專利名稱：一種數(shù)字水印的嵌入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)，是一種多媒體數(shù)據(jù)保護(hù)方法，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。
數(shù)字媒體有一些模擬媒體不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)字信號高質(zhì)量、編輯加工容易、拷貝不失真、易于通過電子的(網(wǎng)絡(luò))或物理的(CD-ROM)系統(tǒng)低價高效地迅速傳輸和分配等。這些優(yōu)點(diǎn)使得最近幾年數(shù)字媒體(數(shù)字音頻、數(shù)字圖象、數(shù)字視頻)的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用迅猛發(fā)展。然而，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，給媒體原始擁有者的權(quán)益造成了潛在的威脅其艱苦勞動的成果有可能在一夜之間被無償?shù)卮笈昝缽?fù)制并傳遍世界的每個角落。因而數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)成為一個迫切需要解決的問題。數(shù)字水印則為解決數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)問題的一個有效辦法。近幾年來，數(shù)字水印技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)了它的重要性，并得到了廣泛的重視。
目前大多數(shù)數(shù)據(jù)隱藏的研究和文獻(xiàn)集中于圖象水印。根據(jù)水印嵌入的方式而言，目前提出的數(shù)字水印技術(shù)主要可分為二類空域和變換域技術(shù)。前者通過直接改變主圖象某些象素值來嵌入水印。后者是在變換域中實(shí)現(xiàn)，先將圖象做某種變換，然后把水印嵌入到圖象的變換域中。由于DWT(Discrete Wavelet Transform)良好的空間一頻率局部特性和與人眼視覺特性相符的變換機(jī)制，在新一代靜止圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 2000占據(jù)了核心位置，并且逐漸代替DCT成為變換域數(shù)字水印算法的主要工具。
著名并被人們廣泛接受的是Cox等人的觀點(diǎn)，DCT域水印應(yīng)嵌入幅值最大前k個AC系數(shù)中。黃等進(jìn)一步推廣了這一思想，提出了利用DC分量來嵌入水印。但在DWT域，這方面的研究尚未見報道，并且嵌入公式和小波分解的級數(shù)的研究也尚屬空白。
本發(fā)明的目的是提出一種基于小波變換的數(shù)字水印嵌入方法，用于提高水印的穩(wěn)健性，保護(hù)數(shù)字媒體版權(quán)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法采用如下三個步驟1)根據(jù)所要嵌入水印數(shù)據(jù)量的多少盡量提高小波分解的級數(shù)，確定分解級數(shù)后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解；2)嵌入公式是vi′＝vi+αxi，其中，vi是小波系數(shù)，α是拉伸因子，xi是水印分量；3)按嵌入公式水印首先嵌入小波系數(shù)的低頻帶，若有剩余，再按小波系數(shù)頻帶重要性的排序順序嵌入高頻帶。
步驟1)根據(jù)水印數(shù)據(jù)量的多少確定小波分解的級數(shù)，小波分解的級數(shù)要盡量高，然后進(jìn)行小波分解。嵌入公式vi′＝vi+αxi中的拉伸因子α在保證水印不可見的前提下，盡可能大。
小波系數(shù)頻帶重要性的排序順序選擇可分離的濾波器組，對輸入圖象進(jìn)行小波分解，產(chǎn)生LHj、HLj、HHj三個高頻帶系列，一個LL3低頻帶(三級分解時)(如

圖1所示)。其中低頻帶表示由小波變換分解級數(shù)決定的最大尺度、最小分辨率下對原始圖象的最佳逼近。它的統(tǒng)計特征和原圖象相似，圖象的大部分能量集中在此。高頻帶系列則分別是圖象在不同尺度、不同分辨率下的細(xì)節(jié)信息。分辨率越低，其中有用信息的比例越高。也就是說，經(jīng)過小波分解把一個圖象分成了若干級。對于同一級圖象，低頻子圖象LLj最重要，其次是HLj與LHj，高頻子圖象HHj相對最不重要。對于不同級來說，級高者重要，級低者不重要。所以，小波圖象子頻帶按其重要性總體的排序?yàn)長Lk、HLk、LHk、HHk、HLk-1、LHk-1、HHk-1、…、HL1、LH1、HH1(如圖1所示)。
本發(fā)明與現(xiàn)有水印技術(shù)比較有以下優(yōu)點(diǎn)通過研究DWT域的嵌入方法(包括嵌入公式、嵌入位置和小波分解的級數(shù))與穩(wěn)健性的關(guān)系，找到了比較好的嵌入方法。與現(xiàn)有水印技術(shù)相比，該技術(shù)顯著提高了水印的穩(wěn)健性。
以下我們從理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明本發(fā)明帶來的積極效果。
1)小波分解的級數(shù)Mallat在1988年提出多分辨率分析(MRA)，它是信號分析和處理的有效工具。在MRA的基礎(chǔ)上，S.Mallat提出了用子帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)DWT的算法，統(tǒng)一了子帶濾波器與小波變換的計算。
給出平方可和的二維信號{xm，n}m，n∈Z，令c0，m，n＝xm，n，m，n∈Z則二維信號的小波分解公式為cj,m,n=2Σk,lhl-2mhl-2ncj-1,k,l,dj,m,n1=2Σk,lhk-2mgl-2ncj-1,k,l,]]>dj,m,n2=2Σk,lgk-2mhl-2ncj-1,k,l,dj,m,n3=2Σk,lgk-2mgl-2ncj-1,k,l.]]>其中 gk＝(-1)nh1-n， 從上面公式可知，小波分解是每級以2加權(quán)，并注意到低通濾波器系數(shù)和為1，從而隨著小波分解級數(shù)的增加，低頻系數(shù)的幅值以近似2的倍數(shù)增長。而水印編碼可看為在強(qiáng)背景(原始圖象)下迭加一個弱信號(水印)，只要迭加的信號低于對比度門限，視覺系統(tǒng)就無法感覺到信號的存在。而根據(jù)Weber定律，對比度門限和背景信號的幅值成比例。這就意味著隨著小波分解級數(shù)的增加，嵌入水印的強(qiáng)度大幅度增加，從而水印的穩(wěn)健性增強(qiáng)。同時，小波分解的級數(shù)越多，水印分量可以更好地擴(kuò)散。因此在水印算法中，應(yīng)根據(jù)水印數(shù)據(jù)量的多少，盡可能提高小波分解的級數(shù)。
2)嵌入位置從多分辨分析的角度考慮小波圖象的各個頻帶時，這些頻帶之間并不是純粹無關(guān)的。對于各個高頻帶，由于它們是圖象同一個邊緣、輪廓和紋理信息在不同方向、不同尺度和不同分辨率下由粗到細(xì)的描述，它們之間存在著一定的關(guān)系小波系數(shù)的幅值隨著尺度的減小而衰減，即使圖象函數(shù)有奇異點(diǎn)，只要在奇異點(diǎn)的鄰域里振蕩不激烈。若圖象函數(shù)f(x，y)在(x0，y0)鄰域內(nèi)具有Lipschitz α連續(xù)，則尺度為2j、位于(p，q)的小波系數(shù)的幅值有|αj(p，q)|≤A2j(α+1)其中A為一正常數(shù)。因此小波系數(shù)的幅值隨著尺度的減小而衰減。振蕩模型不具有這個性質(zhì)，幸而振蕩模型在實(shí)際圖象中不常遇到。基于零樹的編碼正是利用了小波系數(shù)的幅值隨著尺度的減小而衰減這個性質(zhì)而獲得了極大成功。
隨機(jī)序列、有意義的文本、圖象等都可以作為水印。不同類型的水印包含的數(shù)據(jù)量不同。不同數(shù)據(jù)量的水印應(yīng)有不同的嵌入對策。
水印應(yīng)放在哪里才足夠穩(wěn)?。吭贒WT域，不同的小波系數(shù)作為水印載體，水印有不同的穩(wěn)健性。
水印長度較短當(dāng)水印長度不大于小波圖象低頻系數(shù)個數(shù)時，水印應(yīng)嵌入哪里？首先，Cox等提出水印應(yīng)放在HVS感覺上最重要的分量上。這個觀點(diǎn)現(xiàn)在已被人們廣泛接受。感覺上重要的分量是圖象信號的主要成分，攜帶較多的信號能量，在圖象有一定失真的情況下，仍能保留主要成分。但Cox等把DC系數(shù)排除在外，原因在于避免加水印的圖象出現(xiàn)方塊效應(yīng)。由于小波變換是全局變換，把水印加在低頻系數(shù)的水印圖象不會出現(xiàn)方塊效應(yīng)。同時由前面可知低頻帶是對原始圖象的低通逼近，圖象的大部分能量集中在此，而高頻帶系列只是圖象的細(xì)節(jié)信息。因此水印應(yīng)當(dāng)首先嵌入小波圖象低頻系數(shù)。
其次，同第一步相同的道理，由于低頻系數(shù)的幅值一般遠(yuǎn)大于高頻系數(shù)，從而具有較大的感覺容量，嵌入一定強(qiáng)度的水印后不會引起原始圖象視覺質(zhì)量的明顯改變。
再次，根據(jù)信號處理理論，嵌入水印的圖象最有可能遭遇到的信號處理過程，如數(shù)據(jù)壓縮、低通濾波、次抽樣、插值、D/A和A/D轉(zhuǎn)換等，對低頻系數(shù)的保護(hù)比高頻系數(shù)好。即這些小波系數(shù)在經(jīng)過常見的信號處理和噪聲干擾后仍能很好地保留，不過多地為信號處理和噪聲干擾所改變。
因此，水印分量嵌入到DWT域低頻系數(shù)具有足夠的穩(wěn)健性。
水印長度較長當(dāng)水印長度大于小波圖象低頻系數(shù)個數(shù)時，除了把水印嵌入低頻帶系數(shù)外，首先利用HL3(三級分解)帶的系數(shù)來嵌入水印。這是因?yàn)?)HL3帶在高頻帶系列中最重要。2)HL3帶的系數(shù)通常比其它尺度的系數(shù)大(見本部分開頭)。同理，接下來應(yīng)利用LH3帶的系數(shù)。以此類推，我們得到如下結(jié)論當(dāng)水印長度較長時，按小波圖象頻帶重要性的排序順序嵌入水印穩(wěn)健性最好(圖1)。
綜上所述，我們通過對小波圖象系數(shù)的分布特點(diǎn)和振幅進(jìn)行定性、定量分析，得到了一個新的嵌入對策水印應(yīng)當(dāng)首先嵌入小波圖象低頻系數(shù)，若有剩余，再按小波圖象頻帶重要性的排序順序嵌入高頻帶。
3)嵌入公式嵌入公式也影響水印的穩(wěn)健性。目前常用的嵌入公式有兩個(1)vi′＝vi+axi；(2)vi′＝vi(1+αxi)，其中α為拉伸因子。
由于嵌入公式(1)對每個小波系數(shù)疊加相同的強(qiáng)度，水印圖象受攻擊后，水印分量可能都以一定的強(qiáng)度存在。但對嵌入公式(2)來說，由于大的系數(shù)疊加大的強(qiáng)度，小的系數(shù)疊加小的強(qiáng)度，水印圖象受攻擊后，小系數(shù)的水印分量可能不存在。只有在攻擊強(qiáng)度很強(qiáng)的情況下，基于嵌入公式(1)的水印分量不存在了，基于嵌入公式(2)的大系數(shù)的水印分量仍存在。但這種情況很少存在。
因此，嵌入公式(1)是比較好的選擇。
我們用紋理比較簡單和比較復(fù)雜的圖象“Lena”(256×256×8bits)和“Baboon”(256×256×8bits)為測試圖象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明新方法是非常穩(wěn)健的。
圖1是圖象小波分解圖。
圖2是水印的不可性比較圖。
圖3為條件完全相同的二種情況水印圖象在JPEG壓縮和Gaussian噪聲干擾下的穩(wěn)健性能比較圖。
圖1中，對輸入圖象進(jìn)行小波分解，產(chǎn)生LHj、HLj、HHj三個高頻帶系列，一個LL3低頻帶(三級分解時)。
圖2中，(a)為利用LL3嵌入水印的水印圖象；(b)為利用HL3嵌入水印的水印圖象。在完全相同的條件下，當(dāng)PSNR都為44.4dB時，“Lena”第一種情況水印不可見，而第二種情況水印明顯可見，說明低頻系數(shù)具有較大的感覺容量。
圖3中，(a)為抗JPEG壓縮性能比較；(b)為抗Gaussian噪聲性能比較?？v軸表示從失真的水印圖象中抽取的水印W*與原始水印W的相似度。圖3表明在低頻帶系數(shù)嵌入水印比在HL3帶系數(shù)嵌入水印穩(wěn)健好。把水印嵌入其它高頻子帶上的實(shí)驗(yàn)也可得到類似結(jié)果。
表1為基于嵌入公式(1)的穩(wěn)健性。表中，(a)Lena水印圖象抗JPEG(一級分解)(b)Baboon水印圖象抗noise(一級分解)(c))Baboon水印圖象抗JPEG(三級分解)(d)Lena水印圖象抗noise(三級分解)。
表2為基于嵌入公式(2)的穩(wěn)健性。表2中，(a)Lena水印圖象抗JPEG(一級分解)(b)Baboon水印圖象抗noise(一級分解)(c))Baboon水印圖象抗JPEG(三級分解)(d)Lena水印圖象抗noise(三級分解)。
表1-2中小波基選Daubechies小波DbN(1≤N≤10)，所有Baboon抗JPEG都表示Baboon水印圖象受JPEG壓縮攻擊后，PSNR分別為20db、20.9db、21 8db、22.4db、22.9db時，抽取的水印W*與原始水印W的相似度；表中所有Lena抗JPEG都表示Lena水印圖象受JPEG壓縮攻擊后，PSNR分別為23.1db、25db、26.9db、28.1db、29db時，抽取的水印W*與原始水印W的相似度。表中所有Baboon抗noise都表示Baboon水印圖象受加性Gaussian噪聲攻擊后，PSNR分別為18.7db、16.3db、14.6db、13.2db、12.2db時，抽取的水印W*與原始水印W的相似度；表中所有Lena抗noise都表示Lena水印圖象受加性Gaussian噪聲攻擊后，PSNR分別為18.7db、16.3db、14.6db、13.1db、12.1db時，抽取的水印W*與原始水印W的相似度。
表1基于嵌入公式(1)的穩(wěn)健性(a)(b)
(c) (d)
表2基于嵌入公式(2)的穩(wěn)健性(a) (b)
(c) (d)
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字水印的嵌入方法，其特征在于該方法的步驟為1)根據(jù)所要嵌入水印數(shù)據(jù)量的多少確定小波分解的級數(shù)；2)嵌入公式是vi′＝vi+αxi，其中，vi是小波系數(shù)，α是拉伸因子，xi是水印分量；3)水印按嵌入公式首先嵌入小波系數(shù)的低頻帶，若有剩余，再按小波系數(shù)頻帶重要性的排序順序嵌入高頻帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字水印的嵌入方法，其特征是步驟1)根據(jù)水印數(shù)據(jù)量的多少確定小波分解的級數(shù)，小波分解的級數(shù)要盡量高，然后進(jìn)行小波分解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字水印的嵌入方法，其特征是嵌入公式Vi′＝vi+αxi中的拉伸因子α在保證水印不可見的前提下，盡可能大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù),是一種多媒體視頻數(shù)據(jù)保護(hù)方法,屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明首先選定小波分解的級數(shù),利用小波變換將多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,然后選擇一些小波系數(shù)按一定的規(guī)則嵌入水印。最后通過小波逆變換得到嵌入水印的多媒體數(shù)據(jù)。與原始媒體相比,人眼或耳無法區(qū)別兩者的差別。而數(shù)字水印則為這個問題提供了一種區(qū)別的手段。水印可以是任何有意義的數(shù)字文檔或無意義的隨機(jī)序列。本發(fā)明可使通過網(wǎng)絡(luò)傳播的多媒體數(shù)據(jù)或文件獲得保護(hù)。
文檔編號G06T1/00GK1377184SQ0211517
公開日2002年10月30日 申請日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者劉九芬, 黃達(dá)人, 黃繼武 申請人:中山大學(xué)