HSV颜色空间的彩色图像数字水印算法

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第８期　２００７年８月　计算机应用与软件　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２００７　ＨＳＶ颜色空间的彩色图像数字水印算法　高清柳李学斌　（北京化工大学信息科学与技术学院北京１０００２９）　摘要　提出了一种新的基于ＨＳＶ颜色空间的彩色图像数字水印算法。该算法采用彩色图像作为水印嵌入到原始彩色图像中。　算法根据ＨＳＶ颜色空间的特点，首先将ＲＧＢ格式的彩色水印图像转换到ＨＳＶ颜色空间内，然后分别将水印图像的Ｈ、ｓ、Ｖ三层进　行分块ＤＣＴ变换，对每一个子块保留左上角的系数，将其它的系数替换为０，得到嵌入矩阵，使得嵌入的有效信息大为减少。再将原　始彩色图像转换到ＨＳＶ域内，对原始图像的Ｈ、ｓ和Ｖ平面进行分块ＤＣＴ变换后，将变换后的Ｈ、ｓ、Ｖ层水印信息分别嵌入到原始　图像的Ｈ、ｓ和Ｖ层变换后的中频和低频系数中，最后通过ＤＣＴ逆交换和颜色空间转换，将嵌入水印的图像转换成ＲＧＢ的图像，得　到嵌入水印的图像，完成水印的嵌入过程。水印图像小于载体图像，利用冗余嵌入提高了水印的鲁棒性。　关键词ＤＣＴ彩色图像ＨＳＶ数字水印　Ａ　ＷＡＴＥＲＭＡＲＫＤ　Ｇ　ＡＬＧｏＲＩＴＨＭ　ＦｏＲ　ＣｏＬｏＲ　ＢＡＳＥＤ　ｏＮ　ＨＳＶ　ＣｏＬｏＲ　ＳＰＡＣＥ　ＧＥＳ　Ｇａｏ　Ｑｉｎｇｌｉｕ　Ｌｉ　Ｘｕｅｂｉｎ　（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　∞　．ｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ　∞　．ｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＨＳＶ（ｈｕｅ，ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｖａｌｕｅ）ｃｏｌｏｒ　ｓｐａｃｅ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｌａｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔｌａ　ｗａｔｅｒ．　ｍａｒｋ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｅｍｂｅｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｒｉｉｇｎａｌ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ＨＳＶ　ｃｏｌｏｒ　ｓｐａｃｅ，ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｌｏｒ　ｓｐａｃｅ，ａ　ＲＧＢ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｆｉｒｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ　ｉｔ　ｔｏ　ａｎ　ＨＳＶ　ｉｍａｇｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　Ｈ　ｐｌｎｅ，Ｓ　ｐｌａａｎｅ　ａｎｄ　Ｖ　ｐｌａｎｅ　ｗｈｉｌｅ　ｕｓｉｎｇ　ＤＣＴ　ｂｙ　８　８　ｂｌｏｃｋｓ．Ｋｅｅｐ　ＤＣＴ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｌｅｆｔ　ｃｏｍｅｒ　ｏｆ　ｅｖｅｒｙ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｚｅｒｏｓ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｆｏｒｌｎ　ｎｅｗ　ｍａｔｒｉｘ　ｗｉｈｔ　ｆｅｗｅｒ　ｅｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｅｆｏｉｃｉｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ，ｃｏｎｖｅｒｔ　ｔｈｅ　ｏｒｉ￣ｎａｌ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｔｏ　ａｎ　ＨＳＶ　ｉｍａｇｅ。Ｅｍｂｅｄ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｉｍａｇｅ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔｓ　ＤＣＴ　ａｆｔｅｒ　ｔｒｎｓｆｏｒａｍｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｈ，Ｓ　ａｎｄ　Ｖ　ｐｌａｎｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ＤＣＴ　ｂｙ　８木８　ｂｌｏｃｋｓ．Ｔｈｅｎ　ａ　ｎｅｗ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｅｄ　ｉｍａｇｅ　ｆｏｒｍｓ　ｔｈｒｏｕ【ｓｈ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ＤＣＴ　ｔｒｎｓｆｏｒａｍ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｃｏｎｖｅｒｔ　ｉｔ　ｂａｃｋ　ｔｏ　ＲＧＢ　ｃｏｌｏｒ　ｓｐａｃｅ．Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈａｎ　ｈｅ　ｔｏｒｉｉｎａｇｌ　ｉｍａｇｅ，ｎｄ　ａｈｅｔ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｉｓ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＤＣＴ　Ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ　ＨＳＶ　Ｄｉｉｇｔｌａ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　变化细节，兼顾鲁棒性与不可见性的通常做法是选用中频系数　０引　言　随着计算机网络和通信技术的飞速发展，数字媒体（包括　数字图像、数字视频、数字音频）已经得到了广泛的应用，随之　而来的数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证等问题也日　益突出，已经成为数字世界中一个非常紧迫的重要议题。数字　水印技术是解决这些问题的有效途径。　嵌入水印信息”　。尽管视觉特性对低频的变化敏感，但由于低　频系数数值远大于中频，只要水印强度适当，在利用其高鲁棒性　的同时也可以满足不可见性，因此也有文献建议在低频系数嵌　入水印　。本文算法是将水印同时嵌入到ＤＣＴ变换后的中频　和低频系数中，充分利用信息隐藏空间实现大信息量水印的嵌　入，并满足水印的鲁棒性和不可感知性要求。　数字水印技术必须满足以下三个方面“］：　不可感知性鲁棒性安全性一一根据人类视觉特性，嵌入图像中的水印对于　水印信号有多种形式，其中采用图像信号作水印具有直观　性强的优点，例如可将商标图案作为水印，在版权保护中更具应　用价值。本文算法采用彩色图像作为水印，对水印的操作在图　像的ＨＳＶ颜色空间，充分利用了ＨＳＶ颜色空间的特点。　人眼应该是不可见的。　在不明显降低图像质量的条件下，水印很难被除　去或检测到。　指水印有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受　定程度的人为攻击，而且水印不会被破坏。　彩色图像颜色空间的选取　线性空间坐标系（ＲＧＢ颜色空间）不能对常见的重要术语　收稿日期：２００５—０７—２２。高清柳，硕士生，主研领域：现代信号　处理。　・　般认为，鲁棒性和不可感知性是相互矛盾的因素，水印算　法的设计即是要在保证不可感知的前提下提高鲁棒性。在图像　的ＤＣＴ变换系数中，低频系数代表图像的平均亮度，高频代表　维普资讯 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１９０　计算机应用与软件　２００７正　及一些应用的重要属性进行编码。一组有用的颜色术语有：色　度ｈｕｅ——从红色变化到绿色的颜色特性；色饱和度ｓａｔｕｒａ．　ｔｉｏｎ——从红色变化到粉红色的颜色特性；亮度ｖａｌｕ　一从黑　色变到白色的特性。例如，如果我们对检验一种颜色是否位于　相当于将原始图像分成了若干块，并对每一个图像块嵌入同一　水印。根据相应块提取出的水印畸变程度来判断该图像块是否　被篡改或破坏，进而判断整幅图像的失真状况。水印嵌入的全　过程都是可逆的。　特定范围的红色，我们希望直接对颜色的色度值ｈｕｅ进行编码。　线行空间坐标系的另一个弊端是不能捕获人们对彩色布局　的直觉；人们可以感觉到色度值ｈｕｅ形成一个圆形，ｈｕｅ相应的　颜色从红色经橙黄色，黄色，绿色，青色，蓝色，红紫色，再变换回　红色。因此，ｈｕｅ应被设计成圆形。这就意味着没有一个线性　坐标系能模拟出色度值ｈｕｅ，因为线性坐标系的最大值和最小　值相差甚多。而非线性颜色空间ＨＳＶ　可以解决此问题。　ＨＳＶ颜色空间的主要优点是各分量在视觉上彼此无关，空　间距离符合人眼的视觉特征，因此本文将其用于研究彩色图像　数字水印，达到了很好的效果。　２彩色水印图像的有效处理　将彩色图像ｗ（图１，６４×６４的２４位ＲＧＢ彩色图像）作为　水印嵌入原始图像Ｉ（图２，５１２×５１２的２４位ＲＧＢ彩色图像）中　的一个困难问题是待嵌入信息量大。离散余弦变换（ＤＣＴ）具有　把图像的重要可视信息都集中在变换后的一小部分系数中的重　要特性，不仅在图像编码中成为流行标准，在数字水印领域也被　，广泛应用　。本文采用一种基于ＤＣＴ的方法将水印图像进行　处理，从而使有效数据量大为减少。　首先将ＲＧＢ格式的水印图像转换成ＨＳＶ域的图像，然后　将其分离为色度平面Ｈ，色饱和度平面Ｓ和亮度平面Ｖ。　■　■■　图ｌ水印图像图２原始载体图像Ｉ图３嵌入水印后的图像Ｉ　然后对分离出的Ｈ、Ｓ、Ｖ三层图像分别进行如下处理：将图　像分成８×８的块并对每个８×８的子块进行ＤＣＴ变换，变换后　其低频分量集中在左上角，高频分量分布在右下角，右下角大多　数的ＤＣＴ系数值非常接近于０。由于该低频分量包含了图像　的主要信息，而高频与之相比，就不那么重要了，对于通常的图　像来说，舍弃这些接近于０的ＤＣＴ系数值，并不会使重构的图　像画面质量显著下降。所以，利用ＤＣＴ变换对每个变换后的８　×８子块保留图像的左上角部分４×４的矩阵系数，将图像的其　他系数替换为０，从而将水印的有效信息减为原来水印图像的　１／４。　为了使水印信息尽可能分布到原始载体图像的全部空间　内，根据原始图像的大小，分别将水印图像的Ｈ、Ｓ和Ｖ平面扩　充成和原始图像的大小相同的水印图像ＷＨ、ＷＳ、ｗＶ。这种冗　余嵌入水印的方法有益于提高鲁棒性。　３嵌入算法　水印嵌入过程如图４所示，载体图像与水印图像一样也转　换为ＨＳＶ空间并分别作ＤＣＴ变换，将经过处理后的彩色图像　水印嵌入到原始图像中。将扩充后的水印图像ＷＨ、ｗＳ、ｗＶ分　别嵌入到原始图像的Ｈ层图像ＩＨ、Ｓ层图像Ｉｓ、Ｖ层图像ＩＶ中，　图４水印嵌入的全过程　３．１　ＤＣＴ域嵌入系数选择　离散余弦变换将信号的主要能量集中在中低频带，文献　［１］中将ＤＣＴ变换后的矩阵通过ｚｉｇｚａｇ排序后，将水印嵌入到　中频系数中。而文献［５］中提出的嵌入对策指出，从稳健性角　度看，ＤＣ分量比ＡＣ分量更适合嵌入水印。根据以上两篇文章　中的观点，为了兼顾水印的鲁棒性和不可感知性，本文提出了一　种新的嵌入对策，将水印同时嵌入到ＤＣＴ变换后的中频和低频　系数中，从而更好地满足水印的鲁棒性和不可感知性。具体来　说，对原始图像的Ｈ、Ｓ和Ｖ平面进行８×８的分块ＤＣＴ变换后，　将生成的水印图像的有效信息嵌入到对应的ＤＣＴ系数中，即将　水印图像的ＤＣ系数嵌入到原始图像的ＤＣ系数中，将水印图像　的ＡＣ系数嵌入到对应的８×８小块的ＡＣ中频系数中，从而将　水印信息嵌入到ＤＣＴ系数的中频和低频系数中，完成水印的嵌　入操作。　３．２嵌入步骤　首先，将ＲＧＢ格式的原始图像Ｉ转换成ＨＳＶ颜色空间的图　像。然后将原始图像的ＨＳＶ颜色空间分离为色度平面ＩＨ，色　饱和度平面ＩＳ和亮度平面ＩＶ。下面以ＩＨ平面为例叙述嵌入水　印过程，其他两个平面的嵌入策略和ＩＨ平面相同。　将ＩＨ平面分成互不重叠的８×８像素块，然后对每一块进　行２维ＤＣＴ变换，得出ＤＣＴ变换后的矩阵。　然后，将生成的新水印图像ＷＨ嵌入到原始彩色图像的Ｈ　平面中。利用水印嵌入公式　ＩＨＤＣＴ　＝ＩＨＤＣＴ＋ｏｔ　ＷＨＤＣＴ　进行水印嵌入，嵌入因子为ｏｔ，ｏｔ通过实验设置为０．０４，满足水　印的不可见性和鲁棒性要求；ＷＨＤＣＴ为水印图像ＷＨ的ＤＣＴ　系数；ＩＨＤＣＴ为原始图像ＩＨ的ＤＣＴ系数；ＩＨＤＣＴ　为原始图像　ＩＨ嵌入水印后的ＤＣＴ系数。　通过上述嵌入过程，得到色度平面ＩＨ嵌入水印后的ＤＣＴ　矩阵ＩＨＤＣＴ　。同理得到Ｓ和Ｖ平面嵌入水印后的ＤＣＴ矩阵ＩＳ．　ＤＣＴ　、ＩＶＤＣＴ　。　最后，分别对ＤＣＴ变换域的ＩＨＤＣＴ　、ＩＳＤＣＴ　、ＩＶＤＣＴ　三层　图像的每个图像子块进行８×８的ＤＣＴ逆变换，就可以合成一　幅ＨＳＶ颜色空间的嵌入了水印的图像，将其转换到原始图像的　ＲＧＢ颜色空间中，即得到嵌入水印后的图像。图３所示为原始　（下转第２０９页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　苏红顺等：古诺模型动态图形的实现　下如下节的图９所示。　４动态图形的演示　５鲁棒性实验　动态图形演示见图２一图５，它们分别是ＦＲＡＭＥ＝０和３时　截取的图形，其中每幅图形均为上下两个图形构成，叠加在一起　能够起到综合对比效果，上图动态地显示随着竞争的进行两个　厂商的各自的产量、二者的产量和以及由产量和需求曲线形成　的市场价格，还显示出了它们的具体数值，并留下了他们多次竞　争留下的轨迹。下图动态地显示了两个厂商的产量在各自的产　量反应曲线上的变化过程，这个变化过程是用一个动点在两个　■■■■　图５　曲击　图６经过ＪＰＥＧ　图７加人　图８从图　厂商的产量反应曲线上的交替移动表示出来的。下图中Ｅ点　就是古诺均衡点，它显示了两个垄断寡头不断竞争的最终结果；　Ｆ点被称为共谋均衡点，其含义是如果二者共谋而形成独家垄　断模式，则两个厂商给市场提供较少的产量（３００＋３００）而使得　市场价格（６）较高，这和市场中仅有一个厂商Ａ的情形非常类　似；Ｈ点被称为竞争均衡点，其含义是市场中实现了完全竞争，　则他们给整个社会提供了一个高产量（６００＋６００＝市场容量）　和低价格（０：价格为０不甚合理的原因是假设总成本为０）。这　三个点具有重要的经济意义，我们也一并画在图形中。　图２　图３　图５　参考文献　［１］黎诣远．西方经济学［Ｍ］．第２版．高等教育出版社，２００５．　［２］郝黎仁．Ｍａｔｈｃａｄ２００１及概率统计应用．中国水利水电出版社，２ｏ０２（８）　（上接第１９０页）　图像Ｉ嵌入水印后的结果，嵌入后ＰＳＮＲ为３３．６２７ｄＢ。　４水印检测　水印检测为上述水印嵌入过程的逆过程。从嵌入水印后的　图像Ｉ　的Ｈ、ｓ、Ｖ层中分别提取出水印，可以得到和原始图像大　小相同的水印图像，如果Ｉ　的某一部分被破坏就可以根据提取　出来的这三层水印图像检测出图像被破坏的程度。将提取出来　的三层水印图像合成一幅ＨＳＶ颜色空间的水印图像，再将之转　换到ＲＧＢ颜色空间中，就可以得到提取出来的水印图像，无攻　击的情况下提取出来的水印如下节的图５所示。此水印图像由　若干个和原始图像大小相同的小水印图像组成，可通过取平均　值的方法利用冗余信息提高鲁棒性，就是说，将提取出来的水印　图像按照生成水印图像的逆过程进行分割，生成和原始水印大　小一致的小水印图像，将所有的小水印图像相叠加，然后求出平　均值，即可得到冗余处理后恢复出来的水印图像，无攻击的情况　蜀压　嚣詈塞来　言霪　图６为经过压缩比为３的ＪＰＥＧ压缩后提取出来的水印图　像，由于高频能量损失大，图中变化较快地方的水印失真较大，　经过冗余处理恢复出来的水印图像与嵌入的水印图像的相似度　ＮＣ值为０．９８７３，如图１０所示。　图７为图３加入椒盐噪声后的水印图像，图８为从图７中　提取出的水印图像。图１１为图８冗余处理后恢复出来的水印。　提取出来的水印图１　１和原始水印的相似度为０．９９８９４。　■一■一■一　图９　图１Ｏ　图１１　图１２　图１３　图１４　（注：图９为图５冗余处理后恢复出来的水印；图１Ｏ为图６冗余处　理后恢复出来的水印；图１１为图８冗余处理后提取出来的水印；图１２　为缩小５０％时冗余处理后恢复出来的水印；图１３为放大２倍冗余处理　后恢复出来的水印；图１４为裁减左上角１／４时冗余处理后恢复出来的　水印）　当含水印图像经缩小、放大或裁减图像左上角１／４的图像　时，提取出来的水印经过冗余处理后恢复出来的水印图像分别　如图１２、图１３、图１４所示，和原始水印图像的相似度分别为０．　９７０７８、０．９９９９６、０．９９９９５。可以看出水印抵抗几何变换的能力　良好。需要注意的是，如果攻击改变了水印图像的几何尺寸，在　进行水印检测时，对于几何尺寸发生变化的待检测图像，需要对　待检测图像进行几何尺寸变换预处理。　实验结果表明，该算法能够抵抗ＪＰＥＧ压缩、噪声和几何变　换等攻击，具有较好的鲁棒性。　参考文献　［１］Ｎａｒｇｅｓ　Ａｈｍｉｄｉ，Ｒｅｚａ　Ｓａｆａｂａｋｈｓｈ．Ａ　Ｎｏｖｅｌ　ＤＣＴ—ｂａｓｅｄ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　Ｓｅｃｕｒｅ　Ｃｏｌｏｒ　Ｉｍａｇｅ　Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００４．　［２］董长虹，赖志国，余啸海．Ｍａｄａｂ图像处理与应用［Ｍ］．北京：国防　工业出版社，２００４：１１４—１２４．　［３］Ｄａｖｉｄ　Ａ　Ｆｏｒｓｙｔｈ，Ｊｅａｎ　Ｐｏｎｃｅ．ＣＯＭＰＵＴＥＲ　ＶＩＳＩＯＮ　Ａ　ＭＯＤＥＲＮ　ＡＰ－　ＰＲＯＡＣＨ［Ｍ］．ＢＥＩＪＩＮＧ：ＴＳＩＮＧＨＵＡ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＰＲＥＳＳ，２００４：　１０５一ｌ１４．　［４］Ｒａｆａｅｌ　Ｃ　Ｇｏｎｚｌａｅｓ，Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｅ　Ｗｏｏｄｓ，Ｓｔｅｖｅｕ　Ｌ　Ｅｄｄｉｕｓ．Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇ　ＭＡＴＬＡＢ［Ｍ］．ＢＥＩＪＩＮＧ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｈｏｕｓｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃ・　ｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００４：１９４—２４１．　［５］许红山．基于变换域的数字水印技术．计算机工程与科学，２００４，２６　（１）：４７—５Ｏ．　［６］郭志强，唐兵．自适应彩色图像水印算法．武汉理工大学学报，　２００４，２６（２）：７６—７９．　［７］吴庆畅，刘兵，杨鉴．—种新的基于域相关算法的图像易损水印技　术．计算机工程，２００４，３０（８）：１４６—１４８．