现代电子技术
Modern Electronics Technique
2014年1月1日第37卷第1期
Jan.2014Vol.37No.1
0引言
多媒体数据的数字化进程，使得多媒体信息的存取和交换也变成了一个相对简单的过程。特别是随着Internet 等信息网络的迅速发展，借助于数码像机、扫描仪等数字化I/O 设备，人们可以方便地将各种多媒体数字信息传播到世界的各个角落。技术日益进步，随之出现的问题也日益严重，对数字多媒体产品的非法拷贝、恶意篡改、破坏和散播屡见不鲜。因此，如何在当前网络环境下提供有效的信息安全手段实现有效的版权保护已经成为一个迫在眉睫的现实问题。自Tirkel 于1994年提出数字水印的概念以来，数字水印技术取得了长足的发展，各种算法层出不穷，主要包括：空间域水印、变换域水印、分形水印等。然而经典的水印算法在
水印的不可感知性、可检测性、鲁棒性三个方面不能做到很好的兼顾，从一定程度上阻碍了数字水印技术的应用和普及[1?2]。2000年Lu 等人提出一种了基于VQ 编码的图像数字水印方案[3]，这种算法采用码书扩展的方法来产生码书划分，然后利用码书划分嵌入水印信息，但要求码书是保密的。后来有人提出了基于可变维VQ 的图像水印算法，但这种算法嵌入的水印是易碎性的，鲁棒性较差[4]。
本文提出一种将水印嵌入于图像VQ 压缩数据中的数字水印新算法，算法中水印同时存在于VQ 压缩后的数据中和VQ 解压后的图像中。更重要的是，实验证明这种算法对裁剪、模糊、JPEG 、扭转等攻击具有一定的鲁棒性并且适用于比灰度图像更为普遍的彩色图像。所以，可以利用本算法在Internet 和其他应用VQ 压缩的环境下，有效地实现数字水印的嵌入和提取。
基于矢量量化压缩编码的数字水印
杨
刚1，都思丹2
（1.南京康沙科技有限公司，江苏南京
210036；2.南京大学，江苏南京
210093）
摘
要：提出一种基于矢量量化压缩编码（简称VQ 编码）技术的水印策略，在对原图像进行VQ 编码后，按码书中码字
的相似程度对码字进行划分，根据待嵌入水印图像的大小产生一个随机序列作为密钥，然后根据密钥在压缩数据的特定位置嵌入水印。提出的水印策略，其主要特征在于水印既存在于原图像VQ 编码后的压缩数据中，也存在于接收端VQ 解码后的图像中。压缩后的数据在数据量上远小于原始数据，所以由它替代原图像携带水印，既节省存储空间，也减小了网络传输时间，特别适用于网络环境下的水印嵌入和提取。更重要的是，这种水印策略具有较好的鲁棒性，能够抵抗诸如裁剪、模糊、JPEG 压缩等波形攻击和扭转几何攻击。
关键词：数字水印；矢量量化编码；码书；细胞分裂法；码书划分
中图分类号：TN911.73?34；TP391
文献标识码：A
文章编号：1004?373X （2014）01?0070?05
A digital watermark technology based on vector quantization compression coding
YANG Gang 1，DU Si?dan 2
（1.Nanjing Kangsha Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210036，China ；2.Nanjing University ，Nanjing 210093，China ）
Abstract ：A watermarking scheme based on the technique of VQ coding is proposed.After VQ coding to the original image ，the code word is classified according to the level of similarity in codebook.A random serial generated on the basis of the watermark size is taken as the secret key ，and then the watermark is embedded into special positions of the compressed data according to the key.The main feature of the proposed watermarking scheme is that the watermark exists both in VQ coded compressed data of original image and the VQ decoded image of receiving end.The compressed data is much less than the original data in data size ，so the network transmission time and storage space can be saved by taking compressed data instead of the original image to carry the watermark.The scheme is very advisable for watermark embedding and detecting in network environment.Further
more ，the scheme has better robustness that can against image attacking ，such as cropping ，blurring ，JPEG compressing and so on.
Keywords ：digital watermark ；vector quantification coding ；code book ；cell division method ；code book division
收稿日期：2013?09?06
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第1期杨刚，等：基于矢量量化压缩编码的数字水印1VQ编码
矢量量化（Vector Quantization，VQ）编码的基本操
作包括：将矢量空间分割成有限的、彼此不相交的子空
间，并对每个子空间选择一个代表矢量作为量化结果[4]。
将VQ编码用于图像处理时，首先将图像分割成大小相
同的像块。例如512×512的图像按照4×4的尺寸可以
分成16384个像块，每个像块代表一个16维的矢量，称
为训练矢量。VQ算法就是要从这些训练矢量中找到代
表矢量，组成码书（Code Book），码书中的各矢量称为码
字（Code Word）。编码时，对各个训练矢量，找出码书中
最接近的码字对应的索引值，组成一张索引表。这张索
引表就是图像经VQ编码后的压缩数据。
码书的生成算法有很多，常见的有LBG算法及其
各种改进算法[5]，本文采用细胞分裂算法。仍以一张
512×512的图像为例，基本步骤如下：
（1）将图像切割成4×4的小方格。
（2）找出所有码字的质心X(x1，x2，…，x
k
)作为初
始矢量。
（3）设细胞分裂的步长为常数值δ，将初始矢量X
分别减加步长δ，形成二个矢量：Y(y1,y2,?,y k)、
Z(z1,z2,?,z k)，其中y i=x i-δ，z i=x i+δ，且当y i<0时，取
y i =0，当z
i
>255时，取z
i
=255。
（4）对Y,Z构成的码书执行LBG算法。即以Y及
Z为质心，将其余各码字归群到这两个质心，并重新计算各群的质心，得到Y′及Z′。
（5）将Y′和Z′各分裂成两个矢量，并重复步骤（3）、步骤（4），如此每一次码书大小以2的倍数增长，一直到产生足够的码字个数。
算法中步长δ可以通过实验选取适当值，比如10。这里的归群，就是寻找与某矢量最接近的质心并归入其代表的子空间。矢量之间的近似程度由欧几里德失真来度量，对于矢量Y和X，定义：
d E ()
X,Y=()
X-Y T()
X-Y=∑i=1K()
x
i
-y
i
2（1）
显然失真越小，近似程度越高。
2基于VQ编码的数字水印技术
Pitas和Kaskalis利用基于统计的数字水印方案的基本原理[6]，提出了数字签名的思想，这种算法可以有效抵抗二次采样和JPEG压缩攻击。Fridrich提出了一种称为混合水印（Hybrid Watermarking）的算法，它是在Cox提出的DCT变换算法的基础上，再在中频DCT系数上叠加一扩频信号[7?9]。Kundur等人提出基于小波融合的水印嵌入算法，它是在不同的分辨率下将水印和图像的小波系数相加，相加前，将水印的小波系数使用一种人类视觉模型约束进行调制[10]。VQ编码是一种压缩比比较可观，压缩失真小，适用范围广的压缩编码方案。本文提出的基于VQ编码的水印策略，嵌入位置为VQ 压缩编码后的压缩域。
2.1水印嵌入
水印嵌入的重要步骤是码书划分。码书划分是指对VQ编码后产生的码书按码字之间的相似度进行划分，即将彼此最相似的2个或几个码字分在同一子划分中。设一个码书有256个码字，如果规定码书划分中的每个子划分含2个码字，则共有128个子划分，每个码字在对应子划分中的偏移量或为0，或为1；于是要定位1个码字，需要1个字节，字节的高7位用于定位子划分，字节的最低位用于定位子划分中的码字，如：第一个码字的索引码为00000000，第二个码字的索引码为00000001，第十个码字的索引码为00001001。
当码书划分完成后，就可以开始水印的嵌入过程，图1为水印嵌入的原理框图，详细步骤如下：
（1）对原图像HI进行VQ编码，包括：图像分块，产生训练矢量集，根据相似度利用细胞分裂法产生码书CB（Code Book）与索引表IT（Index Table），也可以使用公共码书。对CB进行划分，产生码书划分CD（Code Di?vided），每个子划分含2
个码字。
图1基于VQ压缩编码的水印嵌入算法原理框图
（2）根据嵌入水印信息的比特长度产生相同长度的取值不重复的随机序列SeedK，SeedK的取值范围由索引表的长度决定（例如：水印图像为32×32的二值黑白图像，索引表长度为4096，则SeedK为长度是1024，取值范围是1~4096的随机序列）；SeedK作为密钥，决定水印比特嵌入索引表的哪些位置，或者说将水印比特嵌入原图像的哪些子方格中。
（3）取出水印比特流的当前比特位b，根据密钥SeedK从IT中找到当前索引值index，根据码书划分CD 找到Index码字对应的子划分，确定Index码字在子划分中的偏移量py。若b=py=0或b=py=1，则索引表IT中的Index值不变；否则，将IT中的Index值改为子划
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现代电子技术
2014年第37卷
分中偏移量为b 的码字对应的索引值，对于图像，这相当于用子划分中另一个码字对应的子方格内容代替原方格内容。
（4）重复步骤（3），直至水印比特流结束，水印嵌入完毕。
可以看出，算法是通过码书划分来实现水印嵌入的，过程中可能会用子划分中另一个码字对应的子方格内容代替原方格内容。因此，如果同一个划分中的两个码字相差较大，水印嵌入后的VQ 压缩数据经VQ 解码后，其图像质量会下降得比较厉害。为解决这个问题，可以在步骤（2）中码书划分CD 产生后，对码书CB 进行优化，优化方法为：对CD 中的每个子划分，用式（2）表示同一子划分中两个k 维码字的距离：
DS =∑i =1k
|
|CW x (i )-CW y (i )（2）
设定一个阈值TH ，若DS>TH ，表明该子划分中的两个码字相差较大，可以用式（3）：
Avg =
CW x +CW y
2
CW x =
CW x +Avg
2
CW y =
CW y +Avg 2
（3）来提高两个码字间的相似度，从而改善VQ 解码后的图像质量。
在上述水印嵌入算法中，水印嵌入的最大容量取决于原图像大小和子方格大小，设原图像A ×A ，子方格a ×a ，则可以嵌入的水印信息量最大为：
MS =A 2
a
2（4）本文提出的数字水印策略中，在VQ 编码后嵌入水
印，但水印仍然存在于VQ 解码后的图像中。2.2
水印提取
水印的提取过程，需要有与水印嵌入时相同的码书CB ，密钥SeedK ，如果未经VQ 解码，还需要水印嵌入算法的输出：索引表IT ；如果已经经过VQ 解码，则需要解码后的图像（码书可以与索引表一起通过网络传输至接
收端，也可以是收发端都有的公共码书）。
图2为水印提取的原理框图，水印提取的详细步骤如下：
（1）对码书进行划分，重新产生码书划分CD 。若已经VQ 解码，跳至步骤（2）；若未经过VQ 解码，跳至步骤（3）；
（2）VQ 解码后的图像HO ，对其进行分块，并产生矢量集。根据密钥SeedK 找到嵌入水印位的子方格对应的矢量，利用码书确定该矢量对应的码字索引值Index ，即找出码书中与该矢量最接近的码字对应的Index 。
（3）直接由IT （SeedK （i ））确定嵌入水印位的子方
格对应的矢量的Index 。i 表示当前提取的水印位在完整的水印比特流中的位置。
（4）找到Index 在码书划分中所属的子划分，根据Index 在子划分中的偏移量py ，即当前提取的水印位b ＝py 。
（5）i ＝i +1，重复步骤（2）~（4），直到i ＝length （SeedK ），水印比特提取完毕，由水印比特流重新组成水
印图像。
图2基于VQ 压缩编码的水印提取算法原理框图
3结果与分析
数字水印的优劣主要从嵌入水印后图像的失真程
度，以及对图像做各种处理后水印的鲁棒性两个方面评估。
失真可以用峰值信噪比（PSNR ）测量。不同分辨率水印嵌入后的灰度图像如图3所示。图3中，左边“龙”字为嵌入的原水印，右边为水印嵌入后的解码图像。
鲁棒性可以通过规范化系数NC （Normalized Corre?lation ）衡量。对嵌入水印的lena 图像做各种裁减攻击，测试结果如图4所示。
其中，图4（a ）为14白色裁减攻击实验图NC ＝0.7430；图4（b ）为14裁减攻击实验图（用原图像左上角14区域替代解码图的对应14区域）NC ＝0.8742；图4（c ）为12白色裁减攻击实验图NC ＝0.4907；图4（d ）为12裁减攻击实验图（用原图像上12区域替代解码图的对应12区域）NC ＝0.7607。
索引裁减攻击是指对算法中的索引表进行裁减，以试图破坏水印。实验结果如图5所示。
模糊操作又称平滑，包括领域平均和中值滤波等。模糊攻击是指对解码图像进行模糊操作，以降低检测出的水印质量或使得接收端检测不出水印。实验结果如图6所示。
下面以彩色图像Linger （128×128）为例，嵌入水印图像大小为32×32，给出彩色图像水印算法的鲁棒性实验结果，见表1。
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第1期
杨刚，等：
基于矢量量化压缩编码的数字水印
图5索引裁减攻击测试
表1
彩色图像水印算法鲁棒性实验裁减NC 模糊NC 扭转NC JPEG 压缩比
NC
14黑
0.85981次0.99371°0.99872.2970.9937
14白
0.85982次0.96345°0.98362.8240.9205
12黑
0.72983次0.934310°0.917930.851
12白
0.72984次0.90415°0.86873.5820.732
3
图3
不同分辨率水印嵌入后的灰度图像
图4抗攻击测试
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现代电子技术2014年第37
卷
图6模糊攻击测试
4结语
本文提出的水印策略正是利用VQ压缩编码向压缩数据中嵌入水印，其区别于一般水印算法的特点在于：水印同时存在于压缩数据和解码图像中，这使得它没有传统传输加密方法的局限性，同时也让它在传输带宽有限、传输数据量受限制甚至可能有实时性要求的网络环境中有广阔的应用前景。
本文所述的算法，在今后的研究中可以做如下扩展：每个子划分中含有码字数由2个扩展到2n（本文中n=1），则每个子方格可以嵌入的水印比特数为n。例如：每个子划分中含4个码字，则子划分中码字的偏移可以是00，01，10，11中的一个，所以由密钥决定的每个子方格中都可以嵌入2个水印位。另外，在细胞分裂法的基础上，进一步改进码字搜索算法及码书生成算法，从而提高算法中码字的搜索速度和码书的生成速度，这也是VQ编解码领域的核心问题之一。
参考文献
[1]刘瑞祯，谭铁牛.数字图像水印研究综述[J].通信学报，2000，21
（8）：39?48.
[2]陈涛，杨峰，陈佳.数字水印研究综述[J].软件导刊，2010，9（1）：150?152.
[3]LU Zhe?ming，PAN Zheng?xiang，SUN Sheng?he.VQ code?book design based on the modified tabu search algorithms[J]. ACTA Electronica Sinica，2000，28（10）：23?26.
[4]王志雄，王慧琴，李人厚.数字水印应用中的攻击和策略综述[J].通信学报，2002，23（11）：74?79.
[5]LINDE Y，BUZO A，Gray R M.An algorithm for vector quan?tizer design[J].IEEE Transactions on Communication，1980，28（1）：84?95.
[6]NIKOLAIDIS N，PITAS I.Robust image watermarking in the spatial domain[J].Signal Processing，1998，66：385?403. [7]何军辉，蔡汉添.一种基于DCT中频的图像水印技术[J].华南理
工大学学报，2001，29（12）：57?60.
[8]杨延峰，方勇，王本建.基于DCT域中频系数关系的冗余水印
算法[J].四川大学学报：自然科学版，2009，46（5）：1333?1336. [9]程颖，张明生，王林平，等.基于DCT域的自适应图像水印算法[J].计算机应用研究，2005，12（1）：147?149.
[10]黄继武，SHI Y Q，程卫东.DCT域图像水印：嵌入对策与算法[J].电子学报，2000，28（4）：57?60.
作者简介：杨刚（1976—），男，江苏溧水人，现任职于南京康沙科技有限公司。研究方向为数字图像处理与嵌入式控制系统。
都思丹（1962—），女，江苏无锡人，南京大学电子科学与工程系博士生导师。研究方向为电路与系统。
参考文献
[1]范乃强.基于USB总线的数控测井地面数据采集系统[J].仪表
技术与传感器，2009（1）：59?61.
[2]殷玮玮.高级微机ISA总线上的多功能接口板[J].核电子学与
探测技术，2002，22（3）：276?278.
[3]郑权.单芯脉冲中子氧活化测井仪[J].石油仪器，2005，19（5）：13?15.
[4]瞿英.ISA总线与高速数据采集卡的接口技术[J].江苏电器，2003（6）：4?6.
[5]陆国雷.基于ISA总线的无人驾驶直升机遥测数据地面处理系
统[J].遥测遥控，2002，23（2）：31?33.[6]韩丰田，高钟毓，王永梁.ISA总线与双口RAM芯片IDT7025的
接口设计及应用[J].电测与仪表，2000，37（11）：37?40. [7]和志明，易娟子.氧活化测井水流时间谱重叠峰分离研究[J].国
外测井技术，2010（3）：46?51.
[8]杨建峰.DS?I型43mm双向氧活化测井仪[J].石油仪器，2009，23（5）：38?40.
[9]龚杰，李凤.MZY?DD1脉冲中子氧活化测井仪[J].石油仪器，2002，16（2）：24?26.
[10]李晓丽.单片机与上位机串行通信系统设计[J].仪表技术，2010（7）：45?47.
[11]王忠飞.MCS?51单片机原理及嵌入式系统应用[M].西安：西
安电子科技大学出版社，2007.
[12]樊昌信.通信原理[M].5版.北京：国防工业出版社，2006.
（上接第69页）
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基于矢量量化压缩编码的数字水印
作者：杨刚， 都思丹， YANG Gang， DU Sidan
作者单位：杨刚,YANG Gang(南京康沙科技有限公司,江苏 南京,210036)， 都思丹,DU Sidan(南京大学,江苏 南京,210093)
刊名：
现代电子技术
英文刊名：Modern Electronics Technique
年，卷(期)：2014(1)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/849870246.html,/Periodical_xddzjs201401022.aspx