An Enhanced Gray-Scale Digital Watermarking Approach Utilizing Discrete Wavelet Transform and Reed-Solomon Error Correction

Abstract

أصبح تضمين العلامات المائية الرقمية أمرًا أساسيًا لحماية الملكية الفكرية وضمان أصالة المحتوى في العصر الرقمي. ومع ذلك، تظل التحديات الرئيسية تتمثل في تطوير تقنيات العلامات المائية التي تكون قوية بما يكفي لمقاومة الهجمات المختلفة (مثل الضغط، والضوضاء، والقص) وفي نفس الوقت غير ملحوظة للعين البشرية، وهو أمر ضروري للحفاظ على جودة المحتوى الأصلي. يعالج هذا البحث هذه التحديات من خلال اقتراح تقنية متقدمة لتضمين العلامات المائية في الصور الرقمية تعتمد على التحويل الموجي المتقطع ثلاثي المستويات (DWT) باستخدام عائلة موجات Haar إلى جانب أكواد تصحيح الأخطاء من نوع Reed-Solomon (RS). يقوم التحويل الموجي ثلاثي المستويات بتقسيم الصورة إلى مكونات تردد متعددة، مما يسمح بتضمين العلامة المائية في الأجزاء الأكثر أهمية في الصورة، مما يعزز من قوة العلامة المائية. تعزز إضافة أكواد Reed-Solomon فوق الحقول المنتهية من مقاومة العلامة المائية، مما يمكنها من التعافي حتى في حالة تعرض أجزاء من العلامة للتلف أو الفقد بسبب الهجمات. أظهرت النتائج التجريبية أن المنهجية المقترحة تحسن أداء العلامة المائية بشكل كبير، حيث أظهرت مقاييس نسبة الذروة للإشارة إلى الضوضاء (PSNR) ومؤشر التشابه البنيوي (SSIM) زيادات ملحوظة. ويعزز الجمع بين تحويل Haar الموجي وأكواد Reed-Solomon من قوة العلامة المائية بمقدار يصل إلى 27 ضعفًا مقارنة بالطرق التقليدية التي لا تتضمن تصحيح الأخطاء. تقدم هذه المنهجية حلًا واعدًا لتضمين العلامات المائية الرقمية بشكل آمن وفعال وموثوق في التطبيقات التي تتطلب درجة عالية من القوة وسلامة المحتوىDigital watermarking has become essential for protecting intellectual property and ensuring content authenticity in the digital age. However, a significant challenge remains in developing watermarking techniques that are both robust against various attacks (such as compression, noise, and cropping) and imperceptible to the human eye, which is crucial for maintaining the quality of the original content. This paper addresses these challenges by proposing an advanced digital image watermarking technique that combines a three-level Discrete Wavelet Transform (DWT) using the Haar wavelet family with Reed-Solomon (RS) error-correcting codes. The three-level DWT decomposes the image into multiple frequency components, allowing the watermark to be embedded in the most significant parts of the image, thereby enhancing robustness. The integration of Reed-Solomon codes over finite fields further increases the watermark\u27s resilience, enabling recovery even when parts of the watermark are damaged or lost due to attacks. Experimental results demonstrate that the proposed approach significantly improves watermark performance, with Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) and Structural Similarity Index Measure (SSIM) showing substantial gains. The combination of Haar-based DWT and Reed-Solomon codes improves the watermark\u27s robustness by up to 27 times compared to traditional methods without error correction. This approach provides a promising solution for secure, efficient, and reliable digital watermarking in applications requiring high robustness and content integrity.