基于DCT的安全抗剪切攻击数字图像水印算法

为解决嵌入水印后不抗剪切攻击的问题，围绕Arnold置乱，结合分块的离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)水印算法，本文提出了基于DCT域的安全抗剪切攻击的盲数字水印算法。首先将水印图像进行置乱加密，并对它进行上下对换、左右对换得到变换水印，进行二次水印嵌入，提取时对两个水印进行重组拼接来得到完整水印，从而提高鲁棒性。实验结果表明，在二次嵌水印后，只要剪切面积不超过图像大小的1/2，该算法对剪切攻击就有100%的抵抗力，并且透明性也能得到很好的保证。

随着科技的快速发展，我们可以快速处理和接收电子信息，并进行各种数字媒体的编辑、修改、存储和传播。然而，这也引起了各种版权侵犯问题。因此，越来越多的人开始重视个人隐私和版权保护， 并将保护版权作为数字水印工作者的核心目标。

数字水印的概念由Tirkel 等人[1]于1993 年提出，对该项技术的研究一直延续至今。Tirkel 等人[1]提出的最低有效位(Least Significant Bit, LSB)算法尽管实现方式简单，但在面对恶意攻击时的稳健性很差，容易造成水印提取不出来。Cox [2]等人提出了一种扩频通信的水印技术，把水印信息直接插入到数据的频谱分量中，提高了水印对恶意攻击的抵抗能力。Zhao [3]等提出对载体图像进行8 × 8 大小分块， 对子块进行DCT 变换，每块嵌入一位水印， 利用合适的步长对各子块的直流系数根据当前水印信息位进行量化，之后进行DCT 反变换得到含水印图像。刘志军[4]等提出对图像进行8 × 8 分块后进行DCT 变换，将水印嵌入到人视觉上的最重要的地方，即图像的低频和中频区域。

基于中频系数替换的DCT 域水印算法是一种常见的数字水印算法。该算法通过选择合适的DCT 系数作为水印信息的嵌入位置，将水印信息嵌入到DCT 系数中。其中，中频系数因为在图像中所占比例较大，因此更加适合嵌入水印信息。该算法的优点是具有较好的鲁棒性和透明性。同时，由于该算法的实现比较简单，因此在实际应用中得到了广泛的应用。然而，该算法也存在一些缺点，例如水印容量较小， 且对于某些攻击(如低通滤波)容易受到破坏。

因此我们需要对水印信息进行相应的处理， 如加密、置乱等。

针对现有一些误码率高且不抗剪切的鲁棒水印算法，本文提出了一种基于加密且抗剪切的数字水印算法。首先对水印图像进行Arnold 置乱，并通过DCT 变换进行第一次水印嵌入，但初步的实验发现， 这种单次嵌入不抗剪切攻击，所以我们进行了二次嵌入。第二遍水印的嵌入规则与之前一样，但是对水印图像进行了上下左右的变换。水印提取阶段，通过对两个水印图像进行重构即可得到完整的原始水印信息。

2. 数字水印特征及评价标准 数字水印算法的性能评价标准包括透明性、鲁棒性、不可伪造性和水印容量四个方面，我们在设计和评估水印方案时必须考虑以上四方面的重要因素， 其中水印容量和鲁棒性是相互矛盾的一对评价指标。

一般来说，提高水印容量，往往会降低水印鲁棒性；而提高水印的鲁棒性，则往往会减少水印容量。因此，在设计和选择数字水印算法时，必须在两者之间进行权衡和取舍，以达到最优的性能表现[5]。

2.1. 透明性 透明性指含水印图像和载体图像相比，不能有肉眼可见的视觉质量的下降，且不影响载体的正常使