颜色空间对打印图像水印性能影响研究

侯云耀，王彩印，余英，孙玉婷

自动化与智能化技术

颜色空间对打印图像水印性能影响研究

侯云耀，王彩印*，余英，孙玉婷

（大连工业大学，辽宁 大连 116034）

打印图像在数模/模数转换过程中，主要涉及到RGB、CIELAB和CMYK 3个颜色空间。本文基于DCT域水印算法，在不同颜色空间嵌入水印图像，研究并分析颜色空间对打印图像水印性能的影响。选取暗调、饱和色、风景、亮调、人物、中性灰6类图像分为低中高3个复杂度分别在RGB、LAB、CMYK颜色空间下的各个分量图像中进行透明性、鲁棒性评价。经透明性分析，RGB空间B通道、Lab空间b通道和CMYK空间M通道嵌入水印透明性更好；鲁棒性分析可知，亮调图像在RGB空间抗非几何攻击能力较差，各类型低复杂度图像在LAB空间抗攻击性能差，所有图像在CMYK前三通道的抗攻击性能优于K通道，抗打印攻击能力上暗调图像抗此攻击性能差，所有图像在LAB空间抗打印攻击性能最好，其中L通道最好。本文系统研究了颜色空间对打印图像水印性能的影响。结果显示，颜色空间对不同类型和不同复杂度的图像水印性能具有不同程度的影响。完善了数字水印技术在打印图像应用中的理论体系，同时将为彩色图像数字水印技术的工业化应用和优化提供一定的指导和借鉴。

颜色空间；打印图像；数字水印；几何攻击

随着互联网和智能终端的普及，数字图像信息的获取、交换和传输变得异常简单。由于数字信息包含的内容丰富，数字图像信息已广泛用于通信和信息传递中。然而，这种方便性也带来了一些问题，例如一些个人或组织可能会在未经授权的情况下恶意复制和传播有版权保护的文件。为解决这个问题，数字水印技术在多个领域被用作一种解决方案[1-3]。

但是多数的数字水印算法都基于单个颜色空间来研究符合人眼视觉的通道，如马璁珑等[4]采用DWT域算法，将水印图像嵌入到宿主图像C、M、Y或K通道的DWT域进行实验。魏代海等[5]对载体图像进行RGB三通道分解，水印单通图像进行加密，将水印嵌入到载体图像低频经奇异值分解后的对角矩阵中。包新月等[6]提出相异的色彩空间使用的场景是迥异的，通过系统设计实现数字图像处理阶段常用的色彩空间的转换，实现了RGB、HIS色调空间的转换。张菁等[7]提出基于颜色空间转换的颜色复原算法是保持颜色信息一致性的关键技术，提出的颜色复原方案达到降低23%的色差的目的，以实现颜色的精确复原。但在颜色空间转换时会造成数据丢失的误差不可避免，因此本文将研究在打印过程中所涉及的RGB、CIELAB和CMYK 3个颜色空间对打印图像水印性能的影响。

1 相关技术背景

1.1 水印基本模型

水印算法多种多样，空间域水印算法和频率域水印算法[8-9]都有大量的研究，但数字水印还都有一个相似的模型，即通过相应的水印嵌入规则将具有唯一性的版权标识嵌入到数字图像中，以达到信息隐藏的目的。当需要时通过水印提取算法将版权表示提取出来。

嵌入水印的基本模型如下[10]：

1.2 颜色空间特征

1.2.1 RGB颜色空间

RGB颜色空间是一种色彩模型，通过将颜色表示为红、绿、蓝三颜色的混合比例来产生不同的颜色。它被广泛应用于电子设备和图像处理领域中，可以表示16 777 216种颜色，也被称为“真彩色”，是运用广泛的颜色系统之一。

1.2.2 CMYK颜色空间

CMYK颜色空间是一种颜色模型，其基于颜色叠加原理而建立，主要应用于印刷领域，也称作印刷色彩模式。该模型由4种颜色组成：青色（Cyan）、品红色（Magenta）、黄色（Yellow）和黑色（Key）[11]。在实际应用中，由于青色、洋红色和黄色叠加难以形成真正的黑色，往往只能形成暗灰或褐色。因此，黑色（K）被引入以补充CMY三原色无法形成的纯黑色。

CIELAB色度学系统是根据CIE在1931年制定的一种国际标准来测定颜色的系统。该模型由亮度分量以及与颜色的色调和饱和度相关的2个分量和组成[12]。其中，颜色分量代表从深绿色到红色的颜色变化，颜色分量代表从亮蓝色到黄色的颜色变化。CIELAB色度学系统能够精确地描述颜色之间的差异，并且与设备无关，便于与其他颜色空间进行转换，因此在图像处理、颜色管理和校正等领域中被广泛应用。

1.3 图像质量评价描述

1.3.1 透明性

数字载体在嵌入水印后会在视觉上产生影响，而用于衡量这种影响的一个评测标准就是透明性。透明性用于评价载体图像在嵌入水印后产生影响的不可感知程度。多数研究中对于含水印图像和原图像之间的透明性，通常通过结构相似度（Structural Similarity Index Metric, SSIM）、峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR）来进行评价。

其中SSIM是一种衡量2幅图像相似度的指标，给定2个图像、，2张图像的结构相似性可按照式（2）求出[13]。

该指数从图像组成的角度，将结构信息定义为独立于亮度和对比度的属性，反映场景中物体结构的特征，并将图像建模为亮度、对比度和结构3个不同因素的组合。在计算结构相似度指数时，亮度的估计值为图像的平均灰度值，对比度的估计值为图像的标准差，而结构的相似度程度则通过协方差来度量。当2张图像完全一致时，结构相似度指数的值等于1。

2个图像的PSNR数值（PSNR）可通过计算信号最大数值和噪声数值的比值来评估[14]，见式（3）～（4）。

式中：(i,j)和(i,j)分别为原始图像和嵌入水印后的图像；、为图像的像素值。通常情况下，PSNR值用于评估含水印图像的透明性，水印嵌入前后峰值信噪比低于30 dB，说明水印的不可感知性比较差的图像质量差，相反如果水印嵌入前后峰值信噪比高于30 dB，肉眼很难看出水印嵌入前后的差别，说明水印的透明性较好。

1.3.2 鲁棒性

图像水印的鲁棒性是指嵌入水印后的图像对于各种攻击后，依然能够提取出可用水印信息的能力，对这种能力通常采用归一化误差（Normalized Cross-Correlation,NC），即NC值来进行定性描述[15]，见式（5）。

式中：(i, j)和′, j)分别为原始水印信息和提取的水印信息。NC值为0～1，NC值越接近1，两图像越相似，代表提取的水印信息质量越高。NC值达到0.85以上，即鲁棒性较好。因此本文同样选择以上指标来评价图像的鲁棒性和透明性。

2 实验内容

2.1 实验条件

本文旨在研究不同的颜色空间对水印嵌入的影响，因此对暗调、饱和色、风景、亮调、人物和中性灰6类[11,16]共340张图片进行测试，示例如图1所示，每种类型的图像按照复杂度低中高分类排序，并进行实验分析，载体图像1 024像素×1 024像素，分辨率为300 dpi，水印图像为128像素×128像素的二值图像，如图2所示。

图1 载体图像示例

2.2 水印算法

实验采用基于离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）的频率域数字水印算法。首先对水印进行预处理，将载体图像1 024×1 024分成128×128个8×8的小块，水印图像也是128×128，对应每个8×8的小块的像素点行DCT变换。根据JPEG量化表引入预设系数差作为水印强度，通过比较DCT系数的大小嵌入水印信息。通过比较嵌入时选取量值相同位置的2个量值的大小，提取出水印信息。将提取出的一维排序重新排列成二维水印，即可将水印信息提取出来。在本次实验中，预设系数差值为60，在打印实验中预设系数差值为70，旨在保证透明性和鲁棒性的均衡[17-18]。

2.3 实验流程

为了研究不同颜色空间的影响，将上述图片分别转换为RGB、CMYK、CIELAB 3种颜色空间，该方案在几何、非几何和打印等各种攻击下进行了测试，在相同的颜色空间中，分别选择不同的颜色通道RGB（红、绿和蓝）、CMYK（青色、洋红、黄色、黑色）、LAB（明度、红绿、黄蓝）进行水印嵌入，再通过不同的攻击方式对嵌入水印的图像进行攻击，通过实验数据的对比，分析各个颜色空间对不同类型的图像的鲁棒性与透明性影响。实验流程如图3所示.

图3 实验流程

3 结果与分析

3.1 水印透明性性能分析

3.1.1 载体图像的PSNR值分析

本文采用PSNR对单通道进行评价，可以更好地检测出某个通道中的失真情况，从而更准确地评价该通道的质量以获得更精确的评价结果。在各个情况下对实验图像进行水印嵌入，并进行PSNR值分析，如图4所示。

在RGB颜色空间中，每个类型的图像嵌入水印后的PSNR均值高于30 dB，显示出良好的图像透明性。特别地，在B通道中，嵌入的水印导致较小的图像噪声，并与原始图像最接近，这进一步证明了B通道的嵌入透明性较好。图4a显示3个通道之间的差值约为0.01，而平均PSNR值分别为32.331、32.343和32.344 dB。其中，中性灰图像的RGB的比例相同，因此实验数值相同。图5提供了直观的视觉评价结果，验证了B通道嵌入后图像的噪声更小且不易察觉。

图4 不同空间载体图像的PSNR值

图5 RGB三通道嵌入效果对比

在Lab颜色空间下，各种类型的图像嵌入水印后表现良好，其中b通道性能优秀。如图4b所示，所有通道的PSNR值均在30～35 dB之间，表明图像质量较高。特别地，b通道在嵌入水印时展现出更强的均衡性，并与原图更接近。L通道的PSNR值随着图像复杂度的增加而减小，降幅较大，整体均值为32.339 8 dB，相较于其他2个通道较弱，差距为1 dB。

根据图4c所示，以PSNR值作为评价指标时，人物类型的图像在CMYK颜色空间的4个通道中均性能优秀，平均值约为32.5 dB。其他类型的图像则可优先在C和M通道进行实验，平均值达到了32.3 dB。

二是通过应用服务器对数据库服务器中存储的各传感器数据从多个维度进行分析,将数据进行处理分析并展现到互联网上、微信等手机APP。

3.1.2 载体图像的SSIM值分析

分别对实验图像在各个情况下进行水印嵌入,每个类型的图像，根据SSIM值进行透明性分析如图6所示。

在3个颜色空间中使用SSIM作为评价指标时，图像的透明性随着图像复杂度的增加而增强。具体而言，RGB颜色空间中各通道的SSIM差值在0.001左右，均值分别为0.762、0.762、0.763。其中，B通道表现最佳，与人眼视觉评价相符。在Lab颜色空间中，L通道的SSIM值增幅较大，整体均值为0.762。在水印嵌入时，Lab颜色空间的b通道展现出更强的透明性，与原图更接近。在CMYK颜色空间中使用SSIM作为透明性评价指标时，M和Y通道的SSIM数值较好，与人眼视觉接近，表现出良好的透明性。K通道中水印的效果明显较差，其均值仅为0.72，而其他3个通道的均值约为0.76。其中亮调类型的图像在K通道中的SSIM值最差，均值仅为0.692 4。考虑到CMYK颜色空间的K通道代表明亮度和饱和度，嵌入水印可能会受到高亮度像素的影响，导致图像质量下降。因此，亮调类型的图像不适合在CMYK的K通道进行对水印嵌入透明性要求较高的实验。

通过透明性分析不同颜色空间的不同通道存在的微小差异，其中RGB颜色空间中B通道、Lab颜色空间的b通道、CMYK颜色空间中M通道较其他通道性能更优。

3.2 不同颜色空间水印鲁棒性性能分析

3.2.1 未受攻击情况下各颜色空间鲁棒性性能分析

分别对实验图像在未受攻击情况下进行水印提取，各图像提取水印的NC值如图7所示。

在进行鲁棒性分析时，暗调的低复杂度图像在RGB颜色空间中的鲁棒性优于其他颜色空间。然在其他两空间，该类图像的效果较差。风景类图像在Lab颜色空间下的鲁棒性表现优秀。对所有类型的图像来说，在CMYK颜色空间中，K通道的鲁棒性弱于其他通道。根据图7a的展示，暗调低复杂度图像的NC均值达到了0.978，表明其鲁棒性优秀。根据图7b可知，风景类图像在LAB颜色空间的3个通道中表现出稳定且较高的均值（0.986）。然而，暗调类型图像在LAB颜色空间下进行水印嵌入时的鲁棒性波动较大，效果较差。另外，图7c显示只有暗调类型图像在CMYK颜色空间的K通道下效果较好，除此之外各类型图像在CMYK颜色空间的K通道性能较差，提取水印后，NC值浮动较大，均值为0.944 5。因此，除暗调类型图像在进行CMYK颜色空间的实验时，可以优先考虑前3个通道。

图6 不同空间载体图像的SSIM值

图7 未受攻击提取水印的NC值

3.2.2 抗几何/非几何攻击鲁棒性性能分析

分别对不同颜色空间下的图像进行了几何（剪切、旋转、缩放）、非几何（高斯噪声、椒盐噪声、JPEG压缩）等攻击并提取。部分实验结果如图8所示。

图8 各颜色空间的部分攻击测试

图8a～c为RGB颜色空间下图像进行的噪声攻击和JPEG压缩攻击结果，图8d～f为Lab颜色空间下图像进行的旋转和裁剪攻击测试结果，图8a～c为CMYK颜色空间下图像进行的裁剪和缩放测试结果。

根据实验结果显示，在RGB颜色空间中，各种类型的图像在受到裁剪、旋转、缩放等几何攻击后都展现出较强的抗攻击能力。实验结果表明，暗调、饱和色、风景和中性灰类型的图像在NC值方面均能达到0.98以上。亮调图像在受到噪声攻击时的对抗能力相对较弱，但仍然能够达到0.90以上的水平，使得水印能够被清晰提取。JPEG压缩攻击如图8c所示，饱和色类型的图像在R和B通道的水印嵌入中表现出较差的对抗能力，但仍然保持NC值高于0.85的鲁棒性要求。与之相比，饱和色图像在G通道的嵌入效果较好。因此，在实际应用中，对于饱和色图像，可以优先考虑在RGB颜色空间的G通道进行实验。

在Lab颜色空间中，各类型图像对几何攻击展现出较强的鲁棒性，NC值均在0.91以上。饱和色、亮调和人物类型图像中的低复杂度图像在b通道的嵌入方面相对较弱，但仍保持NC值大于0.91，水印仍然清晰可见。受到方差为0.01的高斯噪声攻击和噪声密度为0.05的椒盐噪声攻击后，暗调低复杂度图像的效果较差，NC均值为0.87，但仍能提取出清晰的水印。在JPEG压缩攻击后，暗调低复杂度类型图像在a通道的嵌入效果较其他通道差，而亮调低复杂度图像在a和b通道嵌入的鲁棒性比L通道的弱。然而，所有图像的NC值都达到了0.90以上，表现出良好的鲁棒性。

在CMYK颜色空间中，各类型图像在任意通道下展现出较强的对抗攻击能力。饱和色、风景、亮调、人物和中性灰类型的图像在受到几何攻击后提取的水印信息质量最佳，NC值可达0.934。在受到方差为0.01的高斯噪声攻击和噪声密度为0.05的椒盐噪声攻击时，各类型图像在前3个通道嵌入水印时表现出良好性能，NC值超过0.85。除了暗调类型图像，在受到JPEG压缩等攻击时，其他类型图像在K通道中嵌入水印时鲁棒性浮动较大。虽然可以提取出水印信息，但是水印质量并不理想。

3.2.3 抗打印扫描鲁棒性性能分析

对所有颜色空间的图像进行打印扫描实验并进行鲁棒性分析，实验情况如图9所示。

在打印扫描实验中，随着不同颜色空间下的图像复杂度的提高，能够明显提高水印的提取质量，暗调图像抗打印攻击能力差。根据图9a实验结果可知，在RGB颜色空间中，除了暗调图像外，其他类型的图像在水印提取时表现良好，NC均值为0.88。图9b实验结果显示，Lab颜色空间的提取NC均值为0.87，除了暗调低复杂度图像外，均超过了0.85，说明提取效果良好。图9c实验结果表明，与其他测试不同，在进行打印实验中，在CMYK颜色空间的K通道嵌入水印可以提取出更优质的水印，因此在CMYK颜色空间打印实验时可优先考虑K通道。

3个颜色空间的打印过程中，Lab颜色空间的抗打印扫描性能优秀且稳定优于其余2个颜色空间，L通道面对打印扫描攻击具有更好的鲁棒性。

图9 打印实验提取水印NC值

4 结语

本文通过在不同颜色空间中的实验得出以下结论：在RGB颜色空间中，所有类型图像均展现出优秀的水印性能，特别是B通道的图像嵌入后噪声较小，具有优秀的透明性。在面对几何、非几何攻击时，亮调图像在受到噪声攻击时的抵抗攻击能力要弱于其他类型的图像。在CIELAB颜色空间中，b通道各种类型的图像在嵌入水印后透明性良好且稳定，与原图更接近、更具有透明性。暗调、亮调和饱和色类型的低复杂度图像，在此颜色空间的b通道中受到各种攻击的情况下的抗攻击能力弱于更高复杂度的图像。在CMYK颜色空间中，所有类型图像都有出色的水印性能，M通道较其他通道透明性更优，在进行几何、非几何攻击下K通道嵌入的鲁棒性较弱，但在此空间中进行打印实验时，K通道嵌入的图像具有良好的抗打印扫描攻击性能。相比CMYK颜色空间，CIELAB和RGB颜色空间对打印过程具有更好的鲁棒性。在进行风景、饱和色和亮调类型图像实验时，优先考虑RGB和CIELAB颜色空间；而在进行暗调、人物和中性灰类型图像实验时，优先考虑RGB和CMYK颜色空间的前3个通道。

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Effect of Color Space on Watermarking Performance of Printed Images

HOU Yun-yao,WANG Cai-yin*,YU Ying, SUN Yu-ting

(Dalian Polytechnic University, Liaoning Dalian 116034, China)

In digital-to-analog/analog-to-digital conversion, printed images mainly involve three color spaces: RGB, CIELAB and CMYK. The work aims to embed watermarking images in different color spaces based on the DCT-domain watermarking algorithm. Six types of images including dark tone, saturated tone, landscape, bright tone and human figure and neutral grey were selected to evaluate the transparency and robustness in each component image in RGB, LAB and CMYK color spaces with three complexity levels respectively. According to the transparency analysis, the transparency of watermark embedded in Lab space b channel, RGB space B channel and CMYK space M channel was better. According to the robustness analysis, images in bright tone had poor resistance to non-geometric attacks in the RGB space. The anti-attack performance of all images in the first three channels of CMYK was better than that in K channel. The anti-attack performance of all images in dark tone was poor in anti-print attack capability. The anti-print performance of all images in the LAB space was the best, among which that in L channel was the best. In this work, the effect of color spaces on the watermarking performance of printed images is systematically studied. The results show that color spaces have different effects on watermarking performance of image of different types and complexity. It improves the theoretical system of digital watermarking technology in the application of printed images, and will provide some guidance and reference for the industrial application and optimization of color image digital watermarking technology.

color space; printed image; digital watermarking; geometry attack

TB482；TP391

A

1001-3563(2023)23-0148-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.018

2023-04-25

国家自然科学基金青年基金项目（61802041）；辽宁省教育厅基本科研项目（LJKMZ20220883）；辽宁省教育厅基本科研项目（LJKQZ2021120）

责任编辑：曾钰婵