【正文】 JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的亮度量化臺階是從視覺特性上對各系數(shù)的噪聲的定量，因此，將其作為水印嵌入強(qiáng)度的基本依據(jù)。嵌入方式的選擇主要是基于水印提取過程中是否使用原始圖像的考慮，該方案選擇以DCT域中的相鄰系數(shù)對之間的相互關(guān)系來代表水印信息，嵌入的基本原則是保持原系數(shù)對之間的關(guān)系不變，并通過適當(dāng)?shù)匦薷倪M(jìn)一步維持這種關(guān)系。在提取過程中，根據(jù)相應(yīng)位置上系數(shù)對的關(guān)系確定所包含的水印信息，因此，在水印的提取過程中只需知道水印嵌入位置，而無需使用原始圖像。水印是二值圖像，選取二值圖像的原因只有以下兩點(diǎn)：（1）二值圖像具有一定的視覺直觀性；（2）二值圖像的數(shù)據(jù)只有0或1，有利于水印的提取過程中不使用原始圖像，所示： 基于圖像子塊的DCT域水印嵌入過程整個基于子塊的DCT域水印算法的具體內(nèi)容如下：（1）對JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的亮度量化矩陣進(jìn)行ZigZag掃描，得到序列 。??Qi（2） 將384384 的原始Lena圖像劃分成3232個88的圖像子塊，每個子塊中嵌入水印序列中的一位信息。對圖像子塊進(jìn)行DCT變換，對系數(shù)矩陣作ZigZag掃描，得到由低頻至高頻排列的DCT系數(shù)序列。（3） 在低頻系數(shù)中，按照相鄰系數(shù)對之間的大小關(guān)系，分為兩類系數(shù)對：大于關(guān)系的相鄰系數(shù)對與小于關(guān)系的相鄰系數(shù)對。在這兩類系數(shù)對中，分別找出系數(shù)對中兩個系數(shù)差異值最大的作為用來嵌水印的系數(shù)對： ()????????maxmax,1max1MiiiMiiMi????? ()inin其中 為水印系數(shù)， 為水印系數(shù)的位置。（4）水印嵌入的基本原則是保持系數(shù)對的原有關(guān)系，當(dāng)嵌入的水印信息為時，選原始圖像象圖像子塊DCT 系數(shù)對 水印序列 W(n)二值圖像 子塊 FDCTZigZag 掃描量化表嵌入算法IDCT水印子塊水印圖象置亂擇大于關(guān)系的系數(shù)作為嵌入位置；當(dāng)水印信息為0時，選擇小于關(guān)系的系數(shù)對作為嵌入位置。為了在遭受攻擊是能更好的維護(hù)這種關(guān)系，需要進(jìn)一步對這種關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)大，因此，將系數(shù)對按如下方式修改： 當(dāng)水印信息為1時， ()????maxaxm11MiiQi?????????當(dāng)水印信息為 0 時， ()????mininm1ia????（5）將修改后的系數(shù)序列還原為矩陣形式，對其進(jìn)行IDCT后，所得的圖像子塊即為嵌入一位水印信息后的圖像子塊，將所有3232個嵌入水印后的圖像子塊重新構(gòu)成整扶原始圖像。（6）水印的提取是水印嵌入的逆過程，水印提取的過程中不需要使用原始圖像，只需知道水印嵌入的系數(shù)對位置，通過系數(shù)對之間的關(guān)系即可確定相應(yīng)的水印值，水印提取方式如下： ()????1,0MiiWn????????其中 為水印嵌入系數(shù)對在低頻系數(shù)序列中的位置， 表示該水印序列中第 位。i n通常灰度水印的相似度表達(dá)式為： ，但是，這種檢測原則2, , ,/mnnnNCII??對于灰度圖像水印更為有效，對二值圖像水印，使用該方法卻有失客觀性。因?yàn)槎祱D像的像素值 。由此可以看出，若使用上式描述二值水印的相似度，可????,0,1wij?以發(fā)現(xiàn)水印值 時的相似情況未能得到體現(xiàn)。因此，本文中使用下式定義的?NC值來描述水印的相似度： ()??39。,ijwijijNCMN??其中 是 的邏輯非運(yùn)算，M，N 表示水印圖像大小 [1]。??,wij,ij 仿真實(shí)驗(yàn) 按照上述的水印嵌入方法，使用384384Lena灰度圖像進(jìn)行水印嵌入實(shí)驗(yàn)，水印是二維圖像。其中PSNR表示水印圖像與原始圖像的相似度，NC 表示提取水印與原始水印的相似度。 圖 原始圖象 圖 載入水印后圖像 圖 原始水印圖像從仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，加入水印后的圖像與原始圖像沒什么不同，這體現(xiàn)了數(shù)字水印的不可見性，同時反映了數(shù)字水印的安全性。仿真實(shí)驗(yàn)一：對水印圖像進(jìn)行 JPEG 壓縮，并從壓縮圖像中提取出水印。 圖 原始圖像 圖 壓縮后的圖像 圖 原始水印 圖 壓縮圖象提取出來的水印 圖 壓縮圖像中提取出來的水印仿真實(shí)驗(yàn)二：對水印圖像添加高斯噪聲對嵌入水印后的圖像進(jìn)行高斯噪聲添加處理，并從噪聲圖像中提取相應(yīng)的水印。 圖 原始圖像 圖 添加噪聲后的圖像 圖 原始水印圖像 圖 加入噪聲后水印圖像二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，提取出的水印具有較好的相似度，說明該算法對高斯噪聲有較好的魯棒性。仿真實(shí)驗(yàn)三：對水印圖像進(jìn)行中值濾波 對嵌入水印后的圖像進(jìn)行中值濾波處理，并從中值濾波后的水印圖像中提取水印。圖 原始圖像 圖 濾波后的圖像 . 圖 原始水印圖像 圖 壓縮圖像提取出的水印圖像從仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可見，該算法的提取水印與原始水印之間保持較高的相似度，水印視覺質(zhì)量也較好，說明該算法對中值濾波有較好的魯棒性。主程序運(yùn)行界面如圖 所示:圖 主程序運(yùn)行界面第 5 章 圖像數(shù)字水印的性能評估和攻擊 圖像數(shù)字水印的性能評估和基準(zhǔn) 對水印的性能建立合理的評估方法和基準(zhǔn)是數(shù)字水印研究的一個重要內(nèi)容。對水印的評估主要包括以下兩個方面：水印健壯性的評估：嵌入水印對圖像引起的失真的主觀和客觀定量評估。一般而言，在水印健壯性與不可感知性之間需要進(jìn)行折衷。因此，為了能夠進(jìn)行公平合理的性能評估，我們必須盡量保證各個水印系統(tǒng)是在可比較的條件下進(jìn)行測試，即應(yīng)該在給定圖像視覺可見性要求的前提下進(jìn)行測試。首先，討論影響水印健壯性的因素。 影響水印健壯性的因素 （1）嵌入的信息量。這是一個重要的參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懰〉慕研?。對同一種水印方法而言，要嵌入的信息越多，則水印的健壯性越差。被嵌入的信息依賴于各種不同的應(yīng)用場合。為了解決所有權(quán)問題，可以隱藏類似于國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號 ( ISBN , I nternational Standard Book Number，約 10 個阿拉伯?dāng)?shù)字)或國際標(biāo)準(zhǔn)記錄碼 (ISRC , International Standard Recording Code，約 12 個字母數(shù)字或字符)這樣的信息，在此信息之前可能還需要加上版權(quán)年份、著作的允許以及允許級別等，這就意味著在一幅圖像中需嵌入大約 70 位的秘密信息。如果為了增強(qiáng)提取水印信息的準(zhǔn)確性而使用糾錯碼等技術(shù)，則嵌入的比特?cái)?shù)還需要增加。 （2）水印嵌入強(qiáng)度。水印嵌入強(qiáng)度和水印可見性之間存在著一個折衷。增加健壯性就要增加水印嵌入強(qiáng)度，相應(yīng)地也會增加水印的可見性。 （3）圖像的尺寸和特性。圖像的尺寸對嵌入水印的健壯性有直接影響。盡管非常小的含有水印的圖片沒有多少商業(yè)價(jià)值，但一個實(shí)用的水印軟件程序應(yīng)該能夠比此圖片中恢復(fù)出水印。對用于打印的圖像，通常需要它是高清晰度的。但是，同時也希望這些圖像被掃描并被放到因特網(wǎng)上以后能夠得到保護(hù)。除了圖像的尺之外，圖像的特性也對水印的健壯性產(chǎn)生重要影響。仍然以圖像水印為例，對描的自然圖像具有較高健壯性的方法在用于諸如計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的合成圖像時，健壯性會大大削弱。一個公平的基準(zhǔn)測試所能適應(yīng)的圖像尺寸范圍應(yīng)該很大，從幾個到上萬個像素，并且用于測試的圖像也應(yīng)該為不同類型的圖像。 （4）密鑰。盡管密鑰的數(shù)量不直接影響到水印的可見性和健壯性，但它對系統(tǒng)的安全起了重要的作用。水印算法中，密鑰空間(密鑰允許取值的范圍)必須足夠大，以使窮舉攻擊法 (Exhaustive Search Attack )失效。許多安全系統(tǒng)不能夠抵御一些簡單的攻擊，往往是因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時沒有遵循基本的密碼學(xué)原理。 考慮上述這些參數(shù)，對于公平的測試基準(zhǔn)和性能評估，待評估水印方法必須在各種不同的測試圖像集中進(jìn)行測試。并且，為了得到在統(tǒng)計(jì)上有效和可信的結(jié)果，必須使用不同的密鑰和改變水印的不同強(qiáng)度來對待評估水印系統(tǒng)進(jìn)行評估。若要對幾種水印方法進(jìn)行比較，則必須確保對所有的待評估方法，嵌入的信息量是相同的。 視覺質(zhì)量的定量描述 正如前面所提及的， 在水印可見性和健壯性之間存在著折衷。 因而， 正確評估和比較水印系統(tǒng)時，對水印可見性地考慮就十分重要。對水印可見性的評估可以用定量量標(biāo)準(zhǔn)，在本節(jié)中，介紹兩種定量度量的方法：一種采用基于普通像素的失真量度量方法： 另一種采用基于人的視覺系統(tǒng)(HVS)的度量方法。而在主觀測試方法中介紹一種基于觀測者打分的質(zhì)量等級評判方法。（1） 基于像素的度量方法基于像素的失真量度量方法屬于量化失真度量(Quantit ative Distortion Metric)，用它得到的結(jié)果不依賴于主觀評估，它允許在不同的方法之間進(jìn)行公平的比較。 大部分用在視覺信息處理中的失真量度量或質(zhì)量度量方法都屬于差分失真度量 ( Difference Distortion Metric)。該度量都是建立在原始的未失真圖像與修改后的失真圖像的差值的基礎(chǔ)上的。差分失真量度量不能很好地與人類視覺系統(tǒng)相對應(yīng)，而復(fù)雜的水印方法可能會利用一種或多種視覺系統(tǒng)的效應(yīng)，因此將它們用于水印技術(shù)就會帶來一些問題，例如使用上述方法來定量度量由水印處理過程所帶來的失真，可能會導(dǎo)致度量的不正確評估，如果使用適合于人類視覺的失真量度量，就可能更為有效。近幾年，越來越多的研究集中于這種具有自適應(yīng)性能的失真量度量方法中，很可能將來的水印系統(tǒng)測試基準(zhǔn)就使用這種定量度量方法。下面就介紹此種度量方法。（2） 可見性質(zhì)量度量人們認(rèn)識到基于像素的失真量度量的弱點(diǎn)，于是近幾年來，越來越多的研究集中于與人的視覺系統(tǒng) (HVS)相適應(yīng)的失真量度量，這種度量方法考慮了對人的視覺影響的各種因素。下面是 Vanden 等人提出的失真量度量方法?？梢娦再|(zhì)量利用了人的視覺系統(tǒng)的對比敏感性和掩蔽現(xiàn)象，它是基于人的空間視覺的多通道模型。 度量值的計(jì)算包括以下步驟：首先對圖像進(jìn)行粗分塊，用濾波器組將編碼誤差和原圖分解到各個知覺組件中；然后用原圖作為掩蔽對象對每一像素計(jì)算檢測上限。最后根據(jù)給定的門限計(jì)算濾波誤差，對所有的顏色通道進(jìn)行上述操作。高于門限的差值即為一致性的度量，此差值也常常稱為可見性差值 ( JND,Just Noticeable Difference)。對整體圖像的度量采用掩蔽峰值信噪比 (MPSNR),由下式給出： MPSNR = ()235lg10E其中，E 仍是上面計(jì)算得出的失真度量方法計(jì)算得出的失真量。由于這個質(zhì)量值與已知的分貝數(shù) (dB)具有不同的意義，有時還采用 ITURR500 的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4 。因此它用視覺分貝(vdB)來表示此值由下式計(jì)算得出： Q = ()EN??15其中，E 仍是上面計(jì)算得出的失真量，N 是標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù),通常選擇某個能使參考失真量映射到相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間的值。表 51 列出了分?jǐn)?shù)和相應(yīng)的視覺可察覺性指標(biāo)以及圖像質(zhì)量。表 分?jǐn)?shù)所對應(yīng)的圖像質(zhì)量及視覺可察覺性指標(biāo)等 級 對圖像的損壞 質(zhì) 量5 不可察覺 優(yōu)(Excellent)4 可察覺但不令人厭煩 良 (good)3 輕微令人厭煩 中 (fair)2 令人厭煩 差 (bad)1 很令人厭煩 極差 (very bad) ITU 分?jǐn)?shù)有幾個優(yōu)于 MPSNR 質(zhì)量度量的優(yōu)點(diǎn)，比如不會放大未失真圖像信號，因此更適用于水印的度量。 （3）主觀性質(zhì)量度量方法 對視覺質(zhì)量的評估還可以采用主觀打分的方法進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)行主觀測試時，必須遵循一個測試協(xié)議，該協(xié)議描述了測試和評估的完整過程。這種測試通常分成兩個步驟：第一步，將有失真的數(shù)據(jù)集按由最好到最壞的次序分成幾個等級。第二步，要求測試人員給每個數(shù)據(jù)集打分和根據(jù)降質(zhì)情況描述可見性。這種打分也可以基于 UTUR Rec 500 質(zhì)量等級評判(見表 51 所列出的評分標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的可見性及質(zhì)量)。由歐洲OCTALIS(Offer of Content Through Trusted Access Links)。項(xiàng)目組完成的工作表明，不同經(jīng)歷的人 (比如專業(yè)攝影師和研究員)對水印圖像的主觀測試結(jié)果差異很大。主觀測試對最終的圖像質(zhì)量評估和測試是有實(shí)用價(jià)值的，但是在研究和開發(fā)中，該方法的用處卻并不大，實(shí)際的度量往往采用