基于 LDPC 码保护的 DWT 数字水印算法研究【精品论文大全】 .doc

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1、精品论文推荐基于 LDPC 码保护的 DWT 数字水印算法研究丁二蕾南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 (210003）摘要：LDPC码具有很好的纠错能力，本文利用它来对数字水印（DWT水印算法【8】）进 行了保护，以提高DWT水印算法的性能。仿真结果表明：在有LDPC码保护的情况下，水印的差错率有所下降，且随着LDPC码率的降低，对水印的保护能力有所增强；与基于LDPC码保护的DCT水印算法【2】相比，本文所用算法实现简单且表现出了优越性。 关键词：LDPC；数字水印；DWT；鲁棒性引言数字水印技术作为解决媒体数据认证和保护的一种新型技术，近来已成为了研究热点， 它是通过在原始数据中嵌

2、入秘密信息水印来证实该数据的所有权的。被嵌入的水印可以 是一段文字、序列号、图片等，嵌入后水印要求不可见和对攻击的鲁棒性。目前水印算法主 要分为空域和频域两大类，空域算法是通过直接改变图像某些象素的灰度值来加入水印，而 频域算法则先做某些变换，例如离散傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、离散小波 变换（DWT），然后通过改变某些变换系数来加入水印。频域算法由于具有较好的鲁棒性和 不可见性已成为水印算法的研究主流，文献【1】也表明频域算法中基于 DWT 的水印算法优于 基于 DCT 的水印算法，所以本文采用基于 DWT 的水印算法。嵌入水印的图像在到达接收端前总要经受一些处理，这些处理

3、包括有损压缩、图像剪切、 图像旋转、图像增强、信道噪声等。我们可以把对水印图像的攻击看成是信道干扰，这样就 可以利用信道编码技术即纠错码通过加冗余来纠正水印误码率来降低检测误码率。在纠错码中，Turbo 码的纠错性能很接近香农限，但译码实现复杂，传输延时大；LDPC 码编译码方法简单且纠错性能非常接近香农限，被认为是可与 Turbo 码相媲美的一类信道编码方案。为 了提高水印的鲁棒性，很多学者把 LDPC 码应用到了数字图像水印中。文献【2】和文 献【3】、 文 献【4】提出了将 LDPC 编码的数字水印应用于数字版权保护中，利用 LDPC 纠正水印误码 率来降低检测误码。基于 DWT 水印的

4、鲁棒性、透明性、信息隐藏量等性能都比较优异，也 得到了不少学者的研究。文 献【5】提出了一种小波域人类视觉感知模型的数字水印算法；文 献【6】提出了一种基于 DWT-SVD 与量化相结合的盲水印算法；文献【7】提出了基于小波变化 的零水印算法；文献【8】提出的基于小波变换与变换域系数值比较的盲检测数字水印算法， 该算法简单，且在透明性、鲁棒性和水印嵌入强度之间找到了平衡点。本文提出了一种新的 水印算法即先将二值水印图像进行 LDPC 编码，再利用文献【8】提出的水印方法嵌入提取水 印。1基于DWT的水印嵌入及提取算法DWT数字水印算法是利用小波变换将图像进行多分辨率分解，选择适当的小波系数嵌

5、入水印，在本算法中使用haar基对图像进行了一级小波变换，然后选择合适的变换域系数嵌 入水印。在频率域中,高频部分代表图像的边缘和纹理部分,在这些地方嵌入水印,水印的透明 性好，但这样的水印很难抵抗有损压缩等攻击;在低频部分,集中了图像的大部分能量,在这些 地方嵌入水印,虽然可以抗有损压缩等攻击,但水印的透明性不好。取折中方案,本文参考文- 6 -献【8】在水平方向细节子图和垂直方向细节子图中嵌入水印,以达到水印透明性、鲁棒性和嵌入水印强度的平衡。1.1水印嵌入算法第一步,将作为载体的灰度图像进行一级小波变换,得到载体图像的低频逼近子图LL1、 水平方向细节子图HL1、垂直方向细节子图LH1、

6、对角线方向的高频细节子图HH1。选取HL1 和LH1 来嵌入水印。第二步,嵌入水印。LH1 是一个二维数组,将LH1 的每一行分解为数据对序列。根据每 个数据对数据值的大小来表示0或者1,若前者大于后者,则该数据对表示1,若前者小于后者,则 该数据对表示0。现在将HL1 每一行的数据对序列和二值水印图像的每一行相应的值对应起 来,若二值水印图像对应位置上的值为1,则使对应数据对内前者大于后者;若二值水印图象对 应位置上的值为0,则使对应数据对前者小于后者。当数据对数据值的大小关系和二值水印图 像对应位置上的值不一致的时候,只要交换数据对数据的位置就可以了;若一致的话,就不用 调整前后位置了;若

7、数据对内的两个数据相等,只要将数据对其中一个数据值的大小进行微小 调整,就可以了。用同样的方法,在HL1 中也嵌入水印,这样可以增强水印的强壮性。这里交换数字图像小波变换后的中频系数数据对中数据的过程也是嵌入水印的过程，一 定程度上会影响到图像质量，而保证PSNR值至少大于38dB是水印透明性基本要求。 第三步，对处理过的二维数组进行反DWT变换 ，得到嵌入水印后的载体图像。1.2水印的提取算法第一步,将带有水印的载体图像进行一级小波分解,得到该图像的低频逼近子图LL1、水 平方向细节子图HL1、垂直方向细节子图LH1、对角线方向的高频细节子图HH1。选取HL1 和 LH1 来提取水印。第二步

8、,从HL1中提取水印,提取水印是嵌入水印的逆过程,将HL1 每一行分解为数据对 序列,比较每对数据值的大小,如果前者大于后者,提取1,如果前者小于后者,提取0。将提取 的值存到一个二维数组里面的相应位置,最后提取完毕后,该二维数组中存的就是二值水印图 像。用同样的方法,可以在LH1 中提取同样的二值水印图像。2. LDPC编解码原理LDPC 于1962 年由Gallager 提出,它是一种基于稀疏校验矩阵的线形码。设码长为N , 信息位为K,校验位为M = N - K ,则校验矩阵H 为一个M N 阶的矩阵。H矩阵用Tanner图表 示时，图的左边有N个节点，每个节点表示码字的一个比特位；右边

9、有M个节点，每个节点 表示一个校验位；与校验矩阵中“1”元素对应的左右两个节点之间存在连接边，我们将这条 边称为两端节点的相邻边。而相邻两端的节点称为相邻点。每个节点相邻边数称为该节点度 数。从某个节点出发又回到此节点为一循环（cycle）,所经过边的个数称为周长（girth）。 对于规则的LDPC码,其校验的矩阵中每一行和每一列中“1”的个数是相同的;在Tanner 图中, 左边节点的度数和右边节点的度数分别对应一个固定值。2.1 LDPC编码原理 具体的编码过程可分为一下几个步骤： 第一步，构造LDPC码的校验矩阵。第二步，消除矩阵中存在的短环（长度为4的环）。第三步，对校验矩阵H= A

10、| H u = u H =0可得：c高斯消元 I | ，由 u = c | s ，I | = 0, c + s = 0 。 c= s （在GF（2）上）s 这样就得到： c = s码后的码字）。即得到 u = c | s 。（其中s为信息比特，c为校验比特，u为编2.2 LDPC译码原理本文采用了和积迭代译码算 法【9】，这种算法的复杂性低，且其运算量不会因为码长的 增加而急剧增加，且运算量可以完全并行。具体的译码步骤如下：第一步，初始化，对待定的信道预设信息比特的先验概率并设置迭代次数。 第二步，横向步骤, 由信息节点的先验概率按置信传播算法得出各校验节点的后验概率。第三步，纵向步骤，由校验

11、节点的后验概率推算出信息节点的后验概率。第四步，对信息节点的后验概率做硬判决，得到译码结果 c 。如果 c HT 0，则译码结束。否则跳转至步骤二，继续迭代，直到满足条件，得出正确的译码结果。如果达到了预先 设定的最大迭代次数，仍不满足条件，则宣告译码失败。3本文所用的系统模型基于LDPC保护的DWT水印算法系统模型如下：先对水印图像进行LDPC编码，将编码 后的信息用上文所讲的基于DWT的水印嵌入方法嵌入到载体图像中，然后对含水印的载体 图像进行攻击实验或者将其通过无线信道，然后提取嵌入的水印信息并进LDPC译码，得到 水印图像，并与原始水印图像进行比较。原始LDPC水印编码载体图像DWT提

12、取LDPC水印译码嵌入 水印提取水印原始 水印IDWTDWT信 嵌入水印道 后的图像或 普通 嵌入水印攻 后的图像击（破坏）图1 采用保护措施后的水印系统框图4仿真结果本文采用的水印图像为二值图像；载体图像为Elaine灰度图象。本文分别采用大小为10242048、20483072和30724096即码率分别为1/2、1/3和1/4的低密度校验矩阵对二值图像水印进行LDPC编码，编码后的水印图像见图2（冗余比特的信息在左端，右端为原始 水印信息）。其中校验矩阵的列重为3，行重不固定，但尽量使其均匀，行重大小不超过15， 以满足矩阵的低密度性，译码的迭代次数为100。仿真环境为matlab7.1

13、。512*51232*3232*6432*9632*128图2 载体图像及嵌入的水印图像信息分别把大小为3232的原始水印图像和编码后信息位分别为2048、3072、4096的水印图 像信息嵌入到载体图像中，嵌入后的图像依次见下图：（PSNR46.52）（PSNR43.05）（PSNR41.38）(PSNR40.11） 图3 嵌入水印图像后的载体图像其中PSNR是用来衡量嵌入水印后图像的噪声大小的，它是信号能量与噪声能量的比值，这 里图像中的水印信息即为噪声信息，PSNR值至少要高于38dB才是可以接受的，这时视觉感 官上难以察觉，即能满足水印的不可见性。从上图可以看出，水印信息越大，图像的P

14、SNR 值小。本文对嵌入水印的图像做了几种攻击测试，分别为剪切、椒盐噪声和高斯白噪声。下面 分别给出用LDPC码保护前后的DWT水印算法及文献【2】算法提取的水印结果图。为了仿真 结果的可比性，本文算法与文献【2】算法采用的LDPC码具有相同规模的校验矩阵，即码率均 为1/4。下图中保护1、保护2、保护3分别指用码率为1/2、1/3、1/4的LDPC码进行保护，括 号内值为提取水印与原始水印相比得到的错误率。1)图像剪切未保护（0.03）保护1（0）保护2（0）保护3（0）文献【2】保护3（0）图4 左上角1/8剪切后提取的水印未保护（0.08）保护1（0.06）保护2（0.04）保护3（0）

15、文献【2】保护3（0.02）图5 左上角1/4剪切后提取的水印2）椒盐噪声未保护（0.05）保护1（0.04）保护2（0.037）保护3（0.03） 文献【2】保护3（0.08）图6 椒盐噪声密度0.01时提取的水印未保护（0.14） 保护1（0.13）保护2（0.128） 保护3（0.12） 文献【2】保护3（0.20）图7 椒盐噪声密度0.03时提取的水印3）高斯白噪声未保护（0.17）保护1（0.15）保护2（0.13）保护3（0.11）文献【2】保护3（0.13）图8 信噪比为30时提取的水印未保护（0.05）保护1（0.04）保护2（0.02）保护3（0） 文献【2】保护3（0.01

16、）图9 信噪比为40时提取的水印仿真结果表明， LDPC码对数字图像水印有很好的保护能力，且随着码率的降低保护能 力有所增强；在码率为1/4时本文算法明显优于文献【2】算法，且本文算法在码率为1/3时的性 能已接近文献【2】在1/4码率时的性能。既然LDPC码对水印的保护能力与码率的关，我们可 以可适应性的选择适当码率的LDPC码对水印信息进行保护，即在攻击强度较弱时用较大码 率的LDPC进行保护，反之用较小码率的LDPC码进行保护。实际应用中，水印对应LDPC码 的信息比特，针对某一水印信息，若要降低码率，只能增加冗余比特，这样校验矩阵将会增 大，且编码后的水印图像信息将会增加，这将影响到编

17、译码的速度和水印嵌入后图像的PSNR 值。所以要中和考虑效率和图像质量两个因素，选择适当码率的LDPC码对数字水印进行保 护。5结束语本文利用LDPC码的较强的纠错能力及编译码简单的优点，对DWT数字水印算法【8】进 行了基于LDPC码保护的研究。实验中用剪切、椒盐噪声和高斯白噪声分别对嵌入水印的图 像进行攻击，对用LDPC码保护前后的算法及文献【2】算法提取的水印质量进行了比较，仿真 结果表明：本文的基于LDPC码保护后的DWT水印算法与文献【2】算法相比实现较简单且性 能上更具优越性；LDPC码对数字图像水印具有很好的保护能力，且随着码率的降低，LDPC 码的保护能力有所增强。这样在实际应

18、用中，我们可以根据信道特性或攻击强度的不同选择 适当码率的LDPC码来对数字水印进行保护即采用基于LDPC码保护的DWT数字水印算法。 目前，LDPC码的编译码算法研究已有很大突破，以后将得到广泛应用。参考文献1 程兴国，张建华.DCT数字水印算法与DWT数字水印算法的性能比较J. 襄樊学院学 报.2007,28(2):41-45.2 霍智勇.基于LDPC码的数字图像水印技术研究与利用J.南京邮电大学学报（自然科学版）.2006，26(6)：77-81.3 周统和等.数字图像盲水印算法与LDPC码的联合方案J. 电子技术应用. 2006, 4: 40-43.4 李文雄等.基于低密度校验码得到数

19、字水印研究J.信息工程大学学报. 2006,7 (1): 51-53.5 严继利，肖水清.小波域人类视觉感知模型的数字水印算法J.MODERN COMPUTER. 2007, 7:40-43. 6 基于DWT-SVD与量化相结合的盲水印算法J.电子技术应用.2007,3:129-131.7 马建湖，何甲兴.基于变换的零水印算法J.中国图象图形学报. 2007, 12(4): 581-585.8 胥虎军，王冰.一种基于小波变换和变换域系数值比较的数字水印算法J.计算机应用与软 件.2004,24(4):7-9.9 MACKAY D J C.GOOD Error-Correcting Codes

20、Based on Very Sparse MatricesJ. IEEE Trans onInformation Theory,1999,45:399-431.A DWT digital image watermark algorithm based on the protection of LDPCDing ErleiCollege of Communication and information Engineering, Nanjing University of Posts andTelecommunications , Nanjing (210003)AbstractTo improv

21、e the robustness and lower the error bit rate of watermark, we employ LDPC which ispowerful for the improvement of error bit to protect the digital image watermark ( DWT digital image watermark algorithm) in this paper. The experiment results demonstrate the conclusions and tell us thatwe can improve the protection ability of LDPC by lower the LDPC code rate，also that the proposedalgorithm is superior to the DCT digital image watermark algorithm based on the protection of theLDPC.Keywords：LDPC；Digital watermark；DWT；Robustness作者简介：丁二蕾（1983-），女，河南周口人，硕士，南京邮电大学通信与信息工程学院 研究生。研究方向为图像处理与多媒体通信。