图像保护

2024-06-20

图像保护（通用4篇）

图像保护篇1

0 引言

随着信息数字化技术的高速发展,对数字作品版权保护日益重要。作为数字作品版权保护的一种有效手段,数字水印对其提供了解决方案。数字水印技术就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中,以起到版权保护、秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标志等作用。数字图像是数字作品的重要组成部分,而且彩色数字图像,是人们获取详细信息的重要途径之一。

本文提出一种基于SVD和DWT的鲁棒性水印算法,使得水印在不可见性和鲁棒性之间得到很好的折中,进而提高水印的嵌入量。

1 基于DWT和SVD的水印方案描述

1.1 方案设计

在水印的嵌入过程中,选用实际应用中占主导地位的彩色图像为载体。待嵌入的水印信息选用灰度图像,使提取出的水印信息更加直观。同时为增强水印信息的保密性,使得嵌入水印后的图像对于裁剪、加噪声之类的操作具有较好的鲁棒性,在嵌入水印之前对水印图像进行Arnold置乱。将置乱的水印嵌入到彩色图像LAB色彩空间L分量的小波变换的低频域中某些系数,并利用SVD技术以增加图像抗几何失真性。整个水印嵌入方案如图1所示。

对水印的提取是水印嵌入的逆过程。水印的提取需要原始的彩色图像。提取出的灰度图像要进行Arnold反变换得到真正的水印图像。

1.2 水印的嵌入过程

1.2.1 LAB图像获取

对原始彩色图像I(P×Q)进行色空间的转换,将彩色图像从RGB色空间转换到LAB色空间,并将LAB空间的L分量分离出。从三个刺激量X,Y,Z到L*a*b模型的转换公式如下:

式中,X、Y、Z是物体的三刺激值,X0、Y0、Z0为CIE标准照明体的三刺激值。本文在实验中选取典型的漫反射白色的三刺激值,X0=98.07、Y0=100、Z0=118.22,L*表示心理名度。组成某种色彩的三个刺激值X、Y、Z与CIE的R、G、B有如下的数学关系。

由此,可以把RGB色彩空间的图像转化为LAB色彩空间,把彩色图像的亮度分量L分离出来。

1.2.2 水印图像的预处理

对灰度水印图像W(M×N)进行Arnold变换,得到置乱后的水印图像W’,迭代的次数k1就是一个密钥。假设图像的像素坐标为x,y∈{0,1,2,……,N-1},于是Arnold变换为:

记变换矩阵为A,右端(x,y)T为输入,左端(x',y')T为输出,考虑其反馈,迭代程序如下:

式(4)中,n代表迭代次数。由于N×N个像素所能表现的图像是有限的,因此迭代过程呈周期性,即继续使用Arnold变换一定会还原到初始状态。

1.2.3 水印信息嵌入

首先,把L分成块的大小为(P/M)×(Q/N),并对每块施加n层离散小波分解,得到不同尺度不同方向的低频域和高频域,为了增强系统的安全性,利用随机序列控制,在每块的低频中随机选择一个元素,组成一个新的矩阵D,其中随机序列由密钥k2来控制。

其次,对新的矩阵D进行奇异值分解[U S V]=SVD(D),得到奇异值矩阵S。按照D′(i,j)=D(i,j)+αW(i,j)的加性嵌入规则(其中α是嵌入因子,W(i,j)为置乱后水印的像素值)进行水印的嵌入。利用奇异值分解的稳定性对矩阵D’再进行奇异值分解。按照[U’S’V’]=SVD(D’)将得到的新的奇异特征值以及矩阵U、V进行奇异值分解的逆变换得到矩阵D*。用矩阵D*替换矩阵D,对每个块进行n层小波重构,得到新的图像块。

最后,重新组合图形块,得到加入水印后的L分量图像,并将图像由LAB色空间转换为RGB色空间,就可以得到水印化真彩色图像。

1.3 水印的提取过程

水印的提取是水印嵌入的逆过程。首先,将水印化彩色图像(可能受到攻击或者损坏)和原始彩色图像,进行RGB色空间到LAB色空间的转换。然后,分别对水印化彩色图像和原始彩色图像LAB空间的L分量分成大小(P/M)×(Q/N)的块,并对每块进行n层小波分解,根据嵌入时的密钥k2组合矩阵∈D,并对矩阵∈D进行奇异值分解,[∈U∈S∈V]=SVD(∈D)。利用嵌入过程中的U′、V′以及∈S进行奇异值分解的逆变换得到矩阵∈D′。并按照W(i,j)=(∈D′(i,j)-S(i,j))/α,得到水印信息。最后将提取出的灰度水印图像经过Arnold反变换得到真正的水印图像。

2 实验测试及结果

为验证本文所提算法的有效性,在仿真实验时以Matlab R2007a作为试验环境,采用大小为512×512的Lena彩色图像作为原始图像,嵌入水印图像是灰度级为256级,大小为64×64的标志图像,按照本文所提出的水印嵌入及提取算法进行实验。在验证算法鲁棒性时,对利用该算法嵌入水印后的图像用JEPG压缩、加入噪声、剪贴、旋转等方式进行攻击,然后用本文的水印提取算法进行检测。本文采用归一化相关系数NC来评价嵌入水印的载体图像的视觉质量以及被提取的水印具有可识别性,相关系数越接近1,说明与原始图像一致性越好。

2.1 不可感知性实验

原始图像、原始灰度水印图像、Arnold置乱水印的灰度加密图像,以及嵌入水印后的图像和提取出的水印图像如图2所示。

可以看出嵌入水印图像具有良好不可感知性,其中求出的NC=1,并且提取的水印图像同原始图像的NC=0.98535。

2.2 鲁棒性实验

对水印化图像进行剪贴攻击(剪贴了水印化图像中间的一块)、拼贴攻击(对水印化图像剪贴中间脸部的重要信息,选择其他的图像进行拼贴)、打印—扫描(对嵌入水印图像进行一次打印输出,然后扫描打印出的图像),在这些攻击下提取的水印,以及求得NC值如表1所示。

对嵌入水印的图像进行JPEG压缩、中值滤波、旋转、噪声、放大等一系列的攻击,得到的实验结果如表2所示。

3 结束语

本文针对彩色数字图像的版权保护,提出了一种基于DWT和SVD的水印嵌入算法。通过剪贴、拼贴、旋转、缩放、JPEG压缩、噪声等攻击实验,证明本文算法具有较强的鲁棒性,尤其是对于剪贴、拼贴、旋转、缩放等几何攻击,这也是奇异值特性的体现。同时将小波分解与奇异值分解有效地结合,有效地利用了将水印信息隐藏在小波分解得到图像的低频部分,可以提高对JPEG压缩、噪声等鲁棒性。本算法同时对打印输出的印刷品经过扫描后,仍然能够提取出较清晰的水印图像,进一步增强了彩色数字图像的安全性。

摘要：针对彩色数字图像的版权保护问题,提出了基于奇异值分解和离散的小波变换的彩色图像数字水印算法。算法将CIE-RGB色彩模式下的彩色图像转换到CIE-LAB色彩模式,然后将置乱后的水印嵌入到LAB色彩空间的L分量分块的小波分解低频系数的奇异值中。实验证明,该算法能够抵抗剪贴、拼贴、高斯噪声、JPEG压缩缩放、旋转等常用的图像处理的攻击,并且具有良好的不可见性和安全性。

关键词：数字水印,奇异值分解,离散的小波变换,LAB色彩空间

参考文献

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[4]刘挺,尤伟彦.一种基于离散小波变换和HVS的彩色图像数字水印技术[J].计算机工程,2003(3).

[5]LIU R,TAN T.An SVD based watermarking scheme for protecting rightful ownership[J].IEEE Trans Multimedia,2002(1).

[6]章毓晋.图像工程(上册)图像处理(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2006.

[7]金聪.数字水印理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2008.

[8]袁静,刘宏,张建军,等.数字水印技术与算法实现[J].测绘学院学报,2003(3).

图像火检及灭火保护应用研究篇2

现在火力发电机组的灭火保护工作尤为重要,机组需要安装一套使其尽快投入闭环运行,且能为火力发电机组安全、可靠运行奠定基础的系统。为此,厂部组织对我厂#2炉灭火保护进行研究分析,决定用LY2000-II图像火焰检测可达到完整直观可靠的控制系统,经过安装调试及实际应用完全符合大型机组灭火保护的需求。

我厂#2炉6台磨煤机,每台磨设有相应的4个喷燃器,该灭火保护图像火监系统一套共装设24个可见光装置和一套图像处理装置,整个系统包括七大部分:火焰图像传感器、冷却风系统、视频信号分配器、火焰图像检测器、火焰图像监视管理系统、火焰图像录放系统,通过上述几大系统判断有火与无火,将其开关量信号引入INFI-90控制系统进行逻辑运算作为#2炉的灭火保护。

2 系统静态调试

1)控制柜因安装后机组一直运行,未将其电源接入UPS电源,采用临时电源,后上电后发现原柜内UPS电源未安装,且与资料提供的电源要求不相符(比原资料功率大),更换了上一级临时电源保险。

2)电源装置进行回路改造,上电,设备运行正常,包括HB12、CCD、DCS通讯。可见光带电调试,从炉膛送光源信号驱动有火节点,发现一块模件有故障,并进行了更换,更换模件后,其它运行正常。

3)为保证就地传感器的安全可靠运行,安装两台火监冷却风机,并临时设计控制回路实现两台风机联锁功能,安装风机出口压力变送器设定定值为P=P0-50mmH 2O。在INFI-90系统内组态,冷却风系统在锅炉运行期间能自动保持火焰检查传感器风压,实现无须运行人员操作“风压低信号”发或运行“风机掉”自动启动另一台风机,并在CONDUCTOR NT画面可实现远方操作及低报警显示。

4)在DCS内进行“四取三”逻辑组态,下装即当每台磨四台喷燃器同时发无火信号掉相应磨煤机,但发现存在缺陷其火检控制系统为“负”逻辑,当失电后保护就会误动,针对这一情况,将模板更换为“正”逻辑模板,重新在DCS中组态,并使用失电信号闭锁保护误发。

3 系统动态调试

录像机:

本系统有两台录像机,实现事故追忆。录像机设置为24小时录像,自动实现反复录像。当机组停机时应手动停止录像,否则24小时后将所有历史画面冲掉。上位机可以采集两种画面:实时画面和历史画面。录像机在录像状态时,MENU主目录按钮不起作用。

1)16画面分割器

本系统有两台16画面分割器,1号16画面分割器接收8路视频信号,提复合视频信号供给1号录像机,2号16画面分割器接收16路视频信号,提复合视频信号供给2号录像机。

2)四画面分割器

本系统有一台四画面分割器,将切换器送来的四路视频信号合成一路视频信号送上位机显示。

3)上位机

开机后主画面为LY2000图像火焰检测系统3.0应用程序画面。在此可以实现对系统内录像机、下位机、切换器、四画面等设备的控制。

a)状态显示颜色说明

黑色---无视频(一种情况为全炉膛无火,另一种情况为CCD电源故障)

蓝色---通讯故障(表示上位机与下位机未通讯上)

绿色---无火

红色---有火

b)录像机操作

当从实时画面切换为#1录像机(上面)录像画面时,应将1号16画面分割器(上面)从8画面切换为16画面,否则不好切换。正常录像时,1号16画面分割器为8画面输出。

c)不要从H层画面操作循环按钮。

4)下位机

下位机通过上位机通讯来设备参数,此参数只有管理员可以设置。

5)光纤检查更换

当图像不清晰时就需要检查光纤及光纤护镜。

6)火焰图像位置

调整步骤分为冷态调整及热态调整。

冷态调整:

(1)CCD靶面与显示屏屏面对中度调整

CCD视屏信号接到显示器,转动目镜筒B并旋紧使面对正显示屏屏对中部(要求上下和显示屏内切,左右对中)。

(2)在一次风喷口中心,距风口端面1 700MM处放置一光源,转动火检传感器内套管。

(3)图象清晰度调整

松开CCD固定螺丝,转动CCD焦距调整螺套,使图像达到最清晰为原则,如果效果不佳,可调整目镜筒,应注意调整后将螺丝紧固,以防松动。

热态调整:

点火投煤粉并带负荷后,因每个煤粉燃烧实际火焰形状和位置受配风影响,可能与冷态有偏移,所以应遵照上述原则重新调整。要调整各火焰,而且火焰位于显示屏中部。

1)主要技术参数

a)图象火监探头:

CCD工作电压:12V/DC

前物镜视场角:约90º

耐温:小于140º

传像光纤石英玻璃位1.5万根单丝

CCD摄像头为PAL帧

信噪比:46分贝

b)视频信号分配模块:

输入阻抗:75Ω

工作电源:12VDC/0.5A

c)视频信号切换器:

最大视频信号输入数:24路/6层

视频信号输入阻抗:75Ω

视频输出通道:4路

工作电源:5VDC

d)层火焰图象检测器:

4 通道PAL制视频信号输入,输入阻抗75Ω

8点隔离开关量输入信号,外加12V-4VDC工作电源

8点开关量输出信号,继电器常开/常闭触点,负载24V/1A。

2)检修、维护工艺标准

a)图象火监探头必须装在二次风道内,其头部最好位于二次风口左右对称的竖直截面内;

b)火监探头前端面应缩入二次风口约25～50MM(在保证安全运行的前提下尽量靠近二次风口);

c)火监探头安装应使其视角清楚地观测到沿一次风口轴线方向距其喷口约300MM以外的单个燃烧器的整个火焰(包括未燃区、挥发份燃烧区、着火区、燃尽区);

d)每只火监探头外套管安装完,必须用内套管检查,使内套管进退自如并保证安装到位,然后拆下内套管保存好。待使用前再安装,并将CCD、专用电缆及冷却风管连接好,以防长时间不用损坏光纤重要零件;

e)冷却风系统在锅炉运行期间能自动保持火焰检测器传感器风压,无须运行人员干预;冷却风机启动,并达到正常转数后,应在运转过程中经常检查轴承温度是否正常。轴承温升不得大于40ºC,表温不大于70ºC。如发现风机有剧烈的振动、撞击、轴承温度迅速上升等现象时必须紧急停车检修。风机应定期检修和润滑,风机的维护必须在停车时检修。

4维护注意事项

1)从该系统投入使用以来的运行共况来看,图像传感器对冷却风要求很高,冷却风必须有足够风压和风量,而且必须足够洁净,这样才能保证传像光纤的传像质量和使用寿命。当传感器冷却风机出口压力小于整定值时,会立即自动启动另一台冷却风机,同时发出风压不足报警信号提醒运行人员,此时运行人员应迅速处理,否则会导致光纤烧损。为确保传感器冷却风机的可靠性,为冷却风机提供了2路电源。

2)在使用过程中,应定期对图象传感器进行检查。每次检查时,拔插光纤的过程应轻松自如,否则光纤保护管路可能堵塞,若发生堵塞应疏通光纤保护管路。拆下火检探头检查时,应用软布清扫探头内表面的炭尘,如不符合要求应更换。此外,每次检查都应对图象传感器物镜进行擦拭工作,否则在物镜上会出现积灰、结焦现象,影响传像质量。

5结语

我厂图像火监LY2000-II及灭火保护系统应用较好,经实际验证,可大大提高系统的安全性和可靠性,在火力发电厂可推广应用。

摘要：文章分析并研究了神头第二发电厂图像火监及灭火保护系统,并对其应用进行了阐述。从系统静态调试、系统动态调试、主要技术参数、检修、维护工艺标准、常见故障及排除方法、维护注意事项等几方面全面论述了本系统的完整性、直观性和可靠性,实现了FSSS的全面投运。

图像保护篇3

建设基于网络环境下的摄影图片网站,能够有效的保存图片档案资源,大大降低图片档案的存储成本;与此同时,只要网络平台设计得当,利用适当的网页设计技术,为网站加入图片检索等方面的功能,就能更大程度的提高图片资源使用的便捷性,活化资源。

摄影网站开发的技术重点和难点,除了网站整体设计,纸质照片的数字化转化和修复之外,图像版权的保护是网站建设者不可避免要重点关注的问题。为了避免恶意的侵权和泄密等问题的发生,在设计网站前,我们对图像进行分类,并利用不同的技术手段,实现对分类图片的浏览和下载权限的控制(如表1),在图像版权保护上取得了良好的效果。

现将研究成果进行介绍,希望能取得抛砖引玉的效果。

2 为一般图片添加数字水印,声明图片版权

数字水印(digital watermarking)是实现版权保护的有效方法。它是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中, 以起到版权保护、保密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用[1]。根据水印信号是否可见可分为可见水印和不可见水印。可见水印主要作用是清晰标示版权,很多网站的预览图片都被嵌入了可见水印[2]。用于保护网络图片最常见的电子水印技术,就是利用软件在所上传图片的特定部位打上一个版权标签,成为原始数据不可分离的一部分。

为数字图像打上水印,以声明图像版权,是图像上网前要做的首要工作。由于需上传的图像数量巨大,在制作图像数字水印之前,我们利用不同软件添加数字水印,并上传到服务器全过程的效率进行了试验,参加测试的软件主要包括方案1的Photoshop CS、方案2的SnagIt 9及方案3的AspJpeg插件,测试过程如图1所示。

方案1利用Photoshop软件逐张为图像添加水印,能够比较自由的调整水印添加的位置,避免对图像造成影响,但此方法效率极低,不适合大批量的水印图像制作。

方案2利用SnagIt 9等软件能批量为图像添加水印,虽在一定程度上提高了水印添加的效率,但是由于水印添加到图像的位置必须先确定,会对图像整体效果造成影响,且图像转换后仍需将图像上传到服务器。

方案3中,AspJpeg是一款基于Microsoft IIS环境功能强大的图片处理组件,它可以使用很少的代码在ASP/ASP.Net应用程序上动态的创建高质量的水印图片和缩略图像。将制作好的水印放置在服务器,在服务器端安装好AspJpeg插件,在网站上传组件中写入相应代码,在图像上传过程中,服务器自动执行为图像添加水印的命令,将“添加水印”和“上传”两步骤合二为一,大大提高了图片上传的效率,同时为图像生成缩略图,大大减少了摄影网站的工作量。我们将结果列表进行了比较,如表2所示。

根据测试结果,我们选择了方案3为主,方案1为辅的方法,网站绝大部分图像直接通过AspJpeg插件添加水印,少量重要的人物或容易被水印影响效果的图像则通过Photoshop 软件进行个性化的水印添加,在实际操作中达到了很好的效果。然而添加数字水印一般仅用于发生版权纠纷时版权的确认,仅是一种事后保护措施[4],且图像盗用者往往可以利用技术手段将图像中的水印去掉,所以仅仅在图像中添加水印并不能完全解决网络图像版权侵害的问题。

3 利用Flash技术,最大限度防止保留图片被下载

为了丰富网站资源,为爱好摄影的用户提供发表作品的版块是不可或缺的。在实际操作中却常遇到这样的问题:有些用户希望将图像放在网上供人浏览,但却不希望被下载。

针对这一要求,我们进行了多个试验。

首先,我们利用JavaScript语言在网页中禁止用户复制和使用鼠标右键,如在网页源代码的

字段中加入如下代码:

这样能为版权侵害者制造障碍,同时也表达版权保留的声明,对版权侵害者提出告诫[3]。但在测试中,我们却发现虽然禁止了鼠标右键,但往往因为电脑安装了某些软件,页面会自动出现“保存此图像”的按钮,于是利用这类代码来保护版权往往形同虚设。

经过试验表明,只要以图像格式显示在网页里,就不可避免被用户“另存为”。于是我们做了大胆的假设:是否能够将图像转换成别的格式来避免这个问题呢?由于Flash在网络非常盛行,我们首先考虑将图像转化为swf文件,这样能避免图像 “赤裸裸”的在网络上展示。

使用Flash软件将数以千计的图像逐一转换为Swf格式是不现实的。在实际操作中,我们利用loadmovie等函数,设计了一个有放大、缩小、前进、后退等按扭的模拟播放器,然后按以下步骤操作:

(1)将照片按拍摄者分成不同的文件夹,每个文件夹的图片均按照同样的命名方式命名,如pic1.jpg-pic100.jpg;

(2)利用Flash软件制作一个FlashPhotoPlayer的swf图像播放器,该播放器主要利用LoadMovie函数对固定路径的系列图像进行调用,用户可利用按扭组件进行播放控制;

(3)将该FlashPhotoPlayer存放于不同作者摄影作品的各自独立的文件夹内;

(4)在网页中调用每个文件夹的FlashPhotoPlayer文件。

由于每个文件夹的图像文件名一致,于是就达到了只制作一个Flash播放器,就能在不同文件夹调用不同图片的效果。如图3所示。

在效果测试中,我们惊喜的发现,在FlashPhotoPlayer里显示的图像,不但没有出现“保存此图像”的按钮,在利用FlashGet等软件下载测试时,下载的也仅是FlashPhotoPlayer这个播放器文件,在客户端直接打开FlashPhotoPlayer并不显示图片,防“盗”效果出乎意料。与此同时,用户还能通过播放器的按扭控制图像的放大、缩小及显示注解等,在放置医学图像供学生学习使用时也取得良好的效果。见图4。

4 利用会员制技术,将保密图片进行隐藏

网站采用会员制,将保密图片与普通用户进行技术隔离,是一个有效的方法。

在动态网页与数据库技术支持下,我们设计的系统实现了以下功能:

为了方便管理,我们按照查阅及下载的权限划分为五个等级,并对各级权限进行个性化设定,如表3所示:

当用户注册后,我们根据真实姓名及所在单位,在后台赋予该用户相应的权限后,用户登陆该网站后,网站也将根据用户权限,将保密图像选择性的显示在前台,很好的实现了网站的图像版权保护。

除了上述版权保护措施,我们也对摄影网站采取了物理隔离,即将网站放在仅向校园网用户开放的服务器,避免公众网用户的访问。这在最大程度上避免了社会上的恶意侵权行为。

5 结语

建设基于网络环境下的摄影图片网站,将摄影作品进行数字化保存和网络化传播已是大势所驱,基于网络环境下的数字图像版权保护已经成为不可忽视的问题。版权侵害问题得不到解决,资源得不到保护,势必大大削弱资源建设者的积极性。

正如人民大学知识产权研究所所长刘春田所言:“知识产权所有者与公众使用者之间的关系不是一个技术性的问题,因为再好的技术最终都可以被解破并对产品加以盗版复制的。”对于知识产权保护,更重要的是要让侵犯知识产权者和社会公众提高知识产权保护意识,这样才能更好的推动包括摄影创作在内的科学、文化和艺术等创作工作的健康、快速发展。

参考文献

[1]杨俊华.数字作品的保护神——数字水印技术[J].石家庄师范专科学校学报,2000,2(4):60-61.

[2]肖利娜.数字水印技术的研究与应用[J].科技信息(科学教研),2008,21:242.

[3]黄粤锋.网络教学资源知识产权保护策略[J].中国教育信息化,2008,194:46-49.

数字博物馆中的图像版权保护研究篇4

博物馆是收集、保护、利用文物的重要场所,但由于种种原因,我国大部分博物馆都处于以下困境:受技术、资金和场地的限制,文物保管条件差,有些文物面临氧化与霉变的问题;文物管理条件落后,为了安全原因,博物馆长期封闭,不对外开放,不能为外界所见、所用,利用率不高。为了更好地保护文物,实现资源共享,传播中华文明,充分实现博物馆的社会效益、经济效益,可以借助数字化手段对博物馆进行改造,建成数字博物馆。博物馆的数字化可理解为把博物馆的收藏、陈列、展览等功能,用数字化的方式表现出来,以强调展示性、主动性,吸引使用者的好奇心。数字化技术可以使人们更好地利用博物馆和保护文物,文物存储形式可以多样化,如:文字、图像、三维模型、视频、音频等多种形式。但是在将博物馆信息数字化并通过Internet达到共享的同时,也面临着文物声像等数字信息被随意复制、传播、篡改以及文物信息版权被窃取的问题,为了有效地防止这些行为的发生,提出利用数字水印技术对这些珍贵信息在共享的同时予以保护。数字水印技术将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中,但不影响原载体的使用价值,也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息,可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向[1,2]。

本文提出一种基于块奇异值分解的鲁棒性盲数字图像水印算法。算法充分挖掘相邻图像块高度相关性,利用混沌映射将水印信息进行预处理,使得水印信息具有随机性;按水印的大小将原始图像分成小的子块,利用矩阵奇异分解技术分解每个子块,通过比较调整相邻图像块最大奇异值来完成水印的嵌入。水印的检测与提取不需要原始图像和原始水印。利用混沌映射结合矩阵奇异分解,将水印信息分散在原始图像的不同位置,提高了隐藏的视觉效果,保证了水印的安全性。实验结果表明,本方法具有较好的不可见性以及对一般图像处理具有一定程度的鲁棒性。

1 相关技术

1.1 奇异值分解

从图像处理的角度来看,奇异值分解具有以下主要特性:一幅图像的奇异值具有相当好的稳定性,也就是说,当图像受到轻微的扰动时,它的奇异值不会发生剧烈的改变;奇异值能够表现出图像内在的代数特性。

奇异值分解[3,4]是一种线性代数的工具,在图像压缩、信噪分离等方面有着广泛的应用。大小为m×n的矩阵A∈Cm×n的奇异值分解为:

$A = U S V^{Τ} = \sum_{i = 1}^{r} λ_{i} u_{i} v_{i}^{Τ}$ (1)

其中U∈Cm×m、V∈Cn×n是2个酉矩阵,即UTU=E,VTV=E。S表示元素为非负数的对角阵,r≤min{m,n}是矩阵A的秩,λ1,λ2,…,λr,称为矩阵A的奇异值。 $λ_{i} = \sqrt{μ_{i}} (i = 1, 2, \dots, λ)$ 其中μi是ATA或AAT的特征值。ui(i=1,2,…,r)称为矩阵A的左奇异向量,对应于矩阵AAT的特征向量。vi(i=1,2,…,r)称为矩阵A的右奇异向量,对应于矩阵ATA的特征向量。

1.2 Arnold混沌变换

图像置乱就是利用某种算法将一幅图像各像素的次序打乱,但像素的总个数不变,直方图不变。已提出的图像置乱方法有Fass曲线、Gray代码、Arnold变换等[5,6]。本文选择Arnold变换作为水印嵌入的预处理方法。Arnold变换又称猫脸变换。

利用上式,逐一对图像中的像素点坐标做变换,当遍布了图像所有像素点之后,便产生了置乱后的图像。另外,对该图像还可做反复迭代,以产生不同结果的图像,直到达到要求为止。Arnold变换具有周期性,即当迭代到某一步时,将重新得到原始图像。

2 水印嵌入和提取算法

2.1 基于自参考的分块方法

为了充分挖掘相邻图像块高度相关性,我们尝试采取了以下分块方法:首先将原始载体图像分成互不覆盖的8×16大小的图像块,通过水平、垂直、对角的抽取分裂成两个8×8大小的子块,如图1所示。

根据实验,综合相邻图像块高度相关性,保证数字水印系统透明性和鲁棒性都能满足需要的前提下,我们选择了垂直分割的方法。

2.2 水印嵌入算法

本文以大小为(n×k)×(n×k)的原始灰度图像I、大小为n×(n/2)的二值水印图像W为实验数据,描述本文的水印嵌入算法如下:

(1) 对原始水印分成2个大小为(n/2)×(n/2)的子块,分别对其进行Arnold混沌映射,保存密钥k1、k2。

(2) 将原始载体图像分割成互不覆盖的k×(2×k)大小的块,将其进行垂直分割法分裂成A、B两块。

(3) 分别对A、B进行奇异值分解,从而根据置乱后的水印,通过比较调整相邻图像块最大奇异值来完成水印的嵌入。具体嵌入方式如下:

$\begin{array}{l} W = 1 {\begin{cases} A_s v^{'} = A_s v + Τ, B_s v^{'} = B_s v - Τ A_s v > = B_s v \\ A_s v^{'} = B_s v + Τ, B_s v^{'} = A_s v - Τ A_s v < B_s v \end{cases} (3) \\ W = 0 {\begin{cases} A_s v^{'} = B_s v - Τ, B_s v^{'} = A_s v + Τ A_s v > = B_s v \\ A_s v^{'} = A_s v_Τ, B_s v^{'} = B_s v + Τ A_s v < B_s v \end{cases} (4) \end{array}$

其中A_sv、B_sv为原始块A、B奇异值分解后的最大奇异值,A_sv′、B_sv′为修改后的最大奇异值,T为预先设定的修改量。

(4) 对被修改后的矩阵进行奇异值反变换,反垂直还原成图像块。

(5) 直到水印全部嵌入为止。

以下给出水印嵌入的具体算法:

算法1 水印嵌入算法

输入:水印图像,载体图像,置乱次数,阈值T。

输出:含水印图像。

k=8;K=16;T=20; 读取原始载体图像;

读取原始水印图像;水印图像置乱;

for p=1:2*mc

for q=1:nc/2

x=(p-1)*k+1;y=(q-1)*K+1;

BLOCK=I(x:x+k-1,y:y+K-1);

基于自参考的分块方法将BLOCK分成A、B两块;

[UA SA VA]=svd(A);[UB SB VB]=svd(B);

SAa=SA;SBb=SB;

SA_SB(q,p)=SA(1,1)-SB(1,1);

if WW(q,p)==1 & SA(1,1)>=SB(1,1)

SAa(1,1)=SA(1,1)+T;SBb(1,1)=SB(1,1)-T;

end

if WW(q,p)==1 & SA(1,1)<SB(1,1)

SAa(1,1)=SB(1,1)+T;SBb(1,1)=SA(1,1)-T;

end

if WW(q,p)==0 & SA(1,1)>=SB(1,1)

SAa(1,1)=SB(1,1)-T;SBb(1,1)=SA(1,1)+T;

end

if WW(q,p)==0 & SA(1,1)<SB(1,1)

SAa(1,1)=SA(1,1)-T;SBb(1,1)=SB(1,1)+T;

end

SAa_SBb(q,p)=SAa(1,1)-SBb(1,1);

Aa=UA*SAa*VA′;Bb=UB*SBb*VB′;

基于自参考的分块方法逆变换将块Aa,Bb合成block块;

IW(x:x+k-1,y:y+K-1)=block;

end

IE=uint8(IW);imwrite(IE,′embeded.bmp′,′bmp′);

2.3 水印提取算法

水印的提取是水印嵌入的逆过程,描述如下:

(1) 对伪装图像分割成互不覆盖的k×(2×k)大小的块,将其进行垂直分割法分裂成A*、B*两块。

(2) 分别对A*、B*两块进行奇异值分解,根据相邻图像块最大奇异值大小关系来完成水印的提取。具体提取方式如下:

其中A*_sv、B*_sv为块A*、B*奇异值分解后的最大奇异值。MW′为提取的置乱的水印。

(3) 将MW′分块后分别进行反Arnold变换,得到真正的水印W′。

以下给出水印提取的具体算法:

算法2 水印提取算法

输入:含水印图像,置乱次数。

输出:水印图像。

k=8;K=16;读取含水印图像;

mc=32;nc=64;

for p=1:2*mc

for q=1:nc/2

x=(p-1)*k+1;

y=(q-1)*K+1;

BLOCK=I(x:x+k-1,y:y+K-1);

基于自参考的分块方法将BLOCK分成A、B两块;

[UA SA VA]=svd(A);

[UB SB VB]=svd(B);

if SA(1,1)-SB(1,1)>0

WW(q,p)=1;

else

WW(q,p)=0;

end

水印图像逆置乱;IE=logical(～W);imwrite(IE,′tiqu_sy.bmp′,′bmp′);

3 实验结果分析及在数字博物馆中的应用情况

3.1 实验结果

为了验证本文所提算法的有效性,我们在做仿真实验时以Matlab 6.5作为试验环境,所用的原始载体图像是灰度级为256级,大小为512×512的文物图像,如图2(a)所示,水印是大小为64×32的二值标志图像,如图2(b)所示。然后按照本文所提出的算法进行实验,在没有攻击的情况下实验结果见图2(c)和(d)。实验中阈值T的大小决定了修改图像块奇异值的强度及影响提取水印图像的清晰程度,因而阈值大小的选择要兼顾到这两个方面。通过实验分析,本文选取T为20。为了验证算法的鲁棒性,对图像用剪切、加入椒盐噪声、JEPG压缩等方式进行攻击,然后用本文所提出的水印提取算法进行检测,所得结果见表1和图3。本文采用了PSNR峰值信噪比来评价嵌入水印的图像视觉质量,另外采用了NC归一化相关系数来评价被提取的水印具有可识别性。所用公式见式(6)-式(8)。

$Ρ S Ν R = 10 \times \log_{10} (\frac{255^{2}}{Μ S E})$ (6)

其中:

$Μ S E = \frac{1}{Μ \times Ν} \sum_{i = 1}^{Μ} \sum_{j = 1}^{Ν} (f_{w (}_{i, j)} - f_{o (i, j)})^{2}$ (7)

其中,fo(i,j)是原始图像的像素值、fw(i,j)是含水印图像的像素值,M、N分别是图像的宽、高。

$Ν C (W, W^{'}) = \frac{\sum_{i = 1}^{m} \sum_{j = 1}^{n} w_{(i, j)} w^{'}_{(i, j)}}{\sqrt{\sum_{i = 1}^{m} \sum_{j = 1}^{n} w_{(i, j)}^{2}} \times \sqrt{\sum_{i = 1}^{m} \sum_{j = 1}^{n} w^{'}_{(i, j)}^{2}}} (8)$

其中,w(i,j)为原始水印的像素值,w′(i,j)为提取出的水印的像素值。m,n为水印图像的宽度和高度。

表1显示了对图像进行了一般处理攻击和几何攻击后的实验数据。从实验的数据看,本文所提算法具有很强的鲁棒性和很好的透明性。

为了验证阈值T的大小将影响含水印图像的PSNR值,可见图像的PSNR值随着阈值T的增大而降低。大量文献表明,当图像的PSNR>35dB时,水印的不可见性较好。从图3(a)中可以看出,当阈值T的值从10增大到30时,PSNR从42dB减小到34dB,因此本文的水印方案可以保证图像视觉质量。

图3(b)是在阈值T取不同值时,常见图像处理下所提取水印的NC值,其中图像处理强度与表1 相同。从图3(b)可以看出,图像处理下提取水印的NC值随着阈值T值的增大,总趋势是增大。高斯低通滤波操作和椒盐噪声攻击受阈值T的影响较大。综合鲁棒性和透明性的前提下,本文选择阈值T=20。

3.2 实验分析

3.2.1 不可见性

不可见性图像水印要求人类视觉系统(HVS)应无法区分含水印图像与原图像之间的差异。本文充分挖掘相邻图像块高度相关性,利用混沌映射将水印信息进行预处理,使得水印信息具有随机性;按水印的大小将原始图像分成小的子块,利用矩阵奇异分解技术分解每个子块,通过比较调整相邻图像块最大奇异值来完成水印的嵌入。当嵌入水印比特为1时相邻图像块奇异值变化范围为a1=A′_sv-B′_sv>2×T,当嵌入水印比特为0时相邻图像块奇异值变化范围为a2=A′_sv-B′_sv<-2×T。从以上计算结果可知,水印在嵌入前后系数总体上的变化范围在(-2×T,2×T)内。可见,水印的不可见性与阈值T的大小有关,T越大,水印的不可见性越差。

3.2.2 鲁棒性

在正确评估和比较一个水印系统时,水印的不可见性与鲁棒性都是十分重要的,但二者之间存在着一个折衷,即提高水印的鲁棒性就要增加水印嵌入强度,相应地会增加水印的可见性。水印的鲁棒性要求嵌有水印的载体即使受到一定的扰动,也应仍然能够恢复水印。由相邻图像块奇异值差值变化限制在2×T之内就能够正确提取出水印,因此嵌入的水印具有一定的容错性。水印的鲁棒性与阈值T有关,T越大,水印的鲁棒性越强。我们通过调节阈值T,可以在不可见性与鲁棒性之间达到合理的折衷。

3.2.3 安全性

一个安全的水印系统应满足非法用户不易破坏、移除或伪造水印,与信息加密技术一样,数字水印系统也往往使用密钥来加强水印的安全性。在我们的水印方案中,水印在嵌入时使用了混沌置乱技术,即使非法用户提取出水印,在不知道密钥k1、k2的情况下,乱序水印也无法进行逆置乱操作,从而也很难恢复和伪造水印。此外,阈值T也可以作为密钥来保护水印的嵌入强度。

3.3 算法在数字博物馆中的应用情况

本算法是为了配合数字博物馆项目而提出并完成的。数字博物馆是为了满足文物专家和文物爱好者对文物的研究、探索和欣赏所设立,都是被放置在互联网上,让更多的人能够不受时间、地域的限制来对它自由访问、浏览或者下载博物馆数据。在下载的人群中,主要可分为两类人,一部分就是用于收藏,以做欣赏之用;但另一部分人则是利用网络上的博物馆的资料,用做它用(比如说,在它处使用并且注明自己为原创者,或者部分修改后作为商用资料)。如何有效地保护这样的版权侵犯,是摆在我们面前的一道难题,这就需要采取一定的措施来应对这样的举动,因此设计并实现了数字水印算法。在数字博物馆中,主要包含有二维静止图像、音频、视频和网格模型信息。目前我们只针对二维静止图像进行相应的研究,下一阶段将针对音频和视频的水印算法做了相应研究并对三维水印也做一些探索性的工作。

针对数字博物馆项目的相关要求,我们设计实现了数字水印系统。本系统不仅实现了二维图像数字水印算法,而且还有针对性地实现了几种数字水印攻击实验以完成对我们所实现的水印算法的测验,了解这些算法的不同适用范围。本文的主要工作是完成数字水印的多种算法以及对应的攻击实验。系统界面如图4所示。

本系统本着在实用的基础上研究的思想,主要将数字水印技术应用到数字博物馆项目中,并对数字水印的鲁棒性展开研究,突出了其实用性和研究价值。系统在实现过程中有如下几个特点:

(1) 提供为数字媒体的嵌入和提取数字水印功能。

(2) 实现一种基于SVD的数字水印算法。即保证了水印信息的不可见性,又保证了水印信息的嵌入量。

(3) 实现对水印算法的攻击测验平台;比较各种算法的优劣。

4 结语

根据数字博物馆对图像版权保护的需求,提出了一种新颖的基于块奇异值分解的鲁棒性盲数字图像水印算法。算法充分挖掘相邻图像块高度相关性,利用混沌映射将水印信息进行预处理,使得水印信息具有随机性;按水印的大小将原始图像分成小的子块,利用矩阵奇异分解技术分解每个子块,通过比较调整相邻图像块最大奇异值来完成水印的嵌入。水印的检测与提取不需要原始图像和原始水印。利用混沌映射结合矩阵奇异分解,将水印信息分散在原始图像的不同位置,提高了隐藏的视觉效果,保证了水印的安全性。实验结果表明,本方法具有较好的不可见性以及对图像处理具有一定程度的鲁棒性。

博物馆的数字化是一项浩大的工程。用数字水印对数字化文物的产权和内容完整性进行保护的工作还处于探讨阶段,还有很多工作值得研究。

参考文献

[1]周季峰,武港山,唐杰,等.数字博物馆中的图像盲水印技术[J].计算机应用与研究,2006(5):236-238.

[2]曹礼刚,陈辉,曹培元.基于数字水印技术的数字博物馆版权保护研究[J].计算机仿真,2005,22(4):162-165.

[3]肖亮,叶建兵,韦志辉.一类基于SVD的数字水印虚警分析与改进算法[J].南京理工大学学报:自然科学版,2010,34(2):227-231.

[4]周鹏颖,沈磊,田小林,等.基于小波-奇异值分解的数字水印新算法[J].计算机应用研究,2010,27(5):1896-1898.

[5]郭琳琴,张新荣,李震.基于Arnold逆变换的图像置乱恢复算法[J].计算机应用与软件,2010,27(9):265-267.

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