數(shù)字水印技術(shù)是一種前沿的版權(quán)保護(hù)研究課題，與信息安全、信息隱藏、數(shù)據(jù)加密等密切相關(guān)[1-2]。我國(guó)的學(xué)術(shù)界和政府有關(guān)部門(mén)也對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)重視，在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家863計(jì)劃等重要研究項(xiàng)目中都有數(shù)字水印相關(guān)的項(xiàng)目。VANSCHYND R G[3]等人提出的最低有效位方法(LSB)是典型的空間域水印算法，直接將水印嵌入到像素的最低位平面上，具有算法簡(jiǎn)單、水印容量大等優(yōu)點(diǎn)，但嵌入到圖像中的水印魯棒性較差，不能抵抗常見(jiàn)的圖像處理操作。牛少彰、伍洪濤等[4]提出了抗打印掃描數(shù)字水印的魯棒性算法，該算法不能實(shí)現(xiàn)盲提取。梁華慶、紐心忻等[5]提出了基于數(shù)字水印的證件印刷防偽技術(shù)，該算法很難保證水印提取的同步性，魯棒性還是較差。通過(guò)研究以往算法的魯棒性和不可見(jiàn)性的缺點(diǎn)，提出了基于Lab空間的圖像全息數(shù)字水印算法，該算法具有較好的不可見(jiàn)性，對(duì)常規(guī)的圖像處理（如剪切、加噪聲和壓縮等）操作具有很強(qiáng)的魯棒性，且該水印算法可以實(shí)現(xiàn)盲提取。
1 CIELab顏色空間轉(zhuǎn)換及離散小波變換
1.1 CIELab顏色空間
    CIE1976L*a*b*顏色空間是一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色模型。其色彩空間比RGB模式和CMYK模式的色彩空間大，用亮度和色差來(lái)描述色彩分量，是目前唯一即能直觀感覺(jué)、又能用于參數(shù)描述的色彩空間，可以準(zhǔn)確客觀地描述、傳遞、管理和復(fù)制色彩。CIELab標(biāo)準(zhǔn)顏色空間能夠確保彩色圖像顏色失真盡可能小地在不同設(shè)備上傳遞和輸出。由于CIE1976Lab可以保證在進(jìn)行色彩模式轉(zhuǎn)換時(shí)，CMYK范圍內(nèi)的色彩沒(méi)有損失，有利于彩色圖像的抗打印和掃描算法的實(shí)現(xiàn)，盡量減少由于顏色空間轉(zhuǎn)換對(duì)水印信號(hào)的提取造成的困難，這樣水印算法的魯棒性就會(huì)提高，所以水印經(jīng)常嵌入到L分量上。
    將彩色圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到CIEL*a*b*顏色空間，并在包含圖像亮度信息的L亮度分量中嵌入水印，它的改變不會(huì)引起圖像顏色分量的變換，從而不會(huì)造成圖像的失真，可以使水印信號(hào)在保證不影響原始彩色圖像質(zhì)量的前提下，對(duì)不同設(shè)備顏色空間的轉(zhuǎn)化所引起的攻擊具有較強(qiáng)的魯棒性。
1.2 離散小波變換
    小波（Wavelet）即小區(qū)域的波[6-9]，該小波的波形是長(zhǎng)度有限且平均值為零的波形。在圖像分析中，小波變換的思想是對(duì)圖像進(jìn)行多分辨率分析，將圖像分解成不同頻率、不同空間的子圖像。經(jīng)過(guò)一次小波變換后的圖像，其頻域系數(shù)可以分解為一個(gè)低頻子帶和3個(gè)高頻子帶(水平分量、垂直分量和對(duì)角線分量)，每個(gè)子帶可以繼續(xù)分解；K級(jí)分解時(shí)，能夠得到(3K+1)個(gè)子帶。
   
2.2 水印的嵌入算法
    該水印嵌入算法采用全息加密對(duì)水印信息進(jìn)行加密，在CIELab顏色空間的L分量的頻域中嵌入全息加密水印信息，算法流程：(1)生成兩個(gè)隨機(jī)矩陣作為兩個(gè)隨機(jī)密鑰p、b（在光學(xué)加密中為兩個(gè)相位模板），作為全息加密系統(tǒng)的雙相位，即加密解密系統(tǒng)的雙密鑰；對(duì)已生成的水印圖像進(jìn)行相位值為p的變換；對(duì)變換后的水印信息進(jìn)行傅里葉變換，然后進(jìn)行相位值為b的變換，再進(jìn)行逆傅里葉變換；雙隨機(jī)相位加密之后生成加密全息圖像H。(2)把載體RGB圖像轉(zhuǎn)換為CIElab顏色空間，即轉(zhuǎn)換到與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間。(3)從CIELab顏色空間分離L分量，對(duì)L分量進(jìn)行小波分解，取其小波變換的低頻系數(shù)進(jìn)行水印的嵌入，進(jìn)行二次小波分解，獲得低頻系數(shù)矩陣D。(4)選擇合適的嵌入強(qiáng)度K，對(duì)L小波變換后的低頻系數(shù)矩陣D和H進(jìn)行疊加求和。(5)對(duì)嵌入水印后的L分量的小波系數(shù)進(jìn)行兩次逆小波變換得到L分量，再把顏色空間從CIELab空間轉(zhuǎn)換到RGB顏色空間，獲得含水印的RGB圖像。
2.3 水印的提取算法
    水印提取算法流程：首先將含水印的彩色圖像轉(zhuǎn)換到CIELab標(biāo)準(zhǔn)顏色空間，分離L分量后，對(duì)其進(jìn)行小波分解，取其低頻小波系數(shù)，然后對(duì)其再次進(jìn)行小波分解，其低頻系數(shù)即為含加密水印信息的系數(shù)；對(duì)含加密水印信息的系數(shù)進(jìn)行傅里葉變換；接著對(duì)其進(jìn)行相位值為-b的變換，然后進(jìn)行傅里葉反變換；最后對(duì)其進(jìn)行相位值為-p的變換，得到提取的水印信息；對(duì)提取的水印信息進(jìn)行濾波和小波降噪，然后進(jìn)行二值化，得到水印信息。

3.2 水印嵌入與提取仿真實(shí)驗(yàn)
    為了客觀地對(duì)基于Lab空間的全息水印算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用峰值信噪比來(lái)度量含水印彩色圖像與原始載體圖像之間的相似度；采用NC值來(lái)評(píng)價(jià)提取水印信息與原始水印信息之間的相似度。載體圖像采用lena彩色圖像（512×512像素大小），水印圖像是版權(quán)認(rèn)證標(biāo)識(shí)的二值圖像（128×128像素大小）如圖1(a)、圖1(c)所示，進(jìn)行水印的嵌入與提取實(shí)驗(yàn)。

    視覺(jué)上無(wú)法區(qū)別水印嵌入前后的圖像，說(shuō)明該算法具有較好的不可見(jiàn)性；客觀判斷：PSNR表示嵌入水印前后載體圖像的峰值信噪比（PSNR>20 dB）滿足視覺(jué)感知客觀要求。提取水印的相似度能夠達(dá)到0.9。
3.3 水印的魯棒性實(shí)驗(yàn)
    為了測(cè)試水印的魯棒性，選擇512×512像素大小的lena圖像作為載體圖像，選擇128×128像素大小的MARK二值圖像作為水印圖像；分別對(duì)含水印圖像進(jìn)行椒鹽噪聲、中值濾波、高斯噪聲、旋轉(zhuǎn)、裁切和壓縮攻擊；然后計(jì)算含水印圖像與原載體圖像的PSNR值，計(jì)算提取水印圖像與原水印圖像的相似度NC值來(lái)客觀評(píng)價(jià)水印算法的魯棒性。水印魯棒性仿真結(jié)果如圖2所示。

    從以上仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知，通過(guò)椒鹽噪聲、中值濾波和高斯噪聲攻擊后，圖像的PSNR遠(yuǎn)大于20 dB，滿足視覺(jué)質(zhì)量要求，而且提取水印信息接近于原水印信息；裁切攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裁切1/4后和1/2后，還能夠提取出與原水印信息非常相似的水印信息（NC=0.92和NC=0.90）。壓縮攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果（PSNR=51.6,NC=0.93）表明，壓縮后對(duì)含水印圖像的質(zhì)量沒(méi)有太大影響，提取的水印較清晰。以上數(shù)據(jù)證明了該水印算法的可行性。
    為了驗(yàn)證該水印算法的較強(qiáng)魯棒性，對(duì)用Matlab仿真數(shù)字水印系統(tǒng)的研究進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，采用512×512像素大小的彩色lena圖像作為載體圖像和128×128大小的二值MARK圖像作為水印圖像，魯棒性仿真結(jié)果如圖3所示。

    從圖3中可以看出,提取水印的NC值小于基于Lab空間的圖像全息數(shù)字水印算法采用同樣攻擊時(shí)的NC值，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的水印算法有較好的抗裁切和噪聲攻擊的能力。
    本文提出的基于Lab顏色空間的全息數(shù)字水印算法對(duì)CIELab顏色空間的L分量進(jìn)行了兩次小波分解，在小波域的低頻系數(shù)中實(shí)現(xiàn)加密全息水印的嵌入，并且該算法能夠?qū)崿F(xiàn)水印的盲提取，因而更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。水印的嵌入提取仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含水印圖像有較好的不可見(jiàn)性（PSNR>20 dB）；魯棒性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水印抵抗圖像處理操作的能力較強(qiáng)（NC>0.9）。
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