基于数字水印的“数字图像处理”案例设计

赵 杰

(商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西 商洛 726000)

0 引言

当今社会数字图像处理已经在交通安防、生物医学工程、多媒体技术、智慧农业等诸多方面得到应用，人们的社会生产与生活也得到了许多便利。高等院校电子信息类专业往往也将“数字图像处理”作为非常重要的必修或选修课程，主要内容为数字图像处理的基本原理和常用方法。与工业生产及社会生活联系比较紧密[1-5]。课程理论性较强，而且涉及一定数学理论，目前，大多数高校在教学过程中利用MATLAB等平台作为辅助教学手段，通过代码编写与仿真，可以明显减少直接枯燥数学理论讲解和简单的图示，使学生可以将理论知识与代码仿真结合起来，增进对基础理论的理解[6-8]。但一般的教学演示或实验还是以图像几何变换、二维傅里叶变换、离散余弦变换、边缘检测、图像增强与复原、彩色图像处理等基础型仿真为主，缺少综合性与创新型的案例项目[9-10]。

数字水印技术作为隐蔽通信和版权保护的重要手段，正得到广泛的研究与应用[11]。为增强学生理论联系实际的能力，结合学院教师的科研项目，对教学案例进行了探索和研究。本文以研究热点“数字水印”为例构建一个利用图像数据位的综合型案例。

1 综合性案例设计

数字图像数据一般为8位一个字节的数据(RGB彩色图像每个颜色分量均可看作一个字节数据)，低位在前(LSB)，高位在后(MSB)。选择数据位的不同位来表征原始图像特征的特定信息。如对于一幅8位二进制数据位的灰度图像，其中的每个比特位可以看作是一个二值的平面，也称位平面。这样一个8个数据位的灰度图像可以看作是由8个二值化平面图像即8个位平面组成，其中每一个位平面只描述原始图像的部分信息。

1.1 零水印的构造

(1)对原始载体图像P进行数据位分解，得到数据位的最高位M。

(2)将有意义的原始二值水印图像w经过Arnold变换后得到置乱的加密图像ww。

(3)将得到的数据位的最高位与加密图像ww进行逻辑运算，得到构造图像F。

1.2 零水印的检测

(1)对待测图像Q进行数据位分解，得到数据位的最高位MQ。

(2)将MQ与构造图像F进行相应的逻辑运算得到F′。

(3)对F′进行反置乱得到图像w′。通过对提取的水印和原始水印图像做相似度检测，来判断待测图像中是否有零水印存在。

相似度(NC)是判定水印是否存在的一个指标，当NC大于既定经验阈值，就可判定水印的存在。反之，则认为水印不存在。NC的表达式如下：

仿真所用的原始载体图像是大小为8位灰度lena图像，原始水印图像选用大小为有意义二值图像，如图1所示。

对待测图像(含有水印的载体图像)在分别经过椒盐噪声处理、高斯噪声处理、剪切处理和JPEG压缩处理等情况下进行水印检测，测试其NC值。

图1 原始载体灰度图像和水印图像

1.3 扩展与改进

在上述过程基础上，提示启发学生对算法进行进一步改进，得到多种改进思路，本文以较简单的“多数原则”方案为例进行介绍。该方案主要对构造图像F的生成进行修改。

此时将ww与D异或得到F。

以N=8为例测试改进算法，攻击类型与基础算法一致。以椒盐噪声为例，测试结果如图2所示。

图2 改进算法椒盐噪声攻击测试结果

将改进算法实验数据与本文基础算法和文献进行了对比，实验结果如表1所示。

为使数据更直观，要求将表中的数据绘制成折线图。其中，横坐标代表对待测图像不同的攻击方式，纵坐标是提取出的水印与原始水印的相似度，如图3所示。

表1 攻击测试对比

图3 攻击测试对比

由表1和图3可知，改进算法对常见的图像处理，提取出的水印与原始水印的相似度均高于基础算法和文献[12]方法，达到了进一步提高水印鲁棒性的目的。

2 案例讨论

该数字水印案例涉及图像运算及其他处理领域，以零水印生成过程为例，其结构如图4所示。标注框说明了各环节涉及的图像处理操作，虚线方框为扩展内容；可以对原始载体图像进行频域变换，然后将水印隐藏至频域系数的数据位中，这就涉及图像频域变换。检测时，还会涉及图像加噪、剪切、JPEG压缩等内容。

图4 项目案例解析图

教师在理论课上进行简单介绍，要求学生课后查阅相关资料。随后进行操作示范以及必要的讲解，学生可组成小组共同讨论完成。在学生实践过程中，教师给于指导。首先要求完成基本任务：利用最高位进行零水印生成与检测，然后进行一定的扩展引导，启发学生思考如何修改算法来进一步提高鲁棒性。以电子信息科学与技术专业2016级两个班(共69人)为试点实施，约30%的学生对数字水印表现出较明显的兴趣，约74%的学生对创新性实验有了初步感受，少数学生在完成基本任务后对其进行改进，提出了新的方案。后续还需进行进一步的提炼，设计更多的综合性与创新性强的应用项目案例。

3 结语

图像运算是图像处理实验的常见项目，多数实验过程为读入多幅感染噪声的同一场景图像，然后相加平均削弱噪声，体现图像加运算的应用。或直接对图像进行点运算、几何运算等基础操作。创新型实验是培养学生创新意识、增强理论联系实际能力的重要手段。本文以图像运算实验为例，将教师科研项目的内容进行简化、提炼，设计了创新型实验项目，使学生对理论联系实践应用有了更好的感受，一定程度上提高了积极性。