Размещено на http://www.allbest.ru
Введение
На сегодняшний день изображения занимают значительное место в
обмене информацией. В связи с необходимостью защиты авторских прав
данных файлов и другой мультимедийной информации были разработаны
цифровые водяные знаки (watermarks). Цифровой водяной знак должен
отвечать следующим требованиям:
– незаметность для пользователей;
– индивидуальность алгоритма нанесения;
–
возможность
для
автора
обнаружить
несанкционированное
использование файла;
– невозможность удаления неуполномоченными лицами;
– устойчивость к изменениям носителя-контейнера (к изменению его
формата и размеров, к масштабированию, сжатию, повороту, фильтрации,
введению
спецэффектов,
монтажу,
аналоговым
и
цифровым
преобразованиям).
Поиск алгоритма создания цифрового водяного знака в большей
степени
отвечающего
всем
предложенным
критериям
является
первоочередной задачей инженеров для защиты авторских прав в сети
Интернет. Целью данной работы является рассмотрение метода внедрение
цифрового водяного знака в изображение, путём деления ЦВЗ и изображения
на равное количество частей, и встраивания в каждую часть изображения
соответствующей части ЦВЗ.
Размещено на http://www.allbest.ru
1.
Алгоритм внедрения цифрового водяного знака
Рис. 1
Изображение
Цифровой водяной знак
Сегментация
Инициализация
интенсивности пикселей
Выбор параметра α
Устанавливается взаимнооднозначное соответствие
между пикселями водяного
знака и блоками
изображения
Оператор-встраивания
Объединение блоков в
маркированное
изображение
Ключ
Размещено на http://www.allbest.ru
2. Инициализация начальных параметров
2.1 Изображение
Изображение, в которое будет встраиваться цифровой водяной знак,
представим как , с размерами MxN.
I=
(1)
– пиксели изображения;
горизонтали;
– положение пикселя по
– положение пикселя по вертикали;
– ширина и высота
изображения в пикселях соответственно;
2.2 Цифровой водяной знак
В качестве цифрового водяного знака возьмём изображение, c
размерами KxL:
(2)
– пиксели изображения;
– положение пикселя по горизонтали;
– положение пикселя по вертикали;
– ширина и высота водяного знака
в пикселях соответственно;
2.3 Параметры необходимые знать для внедрения водяного знака:
– интенсивность пикселя водяного знака;
определяющая степень (силу) встраивания водяного знака.
– константа,
Размещено на http://www.allbest.ru
3. Внедрение цифрового знака в изображение
Разбиение
изображения
на
блоки,
количество
которых
равно
количеству пикселей водяного знака.
При разбиении изображения получается KL блоков с размерами
U = M/K,
V = N/ L.
Устанавливается взаимно-однозначное соответствие между пикселями
водяного знака и полученными блоками, используя ключ.
Встраивание пикселя водяного знака в блок изображения.
Рассмотрим случай, когда K = L = 1, т.е. изображение состоит из
одного блока, а водяной знак состоит из одного пикселя с интенсивностью
b11. Пусть M,N > 1, тогда имеем некоторую избыточную возможность
помещения водяного знака в пиксели изображения, и при разумном подборе
оператора встраивания можно повысить устойчивость всей процедуры
защиты
информации
в
целом.
Предлагается
оператор
встраивания,
основанный на следующей формуле:
Iw(m,n) = (1-б) * I(m,n) + бb11 (3)
Iw(m,n) – маркированное изображение; b11 – интенсивность пикселя
водяного знака; I(m,n) – исходное изображение; α > 0 – константа,
определяющая степень (силу) встраивания водяного знака;
Выбор параметра б.
При отсутствии случайных атак, степень (среднеквадратического)
искажения
изображения
определяется по формуле:
вследствие
встраивания
водяного
знака
Размещено на http://www.allbest.ru
(4)
(5)
MSE2 – степень искажения изображения; α > 0 – константа,
определяющая степень (силу) встраивания водяного знака;
высота водяного знака в пикселях соответственно;
– ширина и
– ширина и высота
изображения в пикселях соответственно; µ - средняя интенсивность пикселей
изображения;
– интенсивность пикселей водяного знака; что показывает
степень искажений, вносимых самой процедурой встраивания водяного
знака. Выражение (4) позволяет ещё до встраивания водяного знака
определить степень ожидаемых искажений и контролировать ее путем
надлежащего выбора параметра б.
Объединение блоков в маркированное изображение.
Размещено на http://www.allbest.ru
4. Алгоритм извлечения цифрового водяного знака из изображения
Используя ключ, определяем взаимнооднозначное соответствие между
байтами водяного знака и блоками изображения.
Разбиваем изображение на блоки.
Извлечение ЦВЗ из блока в отсутствии каких-либо атак производится
по формуле:
(6)
где:
(7)
b11
–
интенсивность
пикселя
водяного
знака;
µ
-
средняя
интенсивность пикселей изображения; α > 0 – константа, определяющая
степень (силу) встраивания водяного знака;
– ширина и высота
водяного знака в пикселях соответственно;
– ширина и высота
изображения в пикселях соответственно.
Задача извлечения ЦВЗ сводится к оцениванию параметра b11 по
выборке:
Iw(m,n) = (1-б) * I(m,n) + бb11.
цифровой байт несанкционированный
Восстанавливаем водяной знак.
Восстанавливаем исходное изображение.
Размещено на http://www.allbest.ru
5.
Алгоритм
извлечения
водяного
знака
из
изображения,
подверженного атаке
Аддитивная модель изменения значений пикселей после атаки:
(8)
Предполагается,
накладываются
на
что
значения
пикселы
x(m,n)
независимо
случайной
и
с
величины
одинаковой
X
функцией
распределения. Тогда:
(9)
и задача извлечения ЦВЗ сводится к оцениванию параметра b11 по
выборке aw,x(m,n) , m = 0,1,...,M-1; n = 0,1,...,N -1.
Можно показать, что оценка наименьших квадратов при этом имеет
вид:
(10)
Если принять, что случайная величина X распределена со средним ноль
и с дисперсией
, то дисперсия оценки (10) будет равна:
(11)
Размещено на http://www.allbest.ru
Формула (11) характеризует помехоустойчивость предложенного
метода встраивания ЦВЗ к атакам со случайными характеристиками.
Представляет интерес исследование степени искажения изображения
вследствие встраивания в него ЦВЗ и воздействия атаки X. Для этого
вычислим среднеквадратическое отклонение интенсивностей пикселов
изображений I и Iw,x.
Можно показать, что:
(12)
где:
(13)
Первое слагаемое выражения (12) является показателем рассеяния
интенсивностей
пикселов
изображения
I
относительно
средней
интенсивности. Чем больше этот показатель, тем больше различаются
атакованное изображение со встроенным ЦВЗ и изображение-контейнер.
Этот факт показывает принципиальное различие предложенного алгоритма
от адаптивного алгоритма, в котором высокие значения этого же показателя
позволяют более успешно встраивать ЦВЗ.
Второе слагаемое в (12) является мерой отклонения интенсивности
встраиваемого ЦВЗ от средней интенсивности пикселов изображения.
Естественно, большие отклонения приведут к соответственно большим
отклонениям между изображениями I и Iw,x . При этом большое значение
имеет также параметр a. Третье слагаемое показывает непосредственное
влияние рассеяния самой случайной величины X на процедуру встраивания.
Размещено на http://www.allbest.ru
6. Результаты моделирования и численных расчетов
Рассмотрим численные примеры встраивания и извлечения ЦВЗ в
изображение и оценивания помехоустойчивости предложенной процедуры.
Расчеты удобно проводить в логарифмическом масштабе на основе расчета
PSNR.
Для эксперимента выбрано изображение маммограммы пациента N,
имеющее размеры 256 x 256 пикселов и ЦВЗ с фотографией пациента c
размерами 64 x 64. Защита информации состоит во встраивании фотографии
пациента в изображение маммограммы. Встраивание ЦВЗ проведено при a =
0,07.
Визуальный анализ изображения-оригинала I и изображения со
встроенным ЦВЗ W I никаких заметных различий в них не обнаружил.
Значение PSNR = 31,6 дБ также свидетельствует о достаточной близости
этих изображений по среднеквадратическому критерию.
Исследование устойчивости предложенного алгоритма проведено для
двух типов атак.
1. Устойчивость к случайным атакам, проявляемым в соответствии с
моделью
(10)
с
использованием
численного
моделирования
в
предположении, что случайная величина X распределена как
для различных значений дисперсии
.
PSNR (дБ) между изображениями I и Iw,x , извлеченные ЦВЗ и PSNR
между встроенным и извлеченным ЦВЗ при различных значениях
Размещено на http://www.allbest.ru
Таблица 1
В табл. 1 приведены полученные результаты для одной реализации
случайной величины X . Видно, что с увеличением
ухудшается качество
извлеченного ЦВЗ, оставаясь, впрочем, на уровне, достаточном для
узнавания образа пациента вплоть до значения
=6. Качество же
изображения со встроенным ЦВЗ остается в районе 30 дБ, что никак не
отражается на диагностической ценности деталей данной маммограммы.
2. Устойчивость к сжатию по стандарту JPEG. В табл. 2 приведены
результаты по исследованию устойчивости предложенной процедуры к
атакам в виде сжатия при помощи стандарта JPEG для различных значений
параметра качества Q. Эксперименты проводились на тех же изображенииконтейнере и ЦВЗ.
Выводы, которые можно сделать из данных табл. 2, во многом схожи с
выводами, сделанными относительно табл. 1. Отметим, однако, неожиданно
высокую устойчивость предложенной процедуры к достаточно сильному
сжатию изображений: ведь при параметре качества, равном всего 40, размер
сжатого JPEG-файла для рассматриваемого изображения составляет около
6% от исходного при сохранении качества на уровне около 31 дБ и вполне
различимом образе пациента по извлеченному ЦВЗ.
PSNR (дБ) между изображениями I и I(w,x) , извлеченные ЦВЗ и PSNR
между встроенным и извлеченным ЦВЗ при различных значениях параметра
качества Q.
Размещено на http://www.allbest.ru
Таблица 2
Размещено на http://www.allbest.ru
7. Пример реализации алгоритма в среде Matlab
Исходный код программы в приложении А
В данном алгоритме мы производим операции с изображением.
Внедряем
в
исходное
изображение
водяной
знак.
Извлекаем
из
маркированного изображения водяной знак, и рассчитываем качество
внедрения (PSNR).
PSNR полученного изображения, при выборе коэффициента б = 0.07,
составляет 28dB. PSNR извлеченного водяного знака, при коэффициенте б =
0.07, составляет 70dB.
Гистограмма оригинального изображения имеет небольшие отличия от
гистограммы маркированного изображения (б = 0.07), что говорит о хорошем
качестве встраивания, но при б = 0.1, гистограммы сильно различаются.
PSNR полученного изображения, при выборе коэффициента б = 0.1,
составляет 25dB. PSNR извлеченного водяного знака, при коэффициенте б =
0.1, составляет 73dB.
При увеличении коэффициента б, снижается качество маркированного
изображение, но повышается качество извлеченного водяного знака. Поэтому
перед началом внедрения ЦВЗ в изображение необходимо рассчитать
оптимальный коэффициент встраивания б.
Размещено на http://www.allbest.ru
8. Пример внедрения водяного знака (qr-кода) в изображение
Исходный код программы в приложении B.
В данном алгоритме мы производим операции с изображением.
Внедряем в исходное изображение qr код. Извлекаем из маркированного
изображения водяной знак, и рассчитываем качество внедрения (PSNR).
PSNR полученного изображения, при выборе коэффициента б = 0.07,
составляет 28dB. PSNR извлеченного водяного знака, при коэффициенте б =
0.07, составляет 277dB.
Гистограмма оригинального изображения имеет небольшие отличия от
гистограммы маркированного изображения (б = 0.07), что говорит о хорошем
качестве встраивания, но при б = 0.1, гистограммы сильно различаются.
PSNR полученного изображения, при выборе коэффициента б = 0.1,
составляет 26dB. PSNR извлеченного водяного знака, при коэффициенте б =
0.1, составляет 282dB.
При увеличении коэффициента б, снижается качество маркированного
изображение, но повышается качество извлеченного водяного знака. Поэтому
перед началом внедрения ЦВЗ в изображение необходимо рассчитать
оптимальный коэффициент встраивания б.
Размещено на http://www.allbest.ru
Заключение
Предложен алгоритм, основанный на встраивании цифровых водяных
знаков (ЦВЗ) в пространственную область изображения и извлечения из него
ЦВЗ. Получены аналитические выражения для среднеквадратической
ошибки, вызываемой процедурой встраивания при наличии случайной атаки,
зависящие от характеристик изображений, процедуры встраивания и атаки.
Методом
моделирования
исследовалась
устойчивость
предложенного
алгоритма к случайной атаке, а также к сжатию изображения по стандарту
JPEG.
Размещено на http://www.allbest.ru
Список использованной литературы
1. Cox J., Miller M. L. and Bloom J.A. Digital Watermarking. - Morgan
Kaufmann, 2001.
2. Hartung M., Kutter M. Multimedia Watermarking Techniques //Proceedings of
the IEEE. – July, 1999. - Vol. 87, № 7. - P. 1079-1086.
3. Anand D., Niranjan U.C. Watermarking Medical Images with Patient
Information //Proc. IEEE/EMSB Conference. - Hong Kong, China, Oct. 1998. – P.
703-706.
4. Асатрян Д.Г., Ланина Н.С. Адаптивный алгоритм встраивания цифровых
водяных знаков в изображение //Труды научной годичной конференции
Российско-Армянского (Славянского) государственного университета. Ереван, 2006. - Т.1. - C. 87-90.
5. Podilchuk C I., Zeng W. Image-adaptive watermarking using visual models
//IEEE Journal of Selected Areas in Communication. – 1998. - 16(4). – P. 525–
539.
6. Chang-Hsing Lee, Yeuan-Kuen Lee. An Adaptive Digital Image Watermarking
Technique for Copyright Protection // IEEE Transactions on Consumer
Electronics. – 1999. - V. 45, № 4. - P. 1005-1015.
7. Asatryan D.G., Lanina N.S., Shahverdyan H.S. Adaptive Robust Algorithm for
Digital Watermarking of Medical Images //Proc. of 6th Int. Conf. on Computer
Science and Information Technologies - CSIT'2007. - Yerevan, 2007. - P. 161-164.
Размещено на http://www.allbest.ru
Приложения
Приложение А
clear;
clc
img=imread('F:\works\kursa4\lena.png');
img=imresize(img,[512,512]);
img=rgb2gray(img);
[M,N]=size(img);
img=double(img);
[Uimg,Simg,Vimg]=svd(img);
Simg_temp=Simg;
img_wat=imread('F:\works\kursa4\shevel.png');
img_wat=imresize(img_wat,[512,512]);
img_wat=rgb2gray(img_wat);
alfa= input('The alfa Value = ');
[x,y]=size(img_wat);
img_wat=double(img_wat);
for i=1:x
for j=1:y
Simg(i,j)=(1-alfa)*Simg(i,j) + alfa * img_wat(i,j);
end
end
% SVD for Simg (SM)
[U_SHL_w,S_SHL_w,V_SHL_w]=svd(Simg);
Wimg =Uimg* S_SHL_w * Vimg';
figure(1)
imhist(uint8(img));
title('Histogramma of original image')
Размещено на http://www.allbest.ru
figure(2)
imshow(uint8(img));
title('The Original Image')
figure(3)
imshow(uint8(img_wat));
title('The Watermark ')
figure(4)
imshow(uint8(Wimg));
title('The Watermarked Image')
figure(5)
imhist(uint8(Wimg));
title('Histogramma of watermarking image')
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%calculate image quality degradation after inserting watermark
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
mse=mean(squeeze(sum(sum((double(img)-double(Wimg)).2))/(M*N)));
PSNR=10*log10(2552./mse);
msg=sprintf('\n\n-------------------------\nWatermark by SVD PSNR=%fdB\n----------------------------\n\n', PSNR);
disp(msg);
%-------------------------------------------------------------------------% %% Extraction Part
% ------------------------------------------------------------------------[UWimg,SWimg,VWimg]=svd(Wimg);
D_1=U_SHL_w * SWimg * V_SHL_w';
for i=1:x
for j=1:y
Watermark(i,j)= (D_1(i,j) - Simg_temp(i,j)*(1-alfa))/alfa;
end
end
Размещено на http://www.allbest.ru
figure(6)
imshow(uint8(Watermark));
title('The Extracted Watermark ')
mse=mean(squeeze(sum(sum((double(img_wat)-(Watermark)).2))/(M*N)));
PSNR=10*log10(2552./mse);
msg=sprintf('\n\n-------------------------\nWatermark by SVD PSNR=%fdB\n----------------------------\n\n', PSNR);
Приложение B
clear;
clc
img=imread('F:\works\kursa4\lena.png');
img=imresize(img,[512,512]);
img=rgb2gray(img);
[M,N]=size(img);
img=double(img);
[Uimg,Simg,Vimg]=svd(img);
Simg_temp=Simg;
% read watermark
img_wat=imread('F:qrkod.png');
img_wat=imresize(~img_wat,[512,512]);
alfa= input('The alfa Value = ');
[x,y]=size(img_wat);
img_wat=double(img_wat);
for i=1:x
for j=1:y
Simg(i,j)=(1-alfa)*Simg(i,j) + alfa * img_wat(i,j);
end
end
Размещено на http://www.allbest.ru
% SVD for Simg (SM)
[U_SHL_w,S_SHL_w,V_SHL_w]=svd(Simg);
Wimg =Uimg* S_SHL_w * Vimg';
figure(1)
imhist(uint8(img));
title('Histogramma of original image')
figure(2)
imshow(uint8(img));
title('The Original Image')
figure(3)
imshow(img_wat);
title('The Watermark ')
figure(4)
imshow(uint8(Wimg));
title('The Watermarked Image')
figure(5)
imhist(uint8(Wimg));
title('Histogramma of watermarking image')
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%calculate image quality degradation after inserting watermark
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
mse=mean(squeeze(sum(sum((double(img)-double(Wimg)).2))/(M*N)));
PSNR=10*log10(2552./mse);
msg=sprintf('\n\n-------------------------\nWatermark by SVD PSNR=%fdB\n----------------------------\n\n', PSNR);
disp(msg);
%-------------------------------------------------------------------------% %% Extraction Part
% ------------------------------------------------------------------------[UWimg,SWimg,VWimg]=svd(Wimg);
Размещено на http://www.allbest.ru
D_1=U_SHL_w * SWimg * V_SHL_w';
for i=1:x
for j=1:y
Watermark(i,j)= (D_1(i,j) - Simg_temp(i,j)*(1-alfa))/alfa;
end
end
figure(6)
imshow(Watermark);
title('The Extracted Watermark ')
mse=mean(squeeze(sum(sum((double(img_wat)-(Watermark)).2))/(M*N)));
PSNR=10*log10(2552./mse);
msg=sprintf('\n\n-------------------------\nWatermark by SVD PSNR=%fdB\n----------------------------\n\n', PSNR)
Размещено на Allbest.ru
