Algoritam za utiskivanje binarnog vodenog žiga ... - Telfor 2009

17. Telekomunikacioni forum TELFOR 2009 Srbija, Beograd, novembar 24.-26., 2009.Algoritam za utiskivanje binarnog vodenog žigazasnovan na SVD transformacijiZoran Stevanović, Member, IEEE, Zoran Milivojević, Vidosav StojanovićSadržaj — U ovom radu predložen je algoritam zautiskivanje i izdvajanje robusnog vodenog žiga umonohromatsku sliku, zasnovan na SVD transformaciji.Algoritam se zasniva na podeli slike na nepreklapajućeblokove, primenu SVD transformacije na blok, a zatimutiskivanje jednog bita binarnog žiga u najveći elementdijagonalne matrice. Testiranje robusnosti predloženogalgoritma izvršeno je za različite deformacije slike a rezultatisu analizirani na osnovu objektivnih i subjektivnihparametara. Kao objektivni parametri korišćeni su PSNR(engl. peak signal-to-noise ratio) i korelacioni koeficijent r cor,a kao subjektivni parametar vidljivost izdvojenog žiga.SKljučne reči — Digitalni vodeni žig, SVD transformacijaI.UVODAVREMENE informaciono-komunikacione tehnologijeomogućile su jednostavan, brz i pouzdan pristup,korišćenje, i razmenu informacija. Očigledne prednosti, sajedne strane, donele su zloupotrebu sa druge strane.Nelegalan pristup, korišćenje i distribucija različitih vrstainformacija, nametnula su zaštitu autora i autorskih prava.Predložena su različita rešenja, a jedno od njih jeste idigitalni vodeni žig.Digitalni vodeni žig predstavlja niz informacija utisnutihu multimedijalni podatak, kojim vlasnik dokazuje svojeautorsko pravo [1]. Multimedijalni podatak može da budeaudio, slika ili video. Ovaj rad će se baviti vodenim žigom umonohromatskoj slici. Utiskivanje žiga vrši se određenimalgoritmom, i to tako da utisnuti žig bude nevidljiv.Izdvajanjem žiga algoritmom za izdvajanje autor dokazujeautorsko pravo.Utiskivanje digitalnog vodenog žiga može se realizovatiu prostornom i frekventnom domenu. U prostornomdomenu utiskivanje se vrši direktnom modifikacijomvrednosti piksela originalne slike, dok se utransformacionom domenu žig utiskuje modulacijomkoeficijenata transformacije i u tu svrhu se koriste složenetransformacije poput SVD (Singular ValueDecomposition) transformacije [2]-[4],[7]-[11], diskretnekosinusne transformacije DCT [12],[13], diskretne wavelettransformacije DWT [14],[15].Prema kriterijumu vidljivosti žigovi se dele na vidljive inevidljive. Za zaštitu autorskih prava koriste se isključivonevidljivi žigovi.Mogućnost neovlašćene eliminacije žiga u slučajevimaataka na sliku deli digitalne vodene žigove na robusne iP. Zoran Stevanović, ETŠ Mija Stanimirović, bul sv. cara Konstantinabb, 18110 Niš, Srbija (tel:381-63-414453; e-mail: szoran@jotel.co.rs)D. Zoran Milivojević, Visoka Tehnička Škola, Aleksandra Medvedeva20, 18000 Niš, Srbija, (e-mail: zoran.milivojevic@jotel.co.rs).T. Vidosav Stojanović, Elektronski fakultet u Nišu, AleksandraMedvedeva 14, 18000 Niš, Srbija (e-mail:vitko@elfak.ni.ac.rs)slabe (engl. fragile). Da bi se postigla veća otpornost žigovana raznovrsne atake primenjuju se složeni algoritmi zautiskivanje i izdvajanje. Robusni žigovi se po pravilurealizuju utiskivanjem u transformacionom domenu.Prema načinu izdvajanja utisnutog žiga algoritmi se delena tri klase: a) non-blind metod, koji u procesu detekcijezahteva originalnu sliku i, u nekim slučajevima, originalnižig; b) semi-blind metod, koji u procesu detekcije koristisamo originalni žig ili neku drugu informaciju; i c) blindmetod koji u procesu detekcije ne koristi ni originalnu slikuni originalni žig [5].Jedna od najvažnijih karakteristika digitalnog vodenogžiga za slučaj kada se on koristi za zaštitu autorskih pravajeste njegova robusnost ili otpornost. Ona podrazumeva dažig u slici bude otporan na namerno ili nenamerno dejstvona sliku kao što je filtriranje, geometrijske transformacije,superponiranje šuma ili slično. U svim ovim slučajevimažig ne sme da bude eliminisan iz slike bez značajnedegradacije originalne slike. Jednostavnije rečeno, sve dokje slika posle gore pomenutih ataka upotrebljiva, žig morada bude sačuvan i da postoji mogućnost njegovog izdvajanjaiz slike [6].U ovom radu predložen je algoritam za utiskivanje iizdvajanje vodenog žiga zasnovan na SVD transformaciji.Za demonstraciju metoda korišćena je monohromatska slika512x512 piksela u koju je utisnut binarni žig dimenzija64x64 piksela. Predloženi metod deli sliku nanepreklapajuće blokove 8x8 piksela i nad svakim blokomvrši SVD transformaciju. Zatim se jedan bit žiga utiskuje uprvi element σ(1,1) dijagonalne matrice D, sa faktoromutiskivanja α. Faktor utiskivanja biran je tako da uticaj žigakao smetnje bude 50 dB. Slika sa žigom dobija se ponovnimkomponovanjem blokova u koje je utisnut po jedan bit žiga.U cilju povećane zaštite može se koristiti permutovanjetačaka žiga po nekom ključu k pre utiskivanja. Izdvajanježiga vrši se obrnutim postupkom. Algoritam se, premarezultatima testiranja, može svrstati u grupu robusnih,neinvertibilnih semi-blind metoda. Algoritam je testiranizlaganjem slike sa žigom različitim deformacijama međukojima su: JPEG kompresija, rotacija, superponiranje šuma(salt & pepper i Gausov šum), odsecanje dela slike,promena dimenzija (resize), i nisko-frekventno filtriranje.Pri tome su za ocenu dobijenih rezultata korišćeni objektivniparametri: vršni odnos signal-šum PSNR (engl. peaksignal-to-noise ratio), korelacioni koeficijenti r cor, isubjektivni: vidljivost izdvojenog žiga.Ostali deo rada organizovan je na sledeći način. Sekcija IIdaje kratki opis SVD transformacije. Sekcija III opisujepredloženi algoritam utiskivanja i izdvajanja. U Sekciji IVprikazani su eksperimentalni rezultati i analiza dobijenihrezultata. Zaključak je dat u sekciji V.II.SVD TRANSFORMACIJAU linearnoj algebri singularna dekompozicija SVD jepoznata tehnika za faktorizaciju matrica, realnih ili652

kompleksnih. Široko je korišćena u procesiranju signala,kao što je kompresija, eliminacija šuma ili za utiskivanjevodenog žiga u sliku. Odnedavno SVD transformacija sekoristi za merenje kvaliteta slike posle dejstva različitihdeformacija [7]. Sastoji se u sledećem.Ako je monohromatska slika predstavljena matricomA mxn primena SVD transformacije na ovu matricu daje tridekompozicione matrice U mxm, D mxn i V nxn tj:SVD ( Amxn)= [ U mxmDmxnVnxn] (1)Matrica A se dobija množenjem U, D i V T gde je V Ttransponovana matrica od V tj:AmxnmxmmxnTnxn= U ⋅ D ⋅V(2)Kolone matrice U nazivaju se levi singularni vektori,kolone matrice V nazivaju se desni singularni vektori, amatrica D je dijagonalna sa elementima koji se nazivajusingularne vrednosti, koje su poređane u opadajućem nizu.U i V su unitarne matrice, što znači da je UU T =I mxm,VV T =I nxn, gde je I jedinična matrica.Iako matematička transformacija, gledano sa aspektaslike kao matrice, dijagonalna matrica D nosi karakteristikeosvetljaja slike, dok U i V matrice sadrže informacije ohorizontalnim i vertikalnim detaljima slike, respektivno [8].Interesantna karakteristika SVD transformacije jestestabilnost singularnih vrednosti u slučaju procesiranja slike igeometrijskih transformacija, kao što su rotacija, skaliranjei translacija. Zbog tih karakteristika ova transformacija sekoristi za razvoj robusnih algoritama za utiskivanje vodenogžiga.Algoritmi koji koriste SVD transformaciju za utiskivanjevodenog žiga mogu se podeliti u četiri grupe i to algoritmekoji koriste:a) singularne vrednosti za utiskivanje žiga,b) singularne vektore,c) i singularne vrednosti i singularne vektored) kombinuju SVD transformaciju sa drugimtransformacijama tipa DCT, DFT, DWT i td.III.PREDLOŽENI ALGORITAM VODENOG ŽIGAPredloženi algoritam predstavlja varijantu utiskivanjažiga modifikacijom singularnih vrednosti. U dosadašnjimradovima [2]-[4], [9]-[11] predlozene su različite varijanteutiskivanja žiga modifikacijom singularnih vrednosti, ali posaznanjima autora ovakvo rešenje nije korišćeno.Predloženi algoritam za utiskivanje i izdvajanje vodenogžiga zasniva se na podeli slike na nepreklapajuće blokove iutiskivanju jednog bita binarne slike u svaki blok. Veličinabloka je 8x8 piksela. Ako je slika A dimenzija m×m, žig Wmora da ima dimenzije i×i gde je i ≤ m / 8 , (i je ceo broj) tjbroj blokova mora da bude veći ili jednak dimenziji žiga.Algoritam se sastoji iz sledećih koraka:Korak 1: Slika A mxm deli se na nepreklapajuće blokoveveličine 8×8 piksela B i,j ; i=1,2,3,...,m/8; j=1,2,3,...,m/8(celobrojni deo m/8).Korak 2: Primeni se SVD transformacija na svaki blokB i,j:[ U D V ]SVD ( Bi, j ) = i,j i,j i,j(3)Korak 3: U dijagonalnoj matrici D i,j prvi član σ(1,1) sekoristi za utiskivanje jednog bita žiga na sledeći način:σ w( 1,1) = σ (1,1) ⋅ (1 + α ⋅W ( i,j))(4)gde je α koeficijent utiskivanja žiga, a W(i,j) jedan bit žigaKorak 4: BlokwB i,ju kome je utisnut jedan bit žigadobija se množenjem matrica:= U ⋅ D V(4)gdewD i, j sadrži član σ w(1,1).w w TB i , j i , j i , j ⋅ i , jKorak 5: Slika sa žigomwA dobija se ponovnimwkomponovanjem svih blokova B i, j .Algoritam za izdvajanje utisnutog žiga sastoji se izsledećih koraka:wKorak 1: Slika sa žigom A se deli na nepreklapajućewblokove B i, j .Korak 2: Primeni se SVD transformacija na blokovewB i, j :[ U D V ]w wSVD B i , j ) i , j i , j i,j( = (5)wKorak 3: Iz dijagonalne matrice D i, j izdvaja se članσ w(1,1).Korak 4: Bit žiga izdvaja se iz σ w(1,1) prema formuli:W ( i,j)= ( σ w(1,1) / σ (1,1)) −1)/ α (6)Korak 5: Izdvojeni žig se dobija komponovanjem svihizdvojenih bitova W(i,j).Ako su dimenzije žiga jednake broju blokova, onda se usvaki blok utiskuje jedan bit. Ako su dimenzije žiga manjeonda se može izvršiti selekcija blokova u kojima će seutisnuti bit žiga. Kriterijum selekcije bi, u tom slučaju, biobroj nenultih elemenata dijagonalne matrice D.IV.EKSPERIMENTALNI REZULTATITestiranje robusnosti predloženog algoritma obavljeno jekorišćenjem slike Lena dimenzija 512x512 piksela (sl.1) ižiga W dimenzija 64x64 (sl.2).Žig predstavlja binarnu sliku sa samo dve vrednostipiksela, 0 i 1. Faktor utiskivanja α je biran tako da uticajžiga na sliku izražen preko PSNR-a bude 50dB i davizuelno žig ne degradira sliku (sl.3). Za postavljene uslovedobijena je vrednost faktora utiskivanja α=0.015 koja jekorišćena nadalje.Koeficijent korelacije originalnog i izdvojenog žigaizračunat je korišćenjem MATLAB funkcije corr2, aPSNR je računat prema formuli:255PSNR = 10log 10 ( )(7)MSEm n12*MSE = W WmnΣ Σ −(8)1 1U formuli (8) m i n predstavljaju dimenzije žiga (m=n=64),a W i W * originalni i izdvojeni žig.Robusnost predloženog algoritma testirana je u uslovima:JPEG kompresije 25%, rotacije originalne i slike sa žigomza 30 stepeni, odsecanja dela slike (crop), promenadimenzija (512-444-512), nisko frekventnog filtriranja idodavanja šuma (Gausov i salt & pepper 10%).2653

TABELA 1: REZULTATI TESTIRANJA ROBUSNOSTI PREDLOŽENOGALGORITMA NA POBROJANE ATAKEATAK IZDVOJENI ŽIG r corPSNR[dB]JPEGkompresija25% 0.9823 71.876Sl.1. Lena (512x512).Rotacija30 stepeni0.9692 69.736Odsecanjedela slike(crop) 0.8588 63.250Sl.2. Žig W (64x64)Promenadimenzija512-444-5120.5936 57.036Low passfilter [1616] σ=1 0.3702 54.635Sl.3. Lena sa žigomKao kriterijum za ocenu robusnosti korišćen je sledećialgoritam. Ako je: a) r cor =0-0.2 robusnost je ekstremno lošai žig je nevidljiv; b) r cor =0.2-0.5 robusnost je slaba i žigjedva vidljiv; c) r cor =0.5-1 robusnost je dobra i žig je vidljiv.Rezultati testiranja robusnosti na pobrojane atake dati suu Tabeli 1. Svrstavajući rezultate prema navedenomkriterijumu možemo zaključiti sledeće:a) robusnost je ekstremno loša i žig nevidljiv u slučajuGausovog šuma (r cor=0.1469).b).robusnost je slaba i žig jedva vidljiv u slučaju low passfiltera (r cor=0.3702).c) robusnost je dobra i žig je vidljiv u slučaju: JPEGkompresije (r cor=0.9823), rotacije (r cor=0.9692), odsecanjadela slike (r cor=0.8588), promena dimenzija (r cor=0.5936), isalt & pepper (r cor=0.6699).Dobijeni rezultati pokazuju dobru robusnost predloženogalgoritma za veći broj ataka, i samim tim njegovuprimenljivost u zaštiti autorskih prava. Još bolji rezultatimogu se postići ako bi broj blokova slike bio veći oddimenzija žiga. Onda bi se utiskivanje vršilo u blokove kojisadrže više detalja, i to sa većim faktorom utiskivanja žiga.Takvi blokovi bi se birali na osnovu broja nenultihelemenata u dijagonalnoj matrici D posle SVDtransformacije bloka. Postupak bi bio nešto složeniji jer bise moralo voditi računa o tome u kojim je blokovima utisnutžig, ali bi se povećao stepen zaštite žiga.Salt &pepper10% imedianfilter [3 3]0.6699 58.838Gausovšum m=0ν=0.005 0.1469 39.266Na osnovu dosad izloženog mogu se istaći sledećekarakteristike predloženog algoritma:a) jednostavan postupak utiskivanjab) dobra robusnostc) neinvertibilnostd) mogućnost modifikacije u cilju povećanja robusnosti uzpovećanje složenosti utiskivanja i izdvajanja.Dobijeni rezultati preporučuju predloženi algoritam zaprimenu u zaštiti autorskih prava.V.ZAKLJUČAKU ovom radu predložen je algoritam za utiskivanjerobusnog vodenog žiga u monohromatsku sliku, zasnovanna SVD transformaciji. Algoritam se odlikuje jednostavnimpostupkom utiskivanja, mogućnošću modifikacije u ciljupovećane zaštite, a rezultati testiranja pokazuju dobrurobusnost na različite atake. Sve pobrojane karakteristikepreporučuju ovaj algoritam za primenu u zaštiti autorskihprava.654

LITERATURA[1] I.J. Cox, J. Kilian, F.T. Leighton, T. Shamoon, Secure spreadspectrum watermarking for multimedia, IEEE Trans. Image Process.6 (12) (1997) 1673–1687.[2] R. Liu, T. Tan, A SVD-based watermarking scheme for protectingrightful ownership, IEEE Trans. Multimedia 4 (1) (March 2002) 121–128.[3] A. A. Mohammad, A. Alhaj, S. Shaltaf, An improved SVD-basedwatermarking scheme for protecting rightful ownership, SignalProcessing 88 (2008) 2158-2180.[4] C. Chang, P. Tsai, C. Lin, SVD-based digital image watermarkingscheme, Pattern Recognition Lett. 26 (2005) 1577–1586.[5] Kutter M.; Hartung F. Introduction to watermarking techniques, inInformation Hiding Techniques for Steganography and DigitalWatermarking, Stefan Katzenbeisser, F.A.P. Petitcolas Eds.; ArtechHouse: Nordwood, Massachusetts, USA, 2000; pp. 97–120.[6] Z. Stevanović, Z. Milivojević, Otpornost digitalnog vodenog žiga uslici izloženoj dejstvu impulsnog šuma, Etran 2009, EK2.5[7] A. Basso, F. Bergadano, D. Cavagnino, V. Pomponiu, A. Vernone, ANovel Block-Based Watermarking SCHeme Using the SVDTransform, Algorithms 2009, 2, 46-75.[8] Gorodetski, V.I.; Popyack, L.J.; Samoilov, V. SVD-Based Approachto Transparent Embedding Data into Digital Images. Proceedings ofInternational Workshop on Mathematical Methods, Models andArchitectures for Computer Network Security (MMM- ACNS01), St.Petersburg, Russia, 2001; pp. 263–274[9] Ganic, E.; Zubair, N.; Eskicioglu, A. M. An Optimal WatermarkingScheme Based on Singular Value Decomposition. Proceedings of theIASTED International Conference on Communication, Network, andInformation Security (CNIS 2003), Uniondale, New York, USA,December 10-12, 2003, pp. 85-90.[10] Chandra, D. Digital image watermarking using singular valuedecomposition. Proceedings of the IEEE 45th Midwest Symposiumon Circuits and Systems, Oklahoma State University, USA, August4-7, 2002; 3, pp. 264–267.[11] Shieh, J.-M.; Lou, D.-C.; Chang, M.-C. A semi-blind digitalwatermarking scheme based on singular value decomposition.Computer Standards & Interfaces, Elsevier, April 2006; 28, pp. 428–440[12] J. Hernandez, M. Amado, F. Perez-Gonzalez, DCT-domainwatermarking techniques for still images: detector performanceanalysis and a new structure, IEEE Trans. Image Process. 9 (1)(January 2000) 55-67.[13] W. Chu, DCT-based image watermarking using subsampling, IEEETrans. Multimedia 5 (1) (March 2003) 34–38.[14] A. Reddy, B. Chatterji, A new wavelet based logo-watermarkingscheme, Pattern Recognition Lett. 26 (May 2005) 1019–1027.[15] P. Kumsawat, K. Attakitmongcol, A. Srikaew, Multiwavelet-basedimage watermarking using genetic algorithm, in: Proceedings of theIEEE TENCON Conference, November 2004, pp. 275–278.ABSTRACTIn this paper SVD based robust watermarking algorithmfor monochromatic picture is proposed. Algorithm split theoriginal picture into non-overlapping blocks, then SVD wasapplied on each block. One bit of binary watermark isembedded in first element of diagonal matrix. The testing ofrobustness for different picture deformation was done. Forevaluation of given results objective and subjectiveparameters are used. Objective parameters were PSNR(peak signal-to-noise ratio) and correlation coefficient r cor,and subjective parameter was visibility of extractedwatermark.A SVD BASED BINARY WATERMARKINGALGORITHMZoran Stevanović, Zoran Milivojević, Vidosav Stojanović655