型的空间域隐藏方法。变换域算法有可以细分为离散余弦变换(Discrete Cosine Transformation，DCT)、小波变换、傅立叶变换等。文献4提出对整个图像做DCT变换，然后将水印序列嵌入到频谱系数中。文献5提出了一种在小波域实现的数字水印方法，其优点是稳健性好和层次性检测方法。文献6提出的两个具有代表性的DFT域的水印算法，一个是将水印嵌入到DFT系数的相位谱中，以达到防篡改的目的，另一个是将水印嵌入到DFT系数的幅度谱中，以实现水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。文献7提出一种自适应水印算法，对原图进行分块DCT变换后，在DCT的中频系数嵌入，最小可觉差控制水印的嵌入强度，但其计算太过复杂。文献8提出一种自适应奇偶量化水印算法，但在抵抗JPEG压缩攻击方面略有不足。针对以上文献中出现的抵抗联合图像专家小组(Joint Photographic Experts Group，JPEG)压缩攻击的鲁棒性不佳的问题，本文提出将水印以奇偶原则嵌入到量化后的直流分量中，在保证鲁棒性的同时具有较好的透明性。

1 本文水印算法

1.1 标准JPEG编码介绍

JPEG是基于DCT变换的图像压缩算法，已被确定为彩色、灰度、静止图像的国际标准。JPEG压缩流程如图1所示。

图1 JPEG编码流程

首先将原始图像转换到YUV色彩空间，对各通道按某比例进行采样，分成8×8大小的块，做DCT变换。利用人眼对于各个频率分量具有不同的视觉敏感性，即人眼视觉模型(Human Visual System，HVS)，用合适的量化表进行量化。亮度量化表Tl如表1所示，色度量化表Tc如表2所示。

表1 JPEG亮度量化表Tl

表2 JPEG色度量化表Tc

JPEG是有损压缩格式，数据损失主要体现在量化过程中。量化后的系数分为直流分量(Direct Current，DC)和交流分量(Alternating Current，AC)两部分。JPEG标准中对DC和AC的编码方式有不同的要求，分别对DC系数做差分脉冲编码调制，对AC系数做游程编码和哈夫曼编码。添加文件头、量化表、哈夫曼表等构成JPEG文件。

解码的过程和编码相反，流程如图2所示。

图2 JPEG解码流程

1.2 水印嵌入

常见的数字水印方案大都是在空域或变换域嵌入水印。空域水印方案为保证其透明性，对原图修改较小，若对含水印图进行JPEG有损压缩，其水印信息可能无法正常提取。频域水印方案为抵抗JPEG压缩，在频域系数中嵌入水印，图1步骤4处，但在量化取整过程中会损失一些信息，若水印信号强度不大，就可能会被过滤掉。本文提出将水印嵌入到量化后的系数中，图1步骤5处。在经过无损的熵编码后，水印信息不会遭到破坏。

奇偶嵌入方法通过改变DC系数的奇偶性来嵌入水印信息，对原始JPEG载体图像进行部分解码，即在进行熵解码后和反量化前嵌入水印，步骤如下。

(1)Arnold置乱是Arnold在便利理论研究中提出的一种变换，俗称猫脸变换［9］。Arnold变换具有周期性，迭代一定的次数后可以恢复到原图。Arnold置乱矩阵形式为:

式中，x、y表示原始水印图像w的坐标，x’、y’表示置乱后的新坐标，L表示水印边长，这里是64。本文算法采用的水印大小是64×64。循环周期T64=48，这里选取置乱周期k=20，置乱后得到水印w1。k为嵌入密钥，提取水印时需要用到。将w1扫描为一维水印序列w2。

(2)对载体图像进行部分解码，得到Y通道量化后的DC系数。对每个8×8块嵌入1位水印信息，低频AC系数对透明性影响较大，不适合做水印的嵌入位置。高频AC系数很容易受到噪声干扰，同样不适宜作为嵌入水印的位置。本文选取DC系数进行嵌入水印，在保证鲁棒性的同时保证图像的透明性。

(3)根据奇偶原则和w2修改DC系数的值，进行水印嵌入如:

(4)对嵌入水印的数据进行JPEG编码，得到含水印图像。

1.3 水印提取

提取水印是水印嵌入的逆过程。对JPEG图像进行部分解码，从对应系数中提取水印。判断水印的质量好坏时，需要与原水印进行比对。

(1)在对待检测图像进行部分解码，得到Y通道量化后的DC系数。

(2)根据奇偶原则，提取得到水印W3如:

(3)对W3做反Arnold变换，周期k’=T64– k=28，得到最终水印W4。

2 仿真实验

仿真实验以512×512大小的彩色Lena、Baboon、Peppers等3张图作为实验载体图像。嵌入水印后的3张测试图与原图的PSNR分别是34、27、33，透明性比较好，如图3所示。

图3 Lena、Baboon、Pappers原图及嵌入水印图

提取水印与原始水印的NC值分别是0.979、0.992、0.954，提取水印质量较好。在被Photoshop等软件进行不同级别的二次压缩攻击后，提取水印的NC值如表3所示。

表3 Lena图各压缩等级提取水印NC值

图4 Q=7

图5 Q=8

图6 Q=9

图7 Q=10

图8 Q=11

图9 Q=12

部分提取水印如图4-9所示。从提取出的水印图和表3可以看出，相比文献8，本文提出的方法在针对JPEG压缩方面具有更好的鲁棒性。适用于抵抗JPEG压缩。

3 结束语

本文以JPEG压缩原理为基础，提出一种抵抗JPEG压缩的水印方方案。其特点主要体现如下:嵌入水印过程不必完全解码，简化了嵌入步骤;采用奇偶原则嵌入水印，方法简单易行;对于JPEG压缩攻击具有良好的鲁棒性。对于加噪、滤波和裁剪等攻击，鲁棒性不佳。可以从减小嵌入水印容量入手，加大嵌入水印强度，以提升鲁棒性。

［1］张玉双.与JPEG编码过程统一的数字水印算法研究与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2006.

［2］Schyndel R V，Tirkel A Z，0sborne C F.A Digital Watermark［C］.Austin:Proceedings of ICIP，1994:86 －90.

［3］Gunjal.An overview of transform domain robust digital image watermark algorithms［J］.Journal of Emerging Trends in Computing and Information Sciences，2010，2(1):37 －42.

［4］Bami M，Bartolini F，Callellini V.A DCT-domain System for robust image watermarking［J］.Signal Processing，1998，66(3):357－372.

［5］Xiang X G，Boncelet C，Arce G.A multi-resolution watermark for digital images［C］.Santa Barbara:Proceedings of ICIP，1997:548－551.

［6］Ruanaidh J.Scale and translation invariant digital image watermarking［C］.Santa Barbara:Proceedings of ICIP，1997:536－539.

［7］Andrew，Watson B.Visually optimal DCT quantization matrices for individual images［C］.Snowbird.Data Compression Conference，1993:178－187.

［8］薛辉，王平，梁晶，等.基于像素点灰度值奇偶性的数字图像水印方案［J］.计算机应用研究，2006，12(12):347－348.