【正文】 朱賢坤 [24]是在 DWT 變換的基礎(chǔ)上將一幅彩色水印圖像嵌入到彩色載體圖像中的算法。董衛(wèi)軍 [22]等人提出了一種利用多小波代替單小波進(jìn)行水印嵌入的方案。 抗打印掃描的數(shù)字水印算法針對數(shù)字水印及打印掃描原理，很多具有理論研究價值的算法被提出來了，盡管還沒有實現(xiàn)應(yīng)用產(chǎn)品，但還是具有重大突破。當(dāng)然，在掃描過程中同樣有類似的對數(shù)字圖像的影響，如掃描時的模式轉(zhuǎn)換問題，色彩管理問題，幾何攻擊問題等等。因此在打印時色彩不能完全表達(dá)出來，這對水印的影響是非常嚴(yán)重的，在設(shè)計水印方案中尤其要注意這點。打印機(jī)的色彩管理具有局限性，彩33 / 48色不可能在所有的輸入輸出設(shè)備上完全相同。0 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 90 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9人眼色域C M Y K 色域R G B 色域1 . 01 . 0圖 62 各種空間色域范圍對于目前主流激光打印機(jī)，有半色調(diào)攻擊，色彩管理，分辨率等影響。印刷不同于打印，還有一個特別的加網(wǎng)過程。但是在抗打印掃描的彩色圖像數(shù)字水印中，以上幾種顏色模型較好操作，抗打印掃描效果好，可以考慮在將來應(yīng)用于抗打印、印刷和掃描的數(shù)字水印中。當(dāng)然，還有其它適用于各種場合和應(yīng)用的顏色模型，比如HIS、HSV 、 GSL、Ycc、YUV 等。但是，在這一空間中，兩種不同顏色之間的距離值并不能正確地反映人們色彩感覺差別的大小，也就是說在 CIEYxy 色廈圖中，在不同的位置不同方向上顏色的寬容量是不同的，這就是Yxy 顏色空間的不均勻性。它們包含了人眼所能辨別的全部顏色。CIEXYZ 顏色空間稍加變換就可得到 Yxy 色彩空間，其中 Y 取三刺激值中 Y 的值，Y 表示亮度，x、y 反映顏色的色度特性。這一系統(tǒng)叫做“CIE1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)”或稱為“2176。由于 “標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”用來標(biāo)定光譜色時出現(xiàn)負(fù)刺激值，計算不便，也不易理解，因此 1931 年 CIE在 RGB 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改用三個假想的原色 X、Y、 Z 建立了一個新的色度系統(tǒng)。所以在數(shù)字水印技術(shù)中，可以大膽地對 LAB 模型圖像進(jìn)行編輯，在轉(zhuǎn)換為 CMYK 后色彩沒有被丟失或替代，是一種抗印刷掃描的數(shù)字水印彩色圖像的模式的最佳選擇。在表達(dá)色彩范圍上，第一位是 LAB 模型，第二位是 RGB 模型，第三位是 CMYK模型。A 包括的顏色是從深綠色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮彩紅色（高亮度值） ；B 是從亮藍(lán)色（底亮度值）到灰色（中亮度值）再到焦黃色（高亮度值） 。它理論上包括了人眼可見的所有色彩，既不依賴光線，又不依賴顏色，彌補(bǔ)了 RGB 和 CMYK 兩種色彩模式的不足。 LAB 顏色模型LAB 模式是根據(jù)國際照明委員會（CIE）在 1931 年所制定的一種測定顏色的國際標(biāo)準(zhǔn)建立的。理論上，由 C、M、Y 三種色素能夠吸收所有的顏色并產(chǎn)生黑色；但實際上，只能產(chǎn)生一種土灰色，所以必須有黑色（K ）油墨混合才能產(chǎn)生真正的黑色，所以實際印刷中，一般采用青（C） 、品（M） 、黃（ Y） 、黑（K ）四色印刷，在印刷的中間調(diào)至暗調(diào)增加黑版。 CMYK 顏色模型印刷業(yè)通過青（C） 、品（M） 、黃（Y）三原色油墨的不同網(wǎng)點面積率的疊印來表現(xiàn)豐富多彩的顏色和階調(diào)，這便是三原色的 CMY 顏色空間。但是 RGB 模式提供的彩色范圍超出了打印色彩范圍，打印時會有亮度損失，色彩失真，所以用于印刷、打印就不是最佳的了。在圖像編輯應(yīng)用方面，RGB 是最佳色彩模式。在 RGB 模型中用三維空間中的一個點來表示一種顏色，如圖 61 所示 ，每個點有三個分量，分別表示該點顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值。 RGB 顏色模型RGB（Red, Green, Blue）顏色模型是色光的彩色模式，三種色彩疊加形成其他的色彩。大多彩色圖像顯示器使用紅、綠、藍(lán)三原色，但是由于這個三原色模型與直觀的顏色概念如色彩、飽和度和亮度沒有直接的聯(lián)系，使用不是十分方便。例如，RGB 顏色模型就是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)的一個單位正方體?？勾蛴　⒂∷?、掃描的數(shù)字水印的研究是數(shù)字水印的一個重要研究方向，國內(nèi)外很多專家、學(xué)者都在致力于這方面的研究，具有很好的應(yīng)用前景。 抗打印掃描的彩色圖像數(shù)字水印在灰度圖像中嵌入數(shù)字水印已經(jīng)得到了廣泛深入的研究 [18,19]，而且已經(jīng)形成了產(chǎn)30 / 48品。29 / 48圖 53 載入圖片，未進(jìn)行水印嵌入圖 54 DWT 數(shù)字水印仿真系統(tǒng)界面設(shè)計 GUI 是為了更好地查看仿真結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行對比。其中一個 Return 按鈕是退出并回到 DCT 算法水印系統(tǒng)，EXIT 退出此系統(tǒng)。點擊 TO DWT 按鈕，轉(zhuǎn)到 DWT 算法的水印仿真系統(tǒng)，界面如圖 53 所示。在左側(cè)設(shè)計一個 Group Button，放置一排操作選項Radio Button，選項操作說明如下：Without Attack：不加入任何攻擊，axes1 則顯示含水印圖像，嵌入水印后直接提取，axes2 顯示從圖像中提取出來的水?。籒oised：對含水印圖像進(jìn)行噪聲攻擊，axes1 則顯示被攻擊的圖像，axes2 顯示從攻擊圖像中提取出來的水?。籗heared：裁剪攻擊； Rotated：旋轉(zhuǎn)攻擊；Filtered：濾波攻擊（高斯濾波） ；JPEG Compressed： JPEG 壓縮攻擊。在界面上設(shè)計有四個 Push Button 按鈕：Load Image、Load Watermark、TO DWT 和EXIT，功能如按鈕的 String 屬性所述。設(shè)計的界面如圖 51 所示為 DCT 算法系統(tǒng)界面。本文中的數(shù)字水印仿真系統(tǒng)界面按照以上步驟設(shè)計并實現(xiàn)，設(shè)計了一個操作簡單28 / 48的界面來實現(xiàn)水印仿真，方便查看對比結(jié)果。fig 文件包括你創(chuàng)建的用戶圖形界面， M 文件包含加載這個圖像的代碼和每個 GUI 元素的主要響應(yīng)。第四步：把圖像保存到一個文件中。圖像窗口的大小，排列和其中的控件布局都可以利用它進(jìn)行控制。創(chuàng)建一個 MATLAB 用戶圖形界面的基本步驟為：第一步：決定這個用戶圖形界面需要什么樣的元素，每個元素需要什么樣的函數(shù)。文本域（textfield） uicontrol 標(biāo)簽是在圖像窗口內(nèi)某一點上的字符串。當(dāng)下拉菜單沒有點擊時，只有當(dāng)前選擇的字符串可見。當(dāng)用戶選擇了其中一個字符串后，它將會有一個響應(yīng)。當(dāng)按下回車鍵后將產(chǎn)生響應(yīng)。復(fù)選按鈕（checkbox） uicontrol 當(dāng)復(fù)選按鈕處于 on 狀態(tài)時，復(fù)選按鈕中有一個對號。每一個單擊一次產(chǎn)生一個響應(yīng)。表 51 常用 GUI 組件元素 創(chuàng)建的函數(shù) 描述按鈕（pushbutton ） uicontrol 單擊它將會產(chǎn)生一個響應(yīng)。創(chuàng)建 MATLAB 用戶圖形界面還需要圖形窗口和響應(yīng)。圖形化控件和靜態(tài)元素由函數(shù) Uicontrol 創(chuàng)建，菜單由函數(shù) Uimenu 和 Uicontextmenu 創(chuàng)建，坐標(biāo)系經(jīng)常用于顯示圖形化數(shù)據(jù)，由函數(shù) Axes 創(chuàng)建。在 MATLAB GUI 中的每一個項目（按鈕，標(biāo)簽，編輯框等）都是一個圖形化組件。Axes 的子對象有image、light、line 、patch、rectangle、surface 、text。計算機(jī)屏幕是父對象，它的子對象是圖形窗口。在 MATLAB 中，每一個圖形命令生成的事物是一個對象圖形對象，不僅包括Uimenun、Uicontextmenu 和 Uicontrol，還包括圖形、坐標(biāo)軸和它們的子對象。然而，若使用一些簡單的 GUI（Graphical User Interface）程序，則可以方便地觀察仿真結(jié)果。其主要是一個界面設(shè)計工具箱。但是如果想向使用者提供應(yīng)用程序，進(jìn)行某種技術(shù)、方法或者結(jié)果的演示對比和查看，那么需要制作一個可以反復(fù)多次使用、操作簡單的專用工具，圖形用戶界面可能是一個較好的選擇。用戶通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變化，比如實現(xiàn)計算、繪圖等。若要在 DWT 數(shù)字水印算法上再進(jìn)一步完善，并且體現(xiàn)出 DWT 的優(yōu)良性能，還需要提高數(shù)學(xué)和圖像處理的能力。表中沒有列出含水印圖像，不過在變換域的算法中，原始載體圖像和含水印圖像之間的視覺效果沒有什么區(qū)別，無法從主觀上來度量它們之間的變換。雖然是將水印嵌入在三級小波分解后的系數(shù)中，但是采用簡單的分量線型嵌入，直接對系數(shù)進(jìn)行線性運算，完全沒有體現(xiàn)小波變換的優(yōu)越性。仿真結(jié)果如表 42 所示。由上一節(jié)可以知道，在水印系統(tǒng)中加入置亂算法可以提高水印的魯棒性，對系統(tǒng)整體水印算法有較大的改善。而且在數(shù)字水印算法中加入置亂算法，可以提高提取水印的質(zhì)量，提升水印算法性能。%I為含水印圖像表 41 為以上的測試結(jié)果的水印客觀判定值，由此可以看出，DCT 算法在提高水印的壓縮能力上較好，但是在抗旋轉(zhuǎn)的幾何攻擊就很差，對噪聲的魯棒性一般，不是特別出眾。39。,45)。,39。,39。MATLAB 的圖像 JPEG 壓縮語句為：imwrite(I,39。如圖 414 和 415，可以看出在經(jīng)過 JPEG 壓縮后，仍然能夠提取到較為完整的水印信息。J6=imfilter(J6,H) JPEG 壓縮攻擊JPEG（Joint Photographic Experts Group）是在國際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)領(lǐng)導(dǎo)之下制定靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的委員會，第一套國際靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) ISO109181(JPEG)就是該委員會制定的。gaussian39。MATLAB 對圖像進(jìn)行高斯濾波語句為：J6=I。Gaussian filtered ImagePSNR=Gaussian filtered WatermarkNC=圖 412 濾波攻擊Gaussian filtered ImagePSNR=Gaussian filtered WatermarkNC=圖 413 濾波攻擊（水印 Arnold 置亂）圖 412 和 413 為本文 DCT 數(shù)字水印算法濾波攻擊測試結(jié)果。22 / 48 濾波攻擊濾波在圖像處理中比較常用，特別是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時，對嵌入作品中的數(shù)字水印的在抗濾波攻擊性能方面較高。crop39。bilinear39。The Rotated ImagePSNR=The Rotated WatermarkNC=圖 411 旋轉(zhuǎn)攻擊（水印 Arnold 置亂）MATLAB 圖像旋轉(zhuǎn)語句為：J5=I。這可以從嵌入方式分析，旋轉(zhuǎn)把圖像的所有像素坐標(biāo)改變了，即使是略微的旋轉(zhuǎn)，這也不難理解為什么水印算法抗旋轉(zhuǎn)攻擊差。如圖49，水印圖像出現(xiàn)很多黑色部位，那是由裁剪引起的，裁剪掉的信息之后的值為0，但整體上還是可以識別出水印信息。%I為含水印圖像， (100:400,100:400)為剪切位置裁剪使圖像的某部分信息完全丟失，即使是在變換域內(nèi)嵌入水印，若載體信息丟失的話，裁剪位置的水印信息也隨之丟失，由圖48可以明顯說明這點。MATLAB 剪切語句為：J4=I。 %I為含水印圖像 幾何攻擊幾何攻擊有裁剪、旋轉(zhuǎn)等，以下分別對這兩種攻擊進(jìn)行實驗，并分析實驗結(jié)果。 pepper39。P noised watermarkNC=圖 47 椒鹽噪聲攻擊（水印 Arnold 置亂）MATLAB 椒鹽噪聲攻擊語句為：imnoise(I,39。P noised watermarkNC=圖 46 椒鹽噪聲攻擊20 / 48Samp。Samp。,0,)。19 / 48Gaussian noised ImagePSNR=Gaussian noised WatermarkNC=圖 44 高斯噪聲攻擊Gaussian noised ImagePSNR=Gaussian noised WatermarkNC=圖 45 高斯噪聲攻擊（水印 Arnold 置亂）MATLAB 高斯噪聲攻擊語句為：imnoise(I,39。提取的水印對人眼也無太大改變。 Watermaeked ImagePSNR=Extracted WatermarkNC=1圖 43 無任何攻擊結(jié)果（水印 Arnold 置亂） 噪聲攻擊（1）高斯噪聲攻擊圖 44 和 45 是對含水印圖像進(jìn)行高斯噪聲攻擊。對比 PSNR 和 NC 值。原始載體圖像和水印圖像如圖41。通過對比幾種常見攻擊所提取出來的水印圖來檢測算法的特性。由 MATLAB 仿真分析，可驗證 DCT 和 DWT 都具有較好的魯棒性。由于時間和精力有限，還有一些置亂算法有待實驗，在今后可以嘗試這方面的對比研究。代代代代 代代1代代代 代代5代代代代代100代代代 代代200代代代 代代384代代代圖 37 不同 Arnold 迭代次數(shù)結(jié)果當(dāng)然，水印算法中對水印圖像進(jìn)行置亂的次數(shù)對水印的魯棒性有無影響還需另行討論。但本文沒有具體討論置亂次數(shù)對水印嵌入和提取的影響，沒有去尋找一個最佳的嵌入次數(shù)。測試圖片 大小為 512512，查表 31 可知其 Arnold 置亂周期 T=384。Arnold 變換相關(guān)的 M 文件有（變換 和計算周期 ）詳見附錄。不同 N 對應(yīng)的周期 T 如表 3n1。變換的迭N?代公式 [16]為： ( ) （31(mod)nxyPAN??0,12,nN???18）但變換進(jìn)行到一定次數(shù)后，圖像