kn - KULIS - Kocaeli Üniversitesi

Dalgacık Uzayında Blok Bazlı İmge Damgalama
Block Based Wavelet Domain Watermarking
Hakan Burdurlu Sarp Ertürk
Kocaeli Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
İzmit / Kocaeli
{hburdurlu, sertur}@kou.edu.tr
Özetçe
Bu çalışmada, imge sıkıştırma yöntemlerine ve
gürültü eklenmesine dayanıklı bir imge damgalama
yöntemi önerilmektedir. Önerilen yöntemde imgeye
dalgacık dönüşümü uygulanmış ve dalgacık
parametrelerine damgalama gerçekleştirilmiştir.
Uygulanan damgalamanın imge üzerinde
görünürlüğünün çok düşük olması ve imgeye
uygulanacak etkilere karşı dayanıklı kalması için
bloksal ortalama değerlerinin damgalanması yöntemi
kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar önerilen yöntemin
JPEG sıkıştırma, gürültü ekleme, kırpma ve
ölçekleme gibi bozucu etki yapan uygulamalara karşı
daha dayanıklı olduğunu göstermektedir.
Abstract
This paper proposes an image watermarking
algorithm that is robust to compression methods and
noise addition. In the proposed method the wavelet
transform of images is taken and watermarking is
carried out in the wavelet domain. In order to
accomplish low visibility of the watermark within the
image and enable robustness against attacks,
watermarking of block averages is utilized.
Experimental results show that the proposed method
is considerably more robust against corrupting effects
such as JPEG compression, addition of noise,
cropping and scaling.
1. Giriş
İnternet kullanımının yaşamımızın bir parçası haline
gelmesi sonucunda bu iletişim ortamında yayımlanan
sayısal imge, film ve çoklu ortam uygulamalarına
erişim imkanları artmıştır. Bu gelişmeyle birlikte
yayımlanan eserlerin (imge, film gibi) telif hakkı
problemleri ortaya çıkmıştır.
Eserler üzerindeki telif haklarını korumaya yönelik
olarak kullanılan yöntemlerden biri yayımlanan
eserlerin içerisine gizli bir logo bilgisi (damga)
eklemektir. İmgenin görünümüne etki edilmeden
yapılması gereken bu damgalama işlemi ile telif
hakkı sahibi kişi imgenin kendisine ait olduğunu
ispatlama imkanına sahip olmaktadır.
0-7803-8318-4104/$20.00©2004 IEEE
327
Bu konuda yapılan çalışmalar sonucunda değişik
damgalama yöntemleri ortaya çıkmıştır. İmge
üzerinde belirlenen uzamsal bölgelerdeki piksellerin
yoğunluk değerlerine eklenecek damgaya göre tekrar
ayarlanması ile imge damgalama sağlanabilmektedir
[1]. Bu yöntemin yanında imgenin ayrık kosinüs
dönüşümü (DCT), ayrık Fourier dönüşümü (DFT)
veya ayrık dalgacık dönüşümü (DWT) gibi
dönüşümler sonucunda elde edilen dönüşüm
parametreleri üzerinde belirlenen değerlerin damgaya
bağlı olarak değiştirilmesi ile de imge damgalama
sağlanabilmektedir [2]. Bu çalışmada imge üzerinde
DWT kullanılarak damgalama işlemi gerçeklenmiştir.
Şekil 1: Bir imgenin ışıklılık bilgisinin DWT
dönüşümü.
Dalgacık dönüşümü ile imgenin frekans bileşenlerini
belirli gruplar halinde ayrılmaktadır. Dalgacık
dönüşümü sonrası imge, alçak frekans (Ca), yatay
yüksek frekans (Ch), düşey yüksek frekans (Cv), ve
çapraz (diyagonal) yüksek frekans (Cd) gruplarına
ayrılmaktadır. Örnek bir imgenin ışıklılık bileşeninin
dalgacık dönüşümü Şekil 1’de gösterilmiştir.

2. Damgalama İmgesinin Üretilmesi
Bu çalışmada önerilen yöntemde damganın
üretilme aşaması Şekil 2’de gösterilmektedir.
Damga için örnek olarak 8x8 boyutlarında bir logo
imgesi kullanılmıştır.
Özgün resmin damgalama işlemi, resmin DWT
alçak frekans bileşeninin katsayılarına
uygulanmaktadır. Bu nedenle damganın
algılanabilmesini zorlaştırmak için, damgalama için
kullanılan logo imgesi Şekil 2’de verilen yapı
kullanılarak karıştırılır. Karıştırılan damganın
boyutları, özgün imgenin dalgacık dönüşümü ile
elde edilen alçak frekans bileşeni katsayılarının
blok bazlı ortalama değerleri ile oluşturulan
ortalama değer matrisinin boyutları ile aynı olacak
şekilde genişletilir.
Şekil 2: Damgalama İmgesinin Üretilmesi.
3. Blok Bazlı İmge Damgalama Yöntemi
Renkli bir imgenin damgalanması işlemi, imgenin
ışıklılık (Y) ve renk farkları (Cr, Cb) bileşenlerine
ayrılması, ışıklılık bileşenin DWT dönüşümünün
alınması, dönüşüm parametrelerine önerilen
yöntem ile damganın eklenmesi, ters DWT
dönüşümünün yapılarak damgalanmış ışıklılık
bileşenin bulunması ve tekrar renkli imgenin
oluşturulması işlemlerini kapsamaktadır. Anlatılan
işlemler Şekil 3’de gösterilmiştir.
328
Şekil 3: Damgalama İşlemi
DWT dönüşümü sonucu oluşan yüksek frekans
bileşenlerinin damgalanması imgede damgalama
logosunun algılanabilme oranını oldukça
düşürmektedir. Bununla birlikte imgenin
sıkıştırılmasından ve imgeye uygulanacak
bozulmalardan yüksek oranda etkilenmektedir.
İmgenin düşük frekanslarına uygulanacak
damgalama işleminin imge üzerindeki etkisi daha
fazla olmakla beraber imge üzerinde uygulanacak
bozma işlemlerine veya imgenin sıkıştırılma
işlemlerine daha az duyarlı olmaktadır.
Bu çalışmada imgeye uygulanacak bozucu etkilere
ve sıkıştırma işlemlerine dayanıklı bir damgalama
hedeflenmiştir. Bundan dolayı imgenin sadece
alçak frekans bileşen katsayıları damgaya bağlı
olarak önerilen yöntem ile değiştirilmiştir. İmgenin
alçak frekans bileşen katsayılarındaki değişimi,
damgalamanın uzamsal bölgede algılanmasının
önlenmesi için oldukça düşük tutulmuştur. Önerilen
damgalama yöntemi Şekil 4’de gösterilmiştir.
Önerilen yöntemde ilk olarak imgenin alçak frekans
bileşen (Ca) katsayı matrisi 8x8’lik bloklara
bölünmekte ve her bir bloğun ortama değeri
hesaplanmaktadır. Hesaplanan ortama değerlere
bağlı olarak denklem (1)’de gösterilen formül ile
blokların ortalama değerleri damganın her blok için
karşılık gelen piksel değerine bağlı olarak
değiştirilir.
∆x
n,
k
=
X
n,
k
100
⎛
⋅⎜
⎜
⎝
1
64
8
8
∑∑
i= 1 j=
1
Ca
( i + ( n −1)
⋅8,
j + ( k −1)
⋅8)
γ
n,
k
n = 1,2,...,N , k = 1,2,....,K (1)
⎞
⎟
⎟
⎠

Şekil 4: Damgalama işlemi
Burada n, k blok endeksi olarak kullanılmış,
N, K imgenin 8x8’lik bloklara bölünmesi
sonucunda yatay ve düşeyde elde edilen blok
sayılarını göstermektedir. yerleştirilecek
X n,
k
damga değerini göstermekte olup γn,k
her bir blok
için normalizasyon katsayısını belirtmektedir.
Damgalama işleminde her bir blok için ∆ ile
x n,
k
belirlenen değişim değeri o bloğun tüm
katsayılarına eklenir. Bu aşamada normalizasyon
katsayısının değeri damgalamanın imge üzerinde
uzamsal bölgede algılanma oranını belirlemektedir.
Bu katsayı aynı zamanda damgalanan imgenin
bozulmalara ve imge üzerinde uygulanacak
sıkıştırma işlemlerine karşı dayanıklılık seviyesini
de belirlemektedir. Normalizasyon katsayısı
arttırıldıkça imge üzerindeki görünürlülük azalır
fakat damgalamanın dayanıklılığı da azalmaktadır.
Normalizasyon katsayısı tüm imge için tek bir
değer alabileceği gibi imge üzerinde belirli
bölgelerdeki bloklarda farklı değerler de
kullanılabilir. Bu çalışmada normalizasyon
katsayısı için tüm imgede sabit bir değer
kullanılmıştır.
Yapılan deneylerde normalizasyon katsayısının 150
seviyelerinde belirlendiğinde imge üzerindeki
değişikliğin algılanamayacak derecede düşük
olduğu ve damgalanmış imgenin bozulma ve
sıkıştırma işlemlerine oldukça dayanıklı olduğu
belirlenmiştir.
4. Damgalamanın Algılanması
Önerilen yöntem ile gerçekleştirilen damgalamanın
imgeden tekrar algılanması işlemi Şekil 5’de
gösterilmiştir.
329
Şekil 5: Damgalamanın algılanması işlemi
Damgalanmış olup olmadığının test edileceği
imgenin ve özgün imgenin ışıklılık bileşenlerinin
DWT dönüşümü sonucu elde edilen alçak frekans
bileşen matrisleri 8x8’lik bloklara ayrılır. Bu
blokların ortalama değerleri kullanılarak fark
matrisi oluşturulur. Bu matrisin elemanlarına
denklem (2)’deki formül kullanılarak damgalama
algılanması işlemi uygulanır.
Z ( test)
n,
k − Z ( özgün)
n,
k
X n k =
⋅ ( 100 × γ
Z ( orjinal )
, n,
k
n,
k
n = 1,2,...,N , k = 1,2,....,K (2)
Z () n,
k
Burada . ilgili imgenin alçak frekans
bileşeninde (n , k)
.ncı bloğun ortalama değerini
göstermektedir. Bu işlem sonucu elde edilen matris
kullanılan damga ile karşılaştırılır. Elde edilen
matris ile damga arasında ilişki işlemi ile test
imgesinin damgalanmış olup olmadığı algılanabilir.
5. Deneysel Sonuçlar
Dalgacık uzayında blok bazlı damgalama ile damga
yerleştirilecek özgün "Lena" imgesi Şekil 6’da,
imge içerisine yerleştirilecek damga Şekil 7’de
gösterilmiştir. Normalizasyon katsayısı olarak γ=75
ve γ=150 değerleri için damgalanmış imgeler ve
özgün imge ile aralarındaki farklar sırasıyla Şekil 8
ve 9’da gösterilmiştir. Karşılaştırma için [3]
referansında belirtilen γ=0.04 normalizasyon
katsayısının kullanıldığı damgalama yöntemi
sınanmıştır. Bu yöntemde belirtilen şekilde
damgalanan imge Şekil 10’da gösterilmiştir.
)

Şekil 6: Özgün İmge Şekil 7: Damga İmgesi
Şekil 8: Önerilen yöntem ile γ =75 için
damgalanmış imge ve fark imgesi
Çizelge 1 İmge üzerindeki etkilere karşı
damgalama yönteminin dayanıklılık durumu
PSNR
Etkiler
γn,k =75 γn,k =150 γ[3] =0.04
Gauss
Gürültüsü
22,3215 21,0721 18,2512
Tuz&Biber
Gürültüsü
15,4060 12,9865 11,0650
Kırpma 12,7531 12,0531 10,7564
Ölçekleme 6,2266 6,1514 4,4378
JPEG
Sıkıştırma
14,3052 9,7688 7,0815
255
PSNR = 20 log
(3)
w
h
∑∑
i=
1 j=
1
( e )
ij
w × h
Burada verilen eij parametreleri özgün damga
imgesi ile alıcıda elde edilen damga imgesinin
farkını ifade etmektedir.
Deneysel çalışmalarda özgün imgenin dalgacık
dönüşümünün yüksek frekans bileşenleri olan Ch
ve Cv bileşenlerine de şekil 4’de verilen yapıda bir
damgalama denemiş fakat bu durumda özellikle
JPEG sıkıştırmasından çok fazla etkilenildiğinden,
damgalama Ca bileşenleri ile sınırlı tutulmuştur.
2
6. Sonuç
Bu çalışmada imge sıkıştırma işlemlerine ve gürültü
Şekil 9:γ =50 için damgalanmış imge ve fark imgesi eklenmesine dayanıklı bir imge damgalama
yöntemi önerilmektedir. Önerilen dalgacık uzayında
blok bazlı damgalama yönteminde, imgenin
dalgacık dönüşümü bulunarak, dalgacık uzayındaki
alçak frekansların blok bazlı ortalama değerleri
temel alınmakta ve bu değere bağlı olarak tüm
bloğa damga değeri yerleştirilmektedir. Dalgacık
uzayındaki blok bazlı damgalama sayesinde JPEG
sıkıştırma, gürültü ekleme, kırpma, döndürme ve
ölçekleme gibi bozucu etki yapan uygulamalara
karşı oldukça dayanıklı bir damgalama yöntemi
elde edilmiştir.
7. Kaynaklar
Şekil 10: [3]’de belirtilen yöntem sonucu
damgalanmış imge ve fark imgesi [1] N.Memon,P.W.Wong, “Protecting Digital
Madia Content”,Communication of the ACM,
Damgalanmış imge üzerinde tablo 1’de gösterilen
etkilere karşı damga imgesindeki bozulmanın
PSNR değerleri verilmiştir. Karşılaştırma için [3]
referansında verilen yöntem ve γ=0.04
normalizasyon katsayısı kullanılarak elde edilen
PSNR değerleri de verilmiştir. PSNR değerleri
denklem (3)’de gösterildiği şekilde hesaplanmıştır.
330
Vol.41 No.7, July 1998
[2] D.Kundur,D.Hatzikanos, “A Robust Digital
İmage Watermarking Method using Wavelet-Based
Fusion”, Proc. ICIP-97, Vol. 1, pp. 544-47
[3] J.R.Kim, Y.S.Moon,” A Robust Wavelet-Based
Digital Watermark Using Level Adaptive
Threshold”, ICIP 99, Kobe, Japan, Oct. 25-28, 1999