基于离散小波变换与Arnold置乱的数字图像水印算法研究

摘要

随着网络技术、多媒体技术和数字传输技术的飞速发展，数字媒体的版权保护成为迫切需要解决的问题，数字水印技术正是为了解决此问题而出现的一个热点研究方向。变换域数字水印因其具有抗各种信号失真能力强的特点，成为当前数字水印的研究焦点。而离散小波变换（DWT）由于具有时频双重特性，与JPEG2000 压缩标准兼容，与人类视觉系统HVS 相匹配等特点，正成为实现变换域数字水印的主要研究手段。 论文主要研究基于离散小波变换的数字水印算法，原始图像与水印信息均采用彩色图像。文中首先对基于小波变换的数字图像水印算法进行了研究，结果表明在小波多分辨率分解中，图像被分解成一个低频子带(LL)与多个高频子带(HL、LH、HH)，低频子带是原始图像的逼近，集中了图像的大部分能量。高频子带则主要集中了图像的纹理、边缘等细节信息。在低频子带中嵌入水印时水印的鲁棒性较好，但却容易引起图像质量的下降从而影响水印的不可见性，在高频子带中嵌入水印时水印的不可见性较好，但嵌入的水印容易被有损压缩等信号处理操作所破坏，从而影响水印的鲁棒性。另外，小波变换级数低，则水印的抗攻击能力降低，而小波变换级数高，则所嵌入的水印信息量小。 其次，论文通过研究图像置乱技术，对水印图像进行了Arnold 置乱加密预处理，分散了错误比特的分布，提高了水印系统的鲁棒性，Arnold 置乱次数作为水印算法的密钥，加强了水印系统的保密性。综合考虑以上因素，对原始载体图像进行了三级离散小波变换，并选择三个最大的细节子带和低频子带作为水印嵌入位置，这样能提供稳健性与不可见性之间的权衡。另外，根据人类视觉系统对R、G、B 色彩敏感度不同以及人眼对离散小波分解后的不同尺度、不同方向子带图像的噪声敏感度不同，在各分量的低频和第3 级高频子带当中嵌入强度不同的数字水印信息，这样在确保鲁棒性的同时提高了水印的不可见性。 实验结果表明，本文设计的基于离散小波变换的数字水印方法能够使水印的鲁棒性和不可见性达到较好的折中，嵌入水印后图像质量没有受到明显影响，并且对常见的滤波、噪声、缩放、旋转、JPEG 压缩等攻击有较好的鲁棒性，均能提取出有效水印。