基于DWT与DCT的扩频水印算法应用分析 张飞侠．（辽宁对外经贸学院，辽宁大连116052）摘要：变换域数字水印技术是当前的一个研究热点本算法将水印信息与扩频序列进行扩频调制后，嵌入到栽体图像的DWT与DCT中最后利用扩频序列的自相关函数特征检测出水印信息，检测过程中不需要原始栽体图像实验结果表明，该算法嵌入水印后不易被察觉，检测出的水印效果好，对JPEG有损压缩、裁剪、噪声干扰等攻击有较强的鲁棒性关键词：扩频水印；小渡变换；离散余弦变换TP393.08：A0引言数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，它是目前实现版权保护的有效办法，已成为信息安全领域的一个热点，同时它也是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支数字水印技术通过在原始数据中嵌入秘密信息（水印）来证实数据的所有权，被嵌入的可以是一段文字、标识、序列号等等人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印数字水印技术主要包括空间域和变换域的水印技术早期的数字水印算法研究主要是集中在空域上的，水印信息直接加载在图像数据上，这种方法的特点是抵抗图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力较差。
但是空域算法的计算速度快，而且隐藏的信息量大近期的研究则主要集中在变换域（如离散傅立叶变换DFT、离散余弦变换DCT、离散小波变换DWT）中实现在变换域中嵌入水印，信号能量可以扩展到空间域所有象素上，有利于保证水印的不可见性变换域算法中最具代表性的是Cox等人1997年提出的扩展频谱方法首次明确提出了水印信息应该嵌入在图像的视觉敏感部分才能具有较好的鲁棒性因为作为水印载体的宿主图像的视觉敏感部分携带有较多的能量，在图像有一定失真的情况下，仍能保留主要成分，使得水印算法具有较好的鲁棒性这种方法已经成为一种经典的模式，得到广泛的认可本文将DWT与DCT两种变换相结合，并应用于扩频水印算法中，取得较好的实验效果1扩频通信与扩频水印1.1扩频技术 扩频技术是一种信息处理技术，它是利用同域传输数据（信息）无关的扩频码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有的信道带宽远远超过其在一般通信意义下所必需的最小带宽在接收端利用同一扩频码对接受信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据究其本质，扩频技术可以看作是以带宽换取信噪比，信号能量被扩展到一个很宽的频带内，获得很低的信噪比，这样使得信号难以被检测、解释或干扰由于扩频码的随机性以及扩频信号的宽带性，扩频系统具有以下特点：[来自wwW.lw5u.CoM] 1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号，扩频系统具有很高的抗干扰能力，因此干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术；2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以至被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。
因此，扩频系统具有低截获率性；3）扩频系统具有良好的码分多址通信能力扩频通信虽然提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号这样一来，在同一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰，而且别人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有很高的保密性1.2扩频水印扩频水印方法与扩频通信类似在扩频水印技术中，将原始数据的频域看作通信信道，水印看作将通过的信号，各种有意、无意的干扰看作噪声利用扩频技术原理，将水印信息经扩频调制后叠加在原始数据上，让水印信息分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测然而水印检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系数中，但是破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降从频域上看，水印信息散布于整个频谱，无法通过一般的滤波手段恢复。
如果要攻击水印信息，则必须在所有频段上加人大幅度噪声，这无疑会严重损害原始数据的质量只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被察觉到，而且利用人的掩蔽效应可以增加加入水印信号的能量因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的健壮性和安全性第一，水印的位置不明显且水印的值具有随机性；第二，频域区域的适当选择，使得有意、无意破坏水印的同时也破坏了原数据1.3直接序列扩频码直接序列扩频是一种常用的扩频技术，它是用一个数字编码序列直接调制传输信号，由于编码序列的带宽远大于原始信号带宽，从而扩展了传输信号频谱，一般使用伪随机序列作为编码序列，该文使用m序列作为扩频码m序列是具有零均值，周期性和平衡性的二值化伪随机序列，它有十分良好的自相关特性在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n-1位当n很大时，自相关值呈现尖峰状，因此可以用来可靠地检测和恢复水印信息2图像的DWT变换与DCT变换2.1小波变换理论(DWT)小波变换将图像在独立的频带和不同空间方向上进行分解，它不仅具有良好的空间一频率分解特性，而且能更好地与人类视觉系统相结合，它是继傅立叶变换之后又一里程碑式的发展。
根据S．Mallat的塔式分解算法，图像经过离散小波变换后分解成4个四分之一大小的子图：水平方向、垂直方向和对角线方向的中高频细节子图和低频逼近子图，每个子图通过间隔抽样滤波得到后继分解时，逼近子图以完全相同的方式再分解成在下一级分辨率下更小的子图，以此类推分解，图像就被分解成不同分辨率级和不同方向上的多个子图，这更加符合人眼的视觉机制图像进行3次小波变换的分解结果如图1所示图中，LL3是低频分量，HLn是水平方向的高频分量，LHn是垂直方向的高频分量，HHn是对角方向的高频分量，其中n=l，2，3在频率域中，低频分量表示由小波变换分解级数决定的最大尺度、最小分辨率下对原始图像的最佳逼近它的统计特征和原图像相似，图像大部分能量集中在此高频分量代表图像的边缘及纹理部分2.2图像离散余弦变换(DCT) 离散余弦变换，简称DCT，是一种实数域变换，其变换核为余弦函数，计算速度快DCT除了具有一般的正交变换性质外，它的变换阵的基向量能很好地描述人类语音信号和图像信号的相关特征因此，在对语音信号、图像信号的变换中，DCT变换被认为是一种准最佳变换近年颁布的一系列视频压缩编码的国际标准建议中，都把DCT作为其中的一个基本处理模块。
DCT变换的实现有两种方法，一种是基于FFT的快速算法；另一种是DCT变换矩阵(trans formmatrix)方法后者非常适合做8x8或16x16的图像块的DCT变换，本文采用后者3水印算法的实现3.1水印嵌入算法本文水印嵌入过程如下：1)首先对图像，进行小波变换，提取图像的低频成分，用L表示2)对L进行DCT,然后决定图像中感知最具意义的频率部分，即DCT系数最大的分量，用向量D表示3)选用m序列作为扩频码，为了增强安全性和水印鲁棒性，用密钥控制产生该伪随机序列4)将二值水印信息直接用m序列进行扩频调制具体而言，就是将水印信息每位重复T次，T为m序列的周期，然后直接与m序列相乘，实现水印信息的频谱扩展 5)调整嵌入强度a（用于调整水印的强度），并根据6c自适应地嵌入水印图像W其中，嵌入公式为：D(i)=D(i) +oW(i)6)将D进行反离散余弦变换IDCT，我们将获得加入水印的低频图像L，然后做小波重构获得与原来图像大小相等、含有水印成分的图像Iw本文采用的水印嵌入流程如图2所示嵌入水印图像经过传输或者攻击后送入检测端根据嵌入水印的算法，计算具有水印信号图像的小波变换，并提取小波变换的近似信号，对其做DCT变换。
同时需要用嵌入时的密钥来生成相同的伪随机序列再计算每个伪随机序列与对应子带序列的互相关函数，如果超过门限值（这里取相关系数的均值），则可判断并检测出水印信息根据检测出的水印图像Ws与原始水印W的对比，即可判断两者之间的相似程度，检测过程不需要要原载体图像，算法实现了水印的盲检测，具有实际应用价值4实验结果与讨论本文实验采用Lena图像做载[来自wwW.lW5u.coM]体图像，嵌入水印为带“印”字的二值图像实验结果如图4所示对水印化的lena图像进行压缩、5结论本文提将DWT、DCT两种频域变换应用于扩频水印算法中该算法使嵌入的水印具有很强的隐蔽性及鲁棒性经攻击实验表明，该算法也具有较好的抗压缩、裁剪能力和抗噪声干扰能力责编 程斌）参考文献：【1】Cox I J,et al.A Secure Robust Watermarkfor Multimedia[Cl. Workshop on InformationHiding, Cambridge, UK, 1996. Number1174 in Lecture Notes in Computer ScienceSpringer-Vedag, 185一206.【2】 Swanson, M.D.,B.Zhu and A.H.Tewfik,Data Hiding for Video-in-Video[C].InProcessing of the International Confereceon Image Processing. Vol.l.Santa,Barbara,CA,2001, 676-679.【3】陈武凡，小波分析及其在图像处理中的应用[M]．北京：科学出版社，2002.【4】潘蓉，高有行，基于小波变换的图像水印嵌入方法D]．中国图像图形学报，2002，13( 7)【5】强英，王颖．基于小波域的数字图象水印算法综述【I】．计算机工程与应用，2004，11:46-49．【6】任晓扬，韩勇，基于DCT数字水印算法的Matlab实现U】仪器仪表用户，2009，16(1) 116-117． -全文完-。