專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字水印的水印跳變方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字水印嵌入和提取方法，尤其涉及到數(shù)字水印的水印跳變方法，具體適用于數(shù)字圖像和視頻版權(quán)認(rèn)證的穩(wěn)健性盲水印方法，它屬于信息隱藏領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字水印是一種通過(guò)在數(shù)字媒體里嵌入秘密信息以保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。按照水印嵌入的意圖，數(shù)字水印可以分為穩(wěn)健性水印、脆弱性水印和半脆弱性水印。穩(wěn)健性水印能夠抵抗侵權(quán)的惡意攻擊如有損壓縮、噪聲攻擊、幾何攻擊和各種增強(qiáng)處理等，通常用作版權(quán)認(rèn)證。
Cox等(參考Cox I，Killian J，Leighton T，et al.Secure spread spectrumwatermarking for multimedia，Audio and Video[J].IEEE International Conference onImage Processing，1996，3243-246.)提出了“擴(kuò)展頻譜”數(shù)字水印算法，將水印信息隱藏在圖像的DCT域中，這種方法具有不可見(jiàn)性好和穩(wěn)健性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為數(shù)字水印領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典方案，但其存在一些缺陷，其中最重要的一點(diǎn)就是水印的提取過(guò)程必須有原始圖像的參與，即它不是盲水印方案，不能抵抗IBM攻擊。
Barni等(參考Barni M，Bartolini F，Cappellini V，et al.DCT-domain system forrobust image watermarking[J].Signal Processing，1998，66(3)357-372)提出將水印信息隱藏在DCT域固定的中頻段，以便在沒(méi)有原始圖像時(shí)仍能確定水印隱藏的位置，從而將Cox的經(jīng)典算法發(fā)展成盲水印算法，水印的檢測(cè)是通過(guò)線性相關(guān)方法進(jìn)行的，檢測(cè)過(guò)程不需要原始圖像的參與，但是需要原始水印的參與。因?yàn)闄z測(cè)水印除了要提供密鑰以外還要提供原始水印，所以這種算法只能給出“yes”(有水印)和“no”(無(wú)水印)的回答。換句話說(shuō)，在檢測(cè)時(shí)需要原始水印的算法中，放進(jìn)圖像的秘密信息僅為1bit(參考黃繼武，Elmasry G，程衛(wèi)東.基于匹配濾波的有意義圖像水印算法[J].電子學(xué)報(bào)，2001，29(4)447-451)。嵌入有意義的水印特別是灰度水印，并且不需要原始載體和原始水印的參與，只根據(jù)密鑰就能提取水印的盲水印方法在一些應(yīng)用場(chǎng)合更重要更有說(shuō)服力。
在載體中嵌入灰度圖像作為水印的特點(diǎn)是水印數(shù)據(jù)量大，常見(jiàn)的灰度水印算法通常是將灰度水印分成不同的位平面圖像，把灰度水印問(wèn)題歸結(jié)為二值水印問(wèn)題(參考紀(jì)震，李慧慧，肖薇薇等.基于混沌序列的數(shù)字水印信號(hào)研究[J].電子學(xué)報(bào)，2004，32(7)1131-1134)。文獻(xiàn)(參考宿富林，馬國(guó)強(qiáng)，李明江.一種新的圖像灰度數(shù)字水印嵌入算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23(8)88-91)提出利用位平面分解的方法對(duì)灰度圖像預(yù)處理，用符號(hào)相關(guān)檢測(cè)算法檢測(cè)水印的方法。文獻(xiàn)(參考鐘樺，焦李成.自適應(yīng)灰度級(jí)數(shù)字水印技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2002，25(12)1364-1370)提出一種減小灰度水印數(shù)據(jù)量的方法，該方法利用對(duì)灰度水印圖像位平面分解、小波變換、仿射變換和圖像有損壓縮編碼技術(shù)相結(jié)合的方法減小水印嵌入數(shù)據(jù)量，該算法在檢測(cè)水印時(shí)利用了原始圖像，這就限制了該算法的應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)閷?duì)灰度圖像位平面分解產(chǎn)生的水印數(shù)據(jù)量大，嵌入的圖像尺寸相對(duì)較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有水印技術(shù)的不足，提出一種高穩(wěn)健性、高水印容量、自適應(yīng)調(diào)節(jié)水印嵌入深度的盲水印嵌入和提取方法，它要能充分利用載體圖像的人眼視覺(jué)冗余，能嵌入有意義的灰度圖像作為水印，直觀有說(shuō)服力。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種新方法——數(shù)字水印的水印跳變方法。
該方法把密文水印值序列拓展到若干水印子通道中，運(yùn)用正、反拓展方法交替拓展水印以消除水印子通道的鄰道干擾，把載體圖像變換到頻率域，選取與水印容量等量的載體頻率域系數(shù)作為嵌入水印的載體系數(shù)，選擇水印拓展值代替載體系數(shù)，重建圖像得到含水印載體圖像；提取水印時(shí)，把含水印載體圖像變換到頻率域，解拓展含水印載體系數(shù)并解密得到水印圖像。水印的嵌入過(guò)程就是密文水印拓展值的跳動(dòng)并改變載體頻率域系數(shù)的過(guò)程；水印的提取過(guò)程就是解拓展含水印載體系數(shù)并解密的過(guò)程。
本發(fā)明的技術(shù)方案具體步驟包括(1)水印圖像加密本發(fā)明首先根據(jù)秘鑰產(chǎn)生混沌矩陣，把混沌矩陣映射成有序矩陣，同時(shí)得到混沌有序化算子，利用混沌有序化算子把水印圖像映射成密文水印圖像。
假設(shè)水印是尺寸為m1×m2的灰度圖像W，混沌有序化算子為fM→MLR，M是混沌矩陣，MLR是對(duì)M的元素逐行按大小升序排列后再逐列按大小升序排列的結(jié)果。f定義為MLR＝M(K)，即按下標(biāo)矩陣K讀取M得到MLR。產(chǎn)生下標(biāo)矩陣K的步驟如下Step1根據(jù)秘鑰產(chǎn)生一個(gè)大小為m1×m2的混沌矩陣M；Step2對(duì)M的元素逐行按大小升序排列得矩陣ML，ML的元素在M中的列下標(biāo)構(gòu)成矩陣K2；Step3對(duì)ML的元素逐列按大小升序排列得矩陣MLR，MLR的元素在ML中的行下標(biāo)構(gòu)成矩陣K1；Step4下標(biāo)矩陣為KK(l，r)＝(K1(l，r)，K2(l，r))其中l(wèi)＝0，1，2，…m1-1，r＝0，1，2，…m2-1設(shè)密文水印圖像為W’，由以上步驟生成K，加密運(yùn)算為
W’＝W(K)(2)密文水印的拓展把密文水印圖像序列化，即順序讀取加密水印圖像灰度值成一個(gè)序列W’(i)，運(yùn)用正、反拓展方法交替拓展水印以消除水印子通道的鄰道干擾，把密文水印值序列拓展到若干水印子通道GjGj(i)＝(-1)J*A(j)*W’(i)+B(j)其中i＝0，1，2，…m1×m2-1，j＝0，1，-1，2，-2…，A(j)＞0，A(j)決定水印子通道的寬度，B(j)保證水印子通道相鄰接。
(3)水印的嵌入把載體圖像變換到頻率域，選取載體中頻域系數(shù)作為嵌入水印的載體系數(shù)，選擇水印拓展值代替載體系數(shù)，重建圖像得到含水印載體圖像。具體步驟Step1把載體圖像變換到頻率域，選擇m1×m2個(gè)中頻域載體系數(shù)V(i)作為嵌入水印的載體系數(shù)；Step2參照?qǐng)D2，選擇水印拓展值Gn(i)代替載體系數(shù)V(i)得到水印后載體系數(shù)V’(i)V’(i)＝Cn(i)其中i＝0，1，2，…m1×m2-1，Cn表示覆蓋載體頻率域系數(shù)V(i)的水印子通道；Step3根據(jù)修改后的載體系數(shù)重建圖像得到含水印載體圖像。
(4)水印的提取把含水印載體圖像變換到頻率域，找出嵌入水印的載體系數(shù)，解拓展含水印載體系數(shù)并解密得到水印圖像。具體步驟Step1把含水印載體圖像變換到頻率域，提取嵌入水印的載體系數(shù)V’；Step2根據(jù)V’(i)確定解拓展方式，即確定V’(i)來(lái)自哪個(gè)水印子通道Cn(i)，n決定水印的解拓展方式。對(duì)V’(i)解拓展得到密文水印W’(i)W’(i)＝(-1)n*A(n)-1*(V’(i)-B(n))其中i＝0，1，2，…m1×m2-1；Step3根據(jù)密鑰對(duì)密文水印W’解密得到提取水印圖像W’’，對(duì)應(yīng)水印圖像加密運(yùn)算，密文水印解密運(yùn)算為W’’(K)＝W’本發(fā)明提出正、反拓展方法交替拓展水印以消除水印子通道的鄰道干擾。參照?qǐng)D2，對(duì)水印后載體的信號(hào)處理攻擊會(huì)引起載體頻率域系數(shù)的輕微擾動(dòng)。如果代替載體系數(shù)的水印拓展值位于水印子通道的邊緣，經(jīng)過(guò)攻擊擾動(dòng)，越過(guò)子通道邊界進(jìn)入相鄰子通道，提取水印時(shí)捕獲的水印拓展值就位于相鄰的子通道內(nèi)。假設(shè)相鄰子通道是根據(jù)相同的拓展方法得到的，提取水印時(shí)，按照唯一的解拓展方法進(jìn)行解拓展，就會(huì)引起提取水印的較大失真；如果在水印拓展時(shí)采取正、反拓展交替進(jìn)行的方法，相鄰子通道使用不同的拓展方式，那么，水印后載體系數(shù)擾動(dòng)越過(guò)了子通道邊界，不僅不會(huì)引起更大的失真，反而對(duì)水印提取更有利。用正、反拓展方法交替拓展水印大大提高水印的穩(wěn)健性。
水印要滿足不可見(jiàn)性，就要求嵌入水印引起的載體系數(shù)改變量小于閾值。載體系數(shù)的改變量與水印子通道寬度有關(guān)，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)水印子通道寬度的方法調(diào)節(jié)水印嵌入深度。根據(jù)文獻(xiàn)(參考Cox.I.J，Kilian.J，Leighton.F.T，et al.Secure spread spectrumwatermarking for multimedia[J].IEEE Transactions on Image Procession.1997，6(12)1673~1687.)分析，載體系數(shù)越大，能接受的水印強(qiáng)度越強(qiáng)，因此，距離中心子通道C0越遠(yuǎn)的子通道寬度越寬，這樣水印跳變方法就能根據(jù)載體頻率域系數(shù)大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)水印強(qiáng)度以充分利用載體的信息冗余，提高水印的穩(wěn)健性。
本發(fā)明嵌入灰度圖像作為水印，沒(méi)有采用經(jīng)典的灰度圖像位平面分解后歸結(jié)為二值水印問(wèn)題的方法，直接把灰度水印圖像灰度值加密拓展后嵌入載體圖像，顯著提高水印容量。
本發(fā)明利用混沌系統(tǒng)對(duì)水印信息進(jìn)行加密，再把密文水印值序列周期拓展到若干水印子通道，選擇水印拓展值代替載體系數(shù)，賦予水印后載體系數(shù)多重意義從載體的角度看，它是受到一定程度擾動(dòng)的載體頻率域系數(shù)；從水印的角度看，它是準(zhǔn)確的水印拓展值，解拓展這些水印拓展值并解密就能得到水印圖像；從解拓展的過(guò)程看，它又是判定水印拓展方式的依據(jù)，它標(biāo)志了水印拓展值來(lái)自哪個(gè)子通道。水印的提取不需要原始載體和水印的參與，實(shí)現(xiàn)了水印的盲提取。
本發(fā)明提出的水印跳變方法，能有效利用載體的視覺(jué)冗余，實(shí)現(xiàn)水印盲提取，嵌入灰度圖像作為水印信息，穩(wěn)健性強(qiáng)，特別適合于數(shù)字圖像或視頻的版權(quán)認(rèn)證。


圖1是本發(fā)明的水印系統(tǒng)流程框圖。
圖2是本發(fā)明所提出的方法——水印跳變方法示意圖。
圖中符號(hào)說(shuō)明如下
●水印(拓展)值■載體頻率域系數(shù) 載體頻率域系數(shù)&水印拓展值○提取水印值—水印子通道邊界(解)正拓展(解)反拓展圖3是原始載體和水印后載體以及原始水印圖像(a)原始載體Lena圖像(b)水印后載體Lena圖像(c)原始水印Flower圖像圖4是水印后載體Lena圖像經(jīng)過(guò)攻擊后提取水印效果圖，含水印載體所受攻擊方式和提取水印PSNR值如下(a)沒(méi)有攻擊60.7030dB(b)JPEG(75)25.5823dB(c)JPEG(50)21.6797dB(d)JPEG(30)17.3427dB(e)噪聲15.0047dB(f)濾波18.9013dB(g)剪切25％27.6194dB圖5是水印抗攻擊穩(wěn)健性曲線(a)水印抗JPEG壓縮攻擊穩(wěn)健性曲線(b)水印抗高斯噪聲攻擊穩(wěn)健性曲線具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例近一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明實(shí)施例的載體是標(biāo)準(zhǔn)Lena(512×512×8bit)圖像如圖3(a)，水印圖像是Flower(64×64×8bit)圖像如圖3(c)，水印圖像加密使用Logistic映射混沌動(dòng)力系統(tǒng)Xn+1＝μXn(1-Xn)，其中0＜Xn＜1，3.6≤μ≤4，混沌矩陣是根據(jù)混沌序列逐行賦值而成，生成速度快。用峰值信噪比PSNR定量描述水印嵌入引起的載體圖像降質(zhì)和提取水印的質(zhì)量，PSNR定義為
PSNR=-101g(12552×M1×M2(Σi=1M1Σj=1M2(I'(i,j)-I(i,j))2))]]>其中I’是原始圖像，I是目標(biāo)圖像(降質(zhì)后圖像)，M1、M2是圖像尺寸。具體評(píng)價(jià)可以結(jié)合人眼的主觀評(píng)判。按圖1所示流程圖，首先利用混沌有序化算子把水印圖像映射成密文水印圖像，把密文水印拓展到若干個(gè)水印子通道，把載體圖像劃分為互不重疊的圖像塊，把每個(gè)圖像塊分別變換到頻率域，利用水印跳變方法將密文水印值嵌入到載體頻率域系數(shù)中。提取水印時(shí)，把水印后載體圖像變換到頻率域，提取含水印載體系數(shù)解拓展、解密后得到水印圖像。
具體步驟如下(1)水印圖像加密Step1根據(jù)秘鑰產(chǎn)生一個(gè)大小為64×64的混沌矩陣M；Step2對(duì)M的元素逐行按大小升序排列得矩陣ML，ML的元素在M中的列下標(biāo)構(gòu)成矩陣K2；Step3對(duì)ML的元素逐列按大小升序排列得矩陣MLR，MLR的元素在ML中的行下標(biāo)構(gòu)成矩陣K1；Step4下標(biāo)矩陣為KK(l，r)＝(K1(l，r)，K2(l，r))其中l(wèi)＝1，2，…64， r＝1，2，…64密文水印圖像為W’W’＝W(K)(2)密文水印的拓展順序讀取密文水印圖像灰度值成一個(gè)序列W’(i)。參考圖2，運(yùn)用正、反拓展交替進(jìn)行的方法把密文水印值序列拓展到若干水印子通道CjCj(i)＝(-1)j*A(j)*W’(i)+B(j)其中i＝0，1，2，…64×64-1，j＝0，1，-1，2，-2…，A(j)＞0，A(j)決定水印子通道的寬度，B(j)保證水印子通道相鄰接。
(3)水印的嵌入Step1把載體圖像變換到頻率域，選擇64×64個(gè)中頻域載體系數(shù)V(i)作為嵌入水印的載體頻率域系數(shù)；Step2參照?qǐng)D2，選擇水印拓展值Cn(i)代替載體系數(shù)V(i)得到水印后載體系數(shù)V’(i)V’(i)＝Cn(i)其中i＝0，1，2，…64×64-1，Cn表示覆蓋載體頻率域系數(shù)V(i)的水印子通道；
Step3根據(jù)修改后的載體系數(shù)重建圖像得到含水印載體圖像。
(4)水印的提取Step1把含水印載體圖像變換到頻率域，提取嵌入水印的載體系數(shù)V’；Step2根據(jù)V’(i)確定解拓展方式，即確定V’(i)來(lái)自哪個(gè)水印子通道Cn(i)，n決定水印的解拓展方式。對(duì)V’(i)解拓展得到密文水印W’(i)W’(i)＝(-1)n*A(n)-1*(V’(i)-B(n))其中i＝0，1，2，…64×64-1；Step3根據(jù)密鑰對(duì)密文水印W’(i)解密得到提取水印圖像W’’W’’(K)＝W’其中K的生成方法與加密步驟中K的生成方法相同。
本發(fā)明不采用常見(jiàn)方法使用的灰度水印位平面分解的方法，避免了水印位平面分解會(huì)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)量的缺點(diǎn)，實(shí)施例選用64×64×8bit的灰度圖像作為水印，水印容量相對(duì)較高。
圖3(a)是原始載體Lena圖像，嵌入水印后Lena圖像如圖3(b)所示，其PSNR值(峰值信噪比)為40.0641dB。Lena圖像在嵌入水印后保持了較低的失真率，較好地滿足了水印的不可見(jiàn)性。
圖4是從經(jīng)過(guò)常見(jiàn)攻擊后的水印后載體Lena圖像中提取的水印圖像，其中對(duì)水印后載體的攻擊分別為(a)水印后載體不經(jīng)過(guò)任何攻擊；(b)、(c)、(d)分別為對(duì)水印后載體進(jìn)行JPEG壓縮，壓縮因子分別為75、50、30；(e)對(duì)水印后載體加入高斯噪聲，高斯噪聲均值為0、方差為0.0015；(f)對(duì)水印后載體中值濾波，采用3×3濾波模板；(g)剪去水印后載體25％等。從圖中可以看出從經(jīng)過(guò)常見(jiàn)攻擊后的含水印載體中提取的水印保留了原始水印的基本特征，達(dá)到數(shù)字圖像版權(quán)認(rèn)證的要求。
圖5是水印抗攻擊穩(wěn)健性曲線，其中(a)水印抗JPEG壓縮攻擊穩(wěn)健性曲線；(b)水印抗高斯噪聲攻擊穩(wěn)健性曲線。從圖中可以看出攻擊的強(qiáng)度與提取水印的效果之間的關(guān)系。
文獻(xiàn)(參考Jiang Mingyan，Xu Guoping，Yuan Dongfeng.A novel blind watermarking algorithmbased on multiband wavelet transform[A].In2004 International Conference on Signal ProcessingProceedings，ICSP[C]，Beijing，ChinaIEEE Press，2004，1857~860.)使用48×48×8bit的灰度圖像作為水印，水印在嵌入載體以前采用了水印圖像位平面分解的方法，將水印圖像分解為8個(gè)位平面，將灰度水印問(wèn)題歸結(jié)為二值水印問(wèn)題。與上述文獻(xiàn)相比，在載體圖像相同、水印嵌入引起的載體失真率相近的前提下，用本發(fā)明水印跳變方法嵌入的水印不可見(jiàn)性和穩(wěn)健性?xún)?yōu)于前者，而本發(fā)明方法嵌入的水印容量是前者的2.8倍。
權(quán)利要求
1.數(shù)字水印的水印跳變方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟(1)水印圖像加密根據(jù)秘鑰產(chǎn)生混沌矩陣，把混沌矩陣映射成有序矩陣，同時(shí)得到混沌有序化算子，利用混沌有序化算子把水印圖像映射成密文水印圖像；(2)密文水印的拓展把密文水印圖像序列化為密文水印值序列，把密文水印值序列拓展到若干水印子通道，運(yùn)用正、反拓展方法交替拓展水印以消除水印子通道的鄰道干擾；(3)水印的嵌入把載體圖像變換到頻率域并選取載體中頻域系數(shù)作為嵌入水印的載體系數(shù)，選擇水印拓展值代替載體系數(shù)，重建圖像得到含水印載體圖像；(4)水印的提取把含水印載體圖像變換到頻率域，找出嵌入水印的載體系數(shù)，解拓展含水印載體系數(shù)并解密得到水印圖像。
全文摘要
一種數(shù)字水印的水印跳變方法，首先根據(jù)秘鑰產(chǎn)生混沌矩陣，把混沌矩陣映射成有序矩陣，同時(shí)得到混沌有序化算子，利用混沌有序化算子把水印圖像映射成密文水印圖像；把密文水印圖像序列化為密文水印值序列，再把密文水印值序列拓展到若干水印子通道，運(yùn)用正、反拓展方法交替拓展水印以消除水印子通道的鄰道干擾；在嵌入水印時(shí)，把載體圖像變換到頻率域并選取載體中頻域系數(shù)作為嵌入水印的載體系數(shù)，選擇水印拓展值代替載體系數(shù)，重建圖像得到含水印載體圖像；提取水印時(shí)，把含水印載體圖像變換到頻率域，找出嵌入水印的載體系數(shù)，解拓展含水印載體系數(shù)并解密得到水印圖像。本發(fā)明方法能有效利用載體的視覺(jué)冗余，實(shí)現(xiàn)水印盲提取，嵌入灰度圖像作為水印信息，穩(wěn)健性強(qiáng)，特別適合于數(shù)字圖像或視頻的版權(quán)認(rèn)證。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1963864SQ20061009744
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者王朋飛, 秦鋒, 王小林 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)