基于数字水印的无参考图像质量评估方法的研究

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1、基于数字水印的无参考图像质量评估方法的研究【摘要】本文提出了一种基于数字水印技术的无参考图像质量评估方法，用来评估图像序列在压缩过程中产生的质量损失。在编码端对离散余弦变换（DCT）后图像进行水印嵌入，嵌入水印后的图像经过量化、熵编码后被传输至解码端，解码端根据提取出的水印质量来评价图像在压缩过程中的质量损失。本方法通过大量实验，确定水印嵌入强度和水印嵌入DCT系数区域的最佳取值，并通过改变不同压缩比，得到图像峰值信噪比（PSNR）与水印的像素错误率（BER）之间的线性关系式。实验结果表明，此线形关系式可以较好的表征BER与图像PSNR之间的关系，对压缩图像峰值信噪比的估计误

2、差小于4%。【关键词】数字图像客观质量评估;数字水印;峰值信噪比;离散余弦变换0引言网络的发展促使网络多媒体业务的兴起。在图像传输系统中，需要根据信道条件实时调整压缩参数，从而提高用户的可感知质量，这就需要获得压缩和传输后的图像质量，从而自适应的控制编码端参数，达到提高系统整体质量的目的。因此研究对数字图像质量进行评估的方法一直备受关注。13数字图像质量评价方法[1]通常分为两大类：主观质量评估（SQA）和客观质量评估（OQA）。主观质量评估是直接由观察者对图像质量进行主观评价，此方法最为准确，但是需要提供严格的测试环境，实现起来步骤复杂、实时性差，不便于实时传输中图像质量的

3、评估。客观质量评估[2]通过对图像序列进行一定的处理，根据所得到的信息作出评价，该类方法相比于主观质量评测方法更易于实现。根据对原始图像的依赖程度，客观质量评估又可以分为三类：全参考方法、部分参考方法、无参考方法。全参考和部分参考方法需要提供原始图像的全部或者部分特征和信息作为评价参考，而无参考方法则无需原始图像的任何信息。在图像的压缩和传输过程中，考虑到信道带宽，往往无法实时获取原始图像信息，所以无参考质量评价方法具有较高的应用价值，对其的研究也是目前学术界研究的热点之一，利用数字水印对图像质量进行评价正是无参考质量评价方法的一种。1原理及算法1.1基本原理13图像数字水印

4、[3]是在原始图像数据中按照一定的规律嵌入另一种信号（水印）。由于图像数据存在的冗余，且人眼对图像中不同部分感知能力是不同的，因此可以利用这些特性在图像中嵌入水印，同时又不影响人眼对图像的主观感受――不可见性成为衡量数字水印嵌入算法的一个重要指标。图像中嵌入信号量越多，图像质量下降越明显，水印的不可见性越差;但是经过攻击后提取出来的水印质量会较好，即水印的鲁棒性较好。因此水印的不可见性和鲁棒性二者是矛盾的，相互制约。如何平衡水印嵌入的强度（鲁棒性）和嵌入后图像质量（不可见性）成为数字水印技术的关键[4]。DCT域水印[5]能够较好地平衡上述问题，是目前数字水印研究的热点。DC

5、T变换把空域信号变换到频域中一个DC分量和一系列的AC分量，其中，DC分量表示原始图像平均亮度，AC分量的每个系数均表示原始图像在某一个频率上的能量。经过DCT反变换后，DC和AC系数中的各个频率所表征的能量将均匀分配到原始图像的各个系数中。对单个DC或AC系数的修改将会分散到原始图像的各个像素值，从而避免了对原始图像的某几个像素值进行修改所导致的大幅度失真，水印的鲁棒性和不可见性都得到保证。但是在DCT域进行水印嵌入需要首先对原始图像进行DCT变换，嵌入水印后再对图像进行反变换，算法复杂度较大。考虑到JPEG压缩[6]时，必须对图像进行DCT变换后再进行量化和熵编码，因此可

6、以将水印嵌入过程和图像压缩过程相结合，从而节省计算量。13本文提出的算法其基本思想为：在图像压缩过程中，首先对图像进行DCT变换，在变换后的系数中嵌入水印信息;所得到系数再经过量化和熵编码得到压缩码流，通过信道传输至解码端。解码端获得压缩码流后，经过熵解码，反量化后得到DCT系数，从中提取出水印信息。将提取出的水印与原始水印进行比较，得到提取水印的图像质量，再利用水印质量与图像质量之间的关系式得到图像质量。由于嵌入的水印与原始图像一样经历了量化和信道误码等导致图像质量损失的过程，因此水印信号与图像信号的受损程度之间是有着较大的关联的，可以通过提取出的水印质量获取图像质量。1.

7、2水印嵌入算法这里选择要嵌入的水印为二值水印，二值水印中图像像素只有“0”和“1”，与数据的奇偶性可以相互对应。即“0”表示偶数，“1”表示奇数。因此，可以通过判断DCT系数均值的奇偶性，与水印对应位的奇偶性相同时，则不需要修改DCT系数。否则，通过对DCT系数作相应的修改，从而达到修改均值奇偶性的目的。具体的水印嵌入算法如下：第一步：将二值水印图像转变为二进制串;第二步：将原始图像进行8×8分块的DCT变换;第三步：利用随机数发生器，生成随机数向量，并将其按从大到小的顺序进行排序。通过此方式获得与排序