kn - KULIS - Kocaeli Üniversitesi
kn - KULIS - Kocaeli Üniversitesi
kn - KULIS - Kocaeli Üniversitesi
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Dalgacık Uzayında Blok Bazlı İmge Damgalama<br />
Block Based Wavelet Domain Watermarking<br />
Hakan Burdurlu Sarp Ertürk<br />
<strong>Kocaeli</strong> <strong>Üniversitesi</strong>, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü<br />
İzmit / <strong>Kocaeli</strong><br />
{hburdurlu, sertur}@kou.edu.tr<br />
Özetçe<br />
Bu çalışmada, imge sıkıştırma yöntemlerine ve<br />
gürültü eklenmesine dayanıklı bir imge damgalama<br />
yöntemi önerilmektedir. Önerilen yöntemde imgeye<br />
dalgacık dönüşümü uygulanmış ve dalgacık<br />
parametrelerine damgalama gerçekleştirilmiştir.<br />
Uygulanan damgalamanın imge üzerinde<br />
görünürlüğünün çok düşük olması ve imgeye<br />
uygulanacak etkilere karşı dayanıklı kalması için<br />
bloksal ortalama değerlerinin damgalanması yöntemi<br />
kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar önerilen yöntemin<br />
JPEG sıkıştırma, gürültü ekleme, kırpma ve<br />
ölçekleme gibi bozucu etki yapan uygulamalara karşı<br />
daha dayanıklı olduğunu göstermektedir.<br />
Abstract<br />
This paper proposes an image watermarking<br />
algorithm that is robust to compression methods and<br />
noise addition. In the proposed method the wavelet<br />
transform of images is taken and watermarking is<br />
carried out in the wavelet domain. In order to<br />
accomplish low visibility of the watermark within the<br />
image and enable robustness against attacks,<br />
watermarking of block averages is utilized.<br />
Experimental results show that the proposed method<br />
is considerably more robust against corrupting effects<br />
such as JPEG compression, addition of noise,<br />
cropping and scaling.<br />
1. Giriş<br />
İnternet kullanımının yaşamımızın bir parçası haline<br />
gelmesi sonucunda bu iletişim ortamında yayımlanan<br />
sayısal imge, film ve çoklu ortam uygulamalarına<br />
erişim imkanları artmıştır. Bu gelişmeyle birlikte<br />
yayımlanan eserlerin (imge, film gibi) telif hakkı<br />
problemleri ortaya çıkmıştır.<br />
Eserler üzerindeki telif haklarını korumaya yönelik<br />
olarak kullanılan yöntemlerden biri yayımlanan<br />
eserlerin içerisine gizli bir logo bilgisi (damga)<br />
eklemektir. İmgenin görünümüne etki edilmeden<br />
yapılması gereken bu damgalama işlemi ile telif<br />
hakkı sahibi kişi imgenin kendisine ait olduğunu<br />
ispatlama imkanına sahip olmaktadır.<br />
0-7803-8318-4104/$20.00©2004 IEEE<br />
327<br />
Bu konuda yapılan çalışmalar sonucunda değişik<br />
damgalama yöntemleri ortaya çıkmıştır. İmge<br />
üzerinde belirlenen uzamsal bölgelerdeki piksellerin<br />
yoğunluk değerlerine eklenecek damgaya göre tekrar<br />
ayarlanması ile imge damgalama sağlanabilmektedir<br />
[1]. Bu yöntemin yanında imgenin ayrık kosinüs<br />
dönüşümü (DCT), ayrık Fourier dönüşümü (DFT)<br />
veya ayrık dalgacık dönüşümü (DWT) gibi<br />
dönüşümler sonucunda elde edilen dönüşüm<br />
parametreleri üzerinde belirlenen değerlerin damgaya<br />
bağlı olarak değiştirilmesi ile de imge damgalama<br />
sağlanabilmektedir [2]. Bu çalışmada imge üzerinde<br />
DWT kullanılarak damgalama işlemi gerçeklenmiştir.<br />
Şekil 1: Bir imgenin ışıklılık bilgisinin DWT<br />
dönüşümü.<br />
Dalgacık dönüşümü ile imgenin frekans bileşenlerini<br />
belirli gruplar halinde ayrılmaktadır. Dalgacık<br />
dönüşümü sonrası imge, alçak frekans (Ca), yatay<br />
yüksek frekans (Ch), düşey yüksek frekans (Cv), ve<br />
çapraz (diyagonal) yüksek frekans (Cd) gruplarına<br />
ayrılmaktadır. Örnek bir imgenin ışıklılık bileşeninin<br />
dalgacık dönüşümü Şekil 1’de gösterilmiştir.
2. Damgalama İmgesinin Üretilmesi<br />
Bu çalışmada önerilen yöntemde damganın<br />
üretilme aşaması Şekil 2’de gösterilmektedir.<br />
Damga için örnek olarak 8x8 boyutlarında bir logo<br />
imgesi kullanılmıştır.<br />
Özgün resmin damgalama işlemi, resmin DWT<br />
alçak frekans bileşeninin katsayılarına<br />
uygulanmaktadır. Bu nedenle damganın<br />
algılanabilmesini zorlaştırmak için, damgalama için<br />
kullanılan logo imgesi Şekil 2’de verilen yapı<br />
kullanılarak karıştırılır. Karıştırılan damganın<br />
boyutları, özgün imgenin dalgacık dönüşümü ile<br />
elde edilen alçak frekans bileşeni katsayılarının<br />
blok bazlı ortalama değerleri ile oluşturulan<br />
ortalama değer matrisinin boyutları ile aynı olacak<br />
şekilde genişletilir.<br />
Şekil 2: Damgalama İmgesinin Üretilmesi.<br />
3. Blok Bazlı İmge Damgalama Yöntemi<br />
Renkli bir imgenin damgalanması işlemi, imgenin<br />
ışıklılık (Y) ve renk farkları (Cr, Cb) bileşenlerine<br />
ayrılması, ışıklılık bileşenin DWT dönüşümünün<br />
alınması, dönüşüm parametrelerine önerilen<br />
yöntem ile damganın eklenmesi, ters DWT<br />
dönüşümünün yapılarak damgalanmış ışıklılık<br />
bileşenin bulunması ve tekrar renkli imgenin<br />
oluşturulması işlemlerini kapsamaktadır. Anlatılan<br />
işlemler Şekil 3’de gösterilmiştir.<br />
328<br />
Şekil 3: Damgalama İşlemi<br />
DWT dönüşümü sonucu oluşan yüksek frekans<br />
bileşenlerinin damgalanması imgede damgalama<br />
logosunun algılanabilme oranını oldukça<br />
düşürmektedir. Bununla birlikte imgenin<br />
sıkıştırılmasından ve imgeye uygulanacak<br />
bozulmalardan yüksek oranda etkilenmektedir.<br />
İmgenin düşük frekanslarına uygulanacak<br />
damgalama işleminin imge üzerindeki etkisi daha<br />
fazla olmakla beraber imge üzerinde uygulanacak<br />
bozma işlemlerine veya imgenin sıkıştırılma<br />
işlemlerine daha az duyarlı olmaktadır.<br />
Bu çalışmada imgeye uygulanacak bozucu etkilere<br />
ve sıkıştırma işlemlerine dayanıklı bir damgalama<br />
hedeflenmiştir. Bundan dolayı imgenin sadece<br />
alçak frekans bileşen katsayıları damgaya bağlı<br />
olarak önerilen yöntem ile değiştirilmiştir. İmgenin<br />
alçak frekans bileşen katsayılarındaki değişimi,<br />
damgalamanın uzamsal bölgede algılanmasının<br />
önlenmesi için oldukça düşük tutulmuştur. Önerilen<br />
damgalama yöntemi Şekil 4’de gösterilmiştir.<br />
Önerilen yöntemde ilk olarak imgenin alçak frekans<br />
bileşen (Ca) katsayı matrisi 8x8’lik bloklara<br />
bölünmekte ve her bir bloğun ortama değeri<br />
hesaplanmaktadır. Hesaplanan ortama değerlere<br />
bağlı olarak denklem (1)’de gösterilen formül ile<br />
blokların ortalama değerleri damganın her blok için<br />
karşılık gelen piksel değerine bağlı olarak<br />
değiştirilir.<br />
∆x<br />
n,<br />
k<br />
=<br />
X<br />
n,<br />
k<br />
100<br />
⎛<br />
⋅⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
64<br />
8<br />
8<br />
∑∑<br />
i= 1 j=<br />
1<br />
Ca<br />
( i + ( n −1)<br />
⋅8,<br />
j + ( k −1)<br />
⋅8)<br />
γ<br />
n,<br />
k<br />
n = 1,2,...,N , k = 1,2,....,K (1)<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠
Şekil 4: Damgalama işlemi<br />
Burada n, k blok endeksi olarak kullanılmış,<br />
N, K imgenin 8x8’lik bloklara bölünmesi<br />
sonucunda yatay ve düşeyde elde edilen blok<br />
sayılarını göstermektedir. yerleştirilecek<br />
X n,<br />
k<br />
damga değerini göstermekte olup γn,k<br />
her bir blok<br />
için normalizasyon katsayısını belirtmektedir.<br />
Damgalama işleminde her bir blok için ∆ ile<br />
x n,<br />
k<br />
belirlenen değişim değeri o bloğun tüm<br />
katsayılarına eklenir. Bu aşamada normalizasyon<br />
katsayısının değeri damgalamanın imge üzerinde<br />
uzamsal bölgede algılanma oranını belirlemektedir.<br />
Bu katsayı aynı zamanda damgalanan imgenin<br />
bozulmalara ve imge üzerinde uygulanacak<br />
sıkıştırma işlemlerine karşı dayanıklılık seviyesini<br />
de belirlemektedir. Normalizasyon katsayısı<br />
arttırıldıkça imge üzerindeki görünürlülük azalır<br />
fakat damgalamanın dayanıklılığı da azalmaktadır.<br />
Normalizasyon katsayısı tüm imge için tek bir<br />
değer alabileceği gibi imge üzerinde belirli<br />
bölgelerdeki bloklarda farklı değerler de<br />
kullanılabilir. Bu çalışmada normalizasyon<br />
katsayısı için tüm imgede sabit bir değer<br />
kullanılmıştır.<br />
Yapılan deneylerde normalizasyon katsayısının 150<br />
seviyelerinde belirlendiğinde imge üzerindeki<br />
değişikliğin algılanamayacak derecede düşük<br />
olduğu ve damgalanmış imgenin bozulma ve<br />
sıkıştırma işlemlerine oldukça dayanıklı olduğu<br />
belirlenmiştir.<br />
4. Damgalamanın Algılanması<br />
Önerilen yöntem ile gerçekleştirilen damgalamanın<br />
imgeden tekrar algılanması işlemi Şekil 5’de<br />
gösterilmiştir.<br />
329<br />
Şekil 5: Damgalamanın algılanması işlemi<br />
Damgalanmış olup olmadığının test edileceği<br />
imgenin ve özgün imgenin ışıklılık bileşenlerinin<br />
DWT dönüşümü sonucu elde edilen alçak frekans<br />
bileşen matrisleri 8x8’lik bloklara ayrılır. Bu<br />
blokların ortalama değerleri kullanılarak fark<br />
matrisi oluşturulur. Bu matrisin elemanlarına<br />
denklem (2)’deki formül kullanılarak damgalama<br />
algılanması işlemi uygulanır.<br />
Z ( test)<br />
n,<br />
k − Z ( özgün)<br />
n,<br />
k<br />
X n k =<br />
⋅ ( 100 × γ<br />
Z ( orjinal )<br />
, n,<br />
k<br />
n,<br />
k<br />
n = 1,2,...,N , k = 1,2,....,K (2)<br />
Z () n,<br />
k<br />
Burada . ilgili imgenin alçak frekans<br />
bileşeninde (n , k)<br />
.ncı bloğun ortalama değerini<br />
göstermektedir. Bu işlem sonucu elde edilen matris<br />
kullanılan damga ile karşılaştırılır. Elde edilen<br />
matris ile damga arasında ilişki işlemi ile test<br />
imgesinin damgalanmış olup olmadığı algılanabilir.<br />
5. Deneysel Sonuçlar<br />
Dalgacık uzayında blok bazlı damgalama ile damga<br />
yerleştirilecek özgün "Lena" imgesi Şekil 6’da,<br />
imge içerisine yerleştirilecek damga Şekil 7’de<br />
gösterilmiştir. Normalizasyon katsayısı olarak γ=75<br />
ve γ=150 değerleri için damgalanmış imgeler ve<br />
özgün imge ile aralarındaki farklar sırasıyla Şekil 8<br />
ve 9’da gösterilmiştir. Karşılaştırma için [3]<br />
referansında belirtilen γ=0.04 normalizasyon<br />
katsayısının kullanıldığı damgalama yöntemi<br />
sınanmıştır. Bu yöntemde belirtilen şekilde<br />
damgalanan imge Şekil 10’da gösterilmiştir.<br />
)
Şekil 6: Özgün İmge Şekil 7: Damga İmgesi<br />
Şekil 8: Önerilen yöntem ile γ =75 için<br />
damgalanmış imge ve fark imgesi<br />
Çizelge 1 İmge üzerindeki etkilere karşı<br />
damgalama yönteminin dayanıklılık durumu<br />
PSNR<br />
Etkiler<br />
γn,k =75 γn,k =150 γ[3] =0.04<br />
Gauss<br />
Gürültüsü<br />
22,3215 21,0721 18,2512<br />
Tuz&Biber<br />
Gürültüsü<br />
15,4060 12,9865 11,0650<br />
Kırpma 12,7531 12,0531 10,7564<br />
Ölçekleme 6,2266 6,1514 4,4378<br />
JPEG<br />
Sıkıştırma<br />
14,3052 9,7688 7,0815<br />
255<br />
PSNR = 20 log<br />
(3)<br />
w<br />
h<br />
∑∑<br />
i=<br />
1 j=<br />
1<br />
( e )<br />
ij<br />
w × h<br />
Burada verilen eij parametreleri özgün damga<br />
imgesi ile alıcıda elde edilen damga imgesinin<br />
farkını ifade etmektedir.<br />
Deneysel çalışmalarda özgün imgenin dalgacık<br />
dönüşümünün yüksek frekans bileşenleri olan Ch<br />
ve Cv bileşenlerine de şekil 4’de verilen yapıda bir<br />
damgalama denemiş fakat bu durumda özellikle<br />
JPEG sıkıştırmasından çok fazla etkilenildiğinden,<br />
damgalama Ca bileşenleri ile sınırlı tutulmuştur.<br />
2<br />
6. Sonuç<br />
Bu çalışmada imge sıkıştırma işlemlerine ve gürültü<br />
Şekil 9:γ =50 için damgalanmış imge ve fark imgesi eklenmesine dayanıklı bir imge damgalama<br />
yöntemi önerilmektedir. Önerilen dalgacık uzayında<br />
blok bazlı damgalama yönteminde, imgenin<br />
dalgacık dönüşümü bulunarak, dalgacık uzayındaki<br />
alçak frekansların blok bazlı ortalama değerleri<br />
temel alınmakta ve bu değere bağlı olarak tüm<br />
bloğa damga değeri yerleştirilmektedir. Dalgacık<br />
uzayındaki blok bazlı damgalama sayesinde JPEG<br />
sıkıştırma, gürültü ekleme, kırpma, döndürme ve<br />
ölçekleme gibi bozucu etki yapan uygulamalara<br />
karşı oldukça dayanıklı bir damgalama yöntemi<br />
elde edilmiştir.<br />
7. Kaynaklar<br />
Şekil 10: [3]’de belirtilen yöntem sonucu<br />
damgalanmış imge ve fark imgesi [1] N.Memon,P.W.Wong, “Protecting Digital<br />
Madia Content”,Communication of the ACM,<br />
Damgalanmış imge üzerinde tablo 1’de gösterilen<br />
etkilere karşı damga imgesindeki bozulmanın<br />
PSNR değerleri verilmiştir. Karşılaştırma için [3]<br />
referansında verilen yöntem ve γ=0.04<br />
normalizasyon katsayısı kullanılarak elde edilen<br />
PSNR değerleri de verilmiştir. PSNR değerleri<br />
denklem (3)’de gösterildiği şekilde hesaplanmıştır.<br />
330<br />
Vol.41 No.7, July 1998<br />
[2] D.Kundur,D.Hatzikanos, “A Robust Digital<br />
İmage Watermarking Method using Wavelet-Based<br />
Fusion”, Proc. ICIP-97, Vol. 1, pp. 544-47<br />
[3] J.R.Kim, Y.S.Moon,” A Robust Wavelet-Based<br />
Digital Watermark Using Level Adaptive<br />
Threshold”, ICIP 99, Kobe, Japan, Oct. 25-28, 1999