基于集成成像的三维空间数字水印新技术

刘轶群,张建奇,王晓蕊,罗 鹏

(1.西安电子科技大学 物理与光电工程学院,陕西 西安 710071;2.武警工程大学 电子技术系,陕西 西安 710086)

基于集成成像的三维空间数字水印新技术

刘轶群1,2,张建奇1,王晓蕊1,罗 鹏2

(1.西安电子科技大学 物理与光电工程学院,陕西 西安 710071;2.武警工程大学 电子技术系,陕西 西安 710086)

提出了一种基于集成成像的数字水印技术,利用基于智能深度反转模型的计算集成成像系统,生成三维数字水印;设计基于离散小波变换的嵌入与提取算法,实现了水印信息的隐藏,并利用集成成像显示三维数字水印。通过实验证明,表明新技术产生的三维数字水印不仅满足了稳健性和安全性的要求,且图像质量和显示效果均符合人类视觉模型的要求。该研究工作为三维数字多媒体产品的版权保护提供了新的思路及解决手段。

三维空间数字水印;集成成像;版权保护

基于光学理论与方法的信息隐藏和数据加密技术是近年来在国际上开始起步发展的新一代信息安全理论与技术[1-7]。与电子加密系统相比,光学加密系统具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒性、天然的并行性、难以破解等诸多优点[7-11]。现代光学信息隐藏通常借助密钥作用,对水印图像进行光学变换或处理,在空域内实施嵌入载体图像的操作完成隐藏。当前,数字全息术[5-6]和随机相位编码[7-8]是两种主要的光学信息隐藏技术。

集成成像(Integral Imaging,II)是下一代自由立体显示的主要技术之一。2007年,韩国Dong-Choon等人[12]的研究成果表明集成成像技术可以用于数字水印的研究,在攻击可控的情况下,能够实现信息隐藏。2009年,Yong-Ri Piao等[13]提出了一种稳健的图像加密方法,采用集成成像和像素置乱(Pixel Scrambling,PS)技术,对载体图像的像素进行置乱,通过微透镜阵列记录获取生成加密的微单元图像。纪超超,王琼华等[14]提出了一种立体图像显示内容受控的技术,从微单元图像中抽取出不同的像素,通过集成成像系统重现、显示,观察者可从不同的方向和角度观看到不同的三维场景,达到隐私保护的目的,这是一种融合集成成像、图像编码、信息安全理论的技术。

本文提出一种基于集成成像的数字水印新技术,利用基于智能深度反转模型的计算集成成像系统,生成三维数字水印;设计并实现基于离散小波变换的嵌入和提取算法,进行水印信息的隐藏,载体图像和水印图像均为彩色的微单元图像,嵌入和提取操作对载体图像未产生降质、无法重构与无法显示等现象,算法兼顾载体图像的嵌入容量和稳健性等方面;利用集成成像系统识别、显示三维数字水印。通过实验,表明所提方法的可行性和正确性。新技术为三维数字多媒体产品的版权保护提供了新的思路和解决手段。

1 基于集成成像的三维数字水印技术

集成成像技术是一种用微透镜阵列(Lenslet Array)来记录和显示全真的三维场景的裸眼立体显示技术[15-17]。基于集成成像的三维数字水印系统主要包括三维数字水印的生成、三维数字水印的传输和三维数字水印的检测与提取等部分。

1.1 三维数字水印的生成

微单元图像是基于集成成像的三维数字水印系统所使用的图像[18-20]。集成成像系统生成3D模型的微单元图像,用它们作为载体图像和水印图像。要注意载体图像与水印图像之间的约束关系,以及水印嵌入与提取算法,以达到最佳信息隐藏效果。

1.2 三维数字水印的嵌入与提取

本文设计并实现基于离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)的三维数字水印嵌入和提取算法。三维数字水印嵌入算法,主要步骤如图1(a)所示,包括:(1)载体图像RGB三通道分离。(2)水印图像RGB三通道分离。(3)载体图像与水印图像进行大小条件判断,即若载体图像大于水印图像,符合嵌入条件,继续执行下面的步骤,否则,不能进行嵌入。(4)对载体图像每一个通道进行分块。(5)每一个小块进行DWT分解。(6)在随机密钥控制下,水印图像的对应通道的一个像素点,分别迭代嵌入DWT分解的LL(Low-Low)子带,把水印信息嵌入到变换系数中。(7)对嵌入水印的图像分块进行离散小波逆变换(Inverse Discrete Wavelet Transform,IDWT)重构。(8)重复上述(5)～(7)步直到水印图像完全嵌入,生成含水印的载体图像。

因此,该嵌入算法可表示为:设三通道分离的载体图像为CRGB(x,x,3)=(CR∶CG∶CB),三通道分离的水印图像为WRGB(y,y,3)=(WR∶WG∶WB),当满足CRGB>WRGB时,进行q×q的分块处理,则图像的分块情况分别为

(1)

最后,完成数字水印数据的嵌入

(2)

式中,α表示嵌入强度因子;rkey表示随机密钥。

三维数字水印提取算法,如图1(b)所示,主要步骤如下:(1)含水印的载体图像RBG三通道分离。(2)每一通道进行q×q分块。(3)每一小块进行DWT分解。(4)提取低频子带每2×2区域的q个水印嵌入值。(5)计算个水印嵌入值的平均值。(6)重复步骤(3)～(5),直到提取出全部水印信息。(7)根据第(5)步得到的平均值,重构出水印图像。

图1 基于集成成像的三维数字水印的嵌入与提取算法

1.3 三维数字水印的显示

为了最佳地显示三维数字水印图像,需要根据应用目的选择不同的显示模式与方式。选择多投影机和微透镜阵列的组合显示方式,因此,无需减小透镜元的节距,只增加投影机的数量,便能够增加每个透镜元对应的光点数量,提高了3D图像的显示质量。

2 实验结果与讨论

根据理论分析,实验流程分为3个阶段:第一阶段是三维数字水印生成阶段;第二阶段是三维数字水印嵌入与提取阶段;第三阶段是三维数字水印显示阶段。

2.1 三维数字水印生成阶段

利用集成成像系统,分别生成XD模型和球棍模型的微单元图像,如图2所示。选定球棍微单元图像作为载体图像,大小分别为256×256像素,512×512像素,1 024×1 024像素,2 048×2 048像素;XD微单元图像作为水印图像,大小分别为64×64像素,128×128像素,256×256像素。图像格式类型为png。

图2 载体图像和水印图像的微单元图像

2.2 三维数字水印嵌入与提取阶段

利用嵌入与提取算法,实现三维数字水印图像的信息隐藏。经过对实验样本的测算,不同大小的三维数字水印,其峰值信噪比曲线如图3所示,横坐标为载体图像与水印图像的大小比例关系,纵坐标为PSNR值。PSNR越大代表图像失真越小,PSNR>30dB,便可认为所获得的PSNR是合理数值[12],一般人眼是感觉不到的,通常作为失真度可接受的标准。且实验样本的相似度均>0.996 6,相似度接近于1,即提取重构的图像质量与原图像相似度高。因此,实验数值结果表明所用算法是可行且正确的。

图3 不同三维水印图像的PSNR曲线图

2.3 三维数字水印显示阶段

利用提取算法,恢复出水印图像。实验中,采用实模式的显示模式,多投影机与微透镜阵列组合方式显示观测三维数字水印,如图4所示。实验结果表明,重构显示的三维数字水印图像的分辨率、深度和视场范围,都符合人类视觉模型的要求,满足集成成像系统的图像质量主观评价标准。图像分辨率低是因为显示3D图像必须通过微透镜阵列来观看,观看特性参数以及投影机分辨率、微透镜阵列的工艺水平等都会影响3D图像的显示质量,而且,3D图像的一部分重构面超出图像深度范围,因此,图像分辨率低。

图4 三维数字水印的立体显示

集成成像的计算重构,与微单元图像的记录过程中,成像系统和光学元器件的参数设定密切相关。非法用户一旦篡改微单元图像,就会大幅降低三维水印图像重构质量,甚至会导致无法恢复、无法显示原来的三维水印信息。因此,在新技术中,集成成像系统的光学元器件参数和功能参数,可作为密钥;嵌入算法中,水印嵌入程度的调制参数,也可作为密钥,将这些密钥参数组合起来,作为多重密钥,便会增加破解的难度,提高安全性。新技术中采用的DWT嵌入和提取算法,将信号能量进行重新分布,将嵌入到变换系数的隐藏信号能量在时域/空域中进行扩散,有效解决了隐藏信息不可检测性与稳健性之间的矛盾。因此,新技术能够满足稳健性和安全性要求。

3 结束语

基于光学技术的信息隐藏受到人们越来越密切的关注,本文提出一种基于集成成像的三维数字水印新技术,利用基于SPOC计算集成成像实现三维数字水印的生成与显示,基于DWT的嵌入和提取算法,实现三维数字水印的信息隐藏,实验证明了新技术的可行性和正确性。研究工作为集成成像的图像源和三维数字多媒体产品的版权保护提供了新的思路和解决方法,也为信息隐藏技术开辟了新途径。下一步,将开展信息隐藏与光学密码编码理论的融合研究,开拓更安全的信息隐藏技术与方法。

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A New Technology of Three-Dimensional Space DigitalWatermarking Based on Integral Imaging

LIU Yiqun1,2,ZHANG Jianqi1,WANG Xiaorui1,LUO Peng2

(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China;2.Department of Electronic Technology,Engineering University of the Armed Police Force,Xi’an 710086,China)

In recent years,three-dimensional space digital watermarking has become a new hotspot in optical information security.This paper presents a new three-dimensional space digital watermarking technology based on integrated imaging.Three-dimensional digital watermarking is generated by the computational integral imaging system that is implemented with the smart pseudoscopic-to-orthoscopic conversion model.The discrete wavelet transform algorithm is applied to embed and extract the three-dimensional digital watermarking.Three-dimensional digital watermarking is identified and shown by the integral imaging system.The feasibility and effectiveness of the proposed technology is demonstrated by experiment.The new technology is robust and secure;its image quality and display quality can also meet the criteria of the human visual model.The proposed technology opens up a new research perspective for the copyright protection of three-dimensional digital multimedia products.

three-dimensional digital watermarking;integral imaging;copyright protect

2014- 10- 21

国家自然科学基金资助项目(61379152;61309022);陕西省自然科学基金资助项目(2014JQ8358);武警工程大学基础研究基金资助项目(WJY201314;WJY201419)

刘轶群(1979—),男,博士研究生。研究方向:光学信息安全与立体显示。E-mail:wjliuyiqun@126.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.001

TP309.7

A

1007-7820(2015)05-001-04