基于菲涅耳全息图和离散余弦变换的_盲数字水印_技术

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1、万方数据第36卷第12期2007年12月光子学报ACTAPHOTONICASINICAV01．36No．12December2007基于菲涅耳全息图和离散余弦变换的“盲数字水印"技术黄清龙8，刘建岚6(杭州电子科技大学a．理学院；b．电子信息学院，杭州310037)摘要：基于光学菲涅耳全息图和相位密码板，结合离散余弦变换，设计了一种新的正实值编码的“盲数字水印”计算方法．相位密码板是多个点光源的菲涅耳衍射光场的相角之和，原始水印图像在其菲涅耳衍射域中与通过相位密码板的参考光作相干叠加，形成菲涅耳全息图；之后将其嵌入到原始宿主图像的离散余弦变换中，同时将此叠加水印信息的

2、原像素值用其邻近的原像素均值来替换；通过作逆离散余弦变换，获得了已嵌入水印信息的正实数值的目标图像；通过对载有水印信息的目标图像作逆运算，从中提取了原始水印图像．数值计算结果表明：该水印计算法对JPEG有损压缩、剪切、噪音污染和重采样等攻击，具有很强的鲁棒性．由于本算法属“盲数字水印”技术，以及水印信息的灵活嵌入和多重密钥(衍射距离、多个点光源位置等)的随意选择，从而使该算法具有很高的安全性和实用价值．关键词：信息光学；菲涅耳全息图；数字水印；离散余弦变换中图分类号：0438文献标识码：A文章编号：1004—4213(2007)12—226l一50引言1理论模型和计算

3、方法数字水印作为数字媒体(图像、视频、音频)版权的强有力保护手段，已成为目前信息安全领域研究的热点口]．由于光学在信息处理方面，具有高速并行的处理能力，因此利用光学的方法来实现图像的加密、数字水印和信息隐藏，有不少作者进行过研究瞳。10。】．其信息加密的方式主要分成两类：一是基于随机相位矩阵的傅里叶全息术口。6]，但作为密钥的随机相位矩阵，数据量庞大，为实际使用带来一些不便；二是菲涅耳衍射变换术"。⋯，其密钥与衍射距离和光波长(或随机相位矩阵)等有关．而文献[7—8]的水印，其数据是用复矩阵表示的，而复矩阵在使用上是不方便的；文献[9—10]是将水印图像的菲涅耳变换拆

4、分成实数和虚数部分，分别嵌入到宿主图像的不同位置中，拆分的做法一是增加嵌入信息量，二是实部和虚部的关联性极易遭受破坏．本文在上述文献的思想基础上，提出一种新的结合相位密码板的光学菲涅耳全息图和离散余弦变换的数字水印计算方法．一方面通过相位密码板确保水印信息的安全而付出的密钥代价很小j另二方面采用离散余弦变换使得目标图像数据都是正实数值，因此能很方便地进行显示和打印．Tel：057卜88847422Email：huan鹊inglong@yahoo．com．cn收稿日期：2006一04—19、1．1、永印图像的菲涅耳全息图‘图1为水印图像的菲涅耳全息图的形成过程．设(N×

5、N)的原始水印图像w。位于平面P。处，在波长为A的单色平行物光照射下，其对应的光场分图1菲涅耳全恩图Fig．1Fresnelh0109ram布为U0，Uo也是(N×N)的正实数矩阵．砜经距离z，传播到平面P。，此处光场U，即为阢的菲涅耳衍射变换，光路如图1，而相应的数值变换如式(1)"。10I．u，(”。，钾)一寺exp『i警(mz+咒z)]莹皇u。(志，珧x卟警∽w，b卜i符(七一∽}(1)L^z1jL』Vj式中△。和△。分别是平面P。和P。处的像素间距．为尽可能地保留复矩阵U，的信息以及提高加密系统的安全性，可采取以下做法：引入单位强度的平行光，通过一相位密码板欢

6、后形成参考光R，参考光万方数据万方数据l2期黄清龙，等：基于菲涅耳全息图和离散余弦变换的“盲数字水印”技术如果z。满足下式1^==一zlz2l，(14)则在此处观测，可见水印图像w。的倒像．因此透镜的作用就是使原始水印图像w。通过透镜成倒像．对应的数值运算是将复矩阵Un。经透镜作用增加一相位因子而变为uj，有下式叭⋯)一Uhr(⋯)eXp卜i喾(m2榭)](15)然后再对u：作距离为z。的菲涅耳衍射变换，运算结果如式(16)‘9I．叭阳，一南唧『i嫠c卅q2)]薹主叭⋯蛾p『i筹cm2榭，]e)【pf—i符c夕m切，]一南唧fi警c卅q2)]兰茎⋯⋯蛾0竿c去一专№2

7、榭，]eXp卜符c户m切，]+咖脚一志expfi警c户2埘)]耋薹盏耋㈨州kpfi筹c是2w，]expfi竿c去+妻一手)(m2+咒2)]exp{一i符[(p+是)m+(q+z)咒]}+咒(p，q)一exp『i髻(p2+q2)]壹茎u。(是，f)·exp『i筹(尼2+f2)]脚+钿+f)+咖，q)一exp『i(髻+筹№2+q2)]Uo(一p，一q)+咖，q)(16)L^z1JL^z2^2】j需要说明的是：式中艿(p+是，q+z)为二维单位取样函数，U。(一乡，一q)表示【，。(户，q)倒像，而咒(p，q)项是式(13)中的【，?·R2项所引起的高频噪