專利名稱：基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)方法，屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字多媒體信息交流達(dá)到前所未有的深度和廣度。隨之而來(lái)的信息安全和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證問(wèn)題也日益突出，對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)迫在眉睫。數(shù)字水印技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)的技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。目前，針對(duì)圖像數(shù)字水印的嵌入方法研究可分為兩類空間域水印算法和變換域·水印算法。其中空間域水印算法是直接在信號(hào)空間上疊加水印信息，這類算法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、速度快、易實(shí)現(xiàn)、嵌入容量大，缺點(diǎn)是缺乏對(duì)普通圖像處理操作的魯棒性。變換域水印算法是先對(duì)圖像進(jìn)行某種可逆的數(shù)學(xué)變換，然后通過(guò)對(duì)變換域的系數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到嵌入水印信息的目的?，F(xiàn)有一般的基于離散余弦變換(DCT)、離散傅里葉變換(DFT)及離散小波變換(DWT)等變換的數(shù)字水印方案對(duì)于圖像壓縮、圖像濾波以及噪聲等攻擊都具有較好的魯棒性，但針對(duì)裁剪攻擊和幾何攻擊的魯棒性仍需進(jìn)一步提高。近年來(lái)，光學(xué)全息圖像本身憑借其不可撕毀的特性，在數(shù)字水印方案中得到了廣泛關(guān)注，并有效解決了現(xiàn)有一般數(shù)字水印技術(shù)中不能很好抵抗裁剪攻擊的問(wèn)題。奇異值分解(SVD)是一種將矩陣對(duì)角化的數(shù)值算法。圖像矩陣的奇異值表征了圖像的內(nèi)在特性，具有非常好的穩(wěn)定性，即當(dāng)圖像被施加微小的擾動(dòng)(如加噪、濾波、壓縮、縮放等)時(shí)，其奇異值不會(huì)有較大的變化，而且奇異值具有轉(zhuǎn)置、旋轉(zhuǎn)、位移、鏡像變換不變性等，這些特性使得它在數(shù)字水印方面應(yīng)用廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)技術(shù)的不足，提供一種基于相移干涉和奇異值分解的數(shù)字水印方法，該方法不僅具有較好的不可感知性和較高的安全性，而且可以抵抗一系列如有損壓縮、剪切、噪聲、濾波、幾何操作等圖像處理方式，具有較強(qiáng)的魯棒性。本發(fā)明的基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)方法，包括水印嵌入和水印檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程( I)水印的嵌入過(guò)程A.將數(shù)字水印圖像O所在的平面稱為輸入平面，緊貼輸入平面的后面放置第一個(gè)隨機(jī)相位板G1，將波長(zhǎng)為λ的單色平面波垂直照射到輸入平面上，計(jì)算數(shù)字水印圖像O和第一個(gè)隨機(jī)相位板G1的復(fù)振幅透過(guò)率的乘積，然后對(duì)該乘積進(jìn)行距離參數(shù)為Cl1的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復(fù)振幅場(chǎng)U2,該復(fù)振幅場(chǎng)U2所在的平面稱為變換平面；B.緊貼變換平面后面放置第二個(gè)隨機(jī)相位板G2，復(fù)振幅場(chǎng)U2乘以第二個(gè)隨機(jī)相位板62的復(fù)振幅透過(guò)率得到一乘積，對(duì)該乘積作一次距離為d2的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復(fù)振幅場(chǎng)U (即物波場(chǎng))，該復(fù)振幅場(chǎng)U所在的平面稱為記錄平面，在該記錄平面上，通過(guò)后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)來(lái)記錄攜帶數(shù)字水印信息的復(fù)振幅場(chǎng)U ；C.采用標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)，通過(guò)與引入的參考光干涉，得到三幅含有隱藏信息和相位板調(diào)制后的干涉圖I2和I3 ;三次干涉時(shí)，參考光的相位分別為O, 31 /2和31 ；D.對(duì)彩色宿主圖像H的R、G、B三個(gè)分量進(jìn)行奇異值分解SVD，把三幅干涉圖I:、I2和I3加密后嵌入彩色宿主圖像H的R、G、B三個(gè)分量的奇異值矩陣中，得到含水印的圖像H’，并傳遞給信息的接收方(可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其它方式)，同時(shí)參數(shù)Gydpd2和λ以及奇異值分解過(guò)程中生成的新的彩色圖像K作為密鑰也一同傳遞；(2)水印的檢測(cè)過(guò)程a.通過(guò)奇異值分解從含水印的圖像H’中提取I” I2和I3 ；b.由標(biāo)準(zhǔn)三步相移公式恢復(fù)出記錄平面加密后的復(fù)振幅場(chǎng)U ;c.作距離為d2的逆菲涅爾衍射變換；d.得出的復(fù)振幅乘以第二個(gè)隨機(jī)相位板G2的復(fù)振幅透過(guò)率，作另一個(gè)距離為Cl1的逆菲涅爾衍射變換；e.提取衍射復(fù)振幅場(chǎng)的實(shí)振幅部分，即可得到水印圖像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)將相移數(shù)字全息與奇異值分解技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)造出一種新的變換域數(shù)字水印方法，與以往數(shù)字水印方法相比，其不可見(jiàn)性和魯棒性均有顯著的提高；(2)將相移數(shù)字全息技術(shù)引入數(shù)字水印方法中，使得其抵抗剪切攻擊的能力大大提高；
(3)將奇異值分解技術(shù)引入數(shù)字水印方法中，使得其可以抵抗一系列如有損壓縮、剪切、噪聲、濾波、幾何操作等圖像處理方式，具有較強(qiáng)的魯棒性；(4)由于在水印加密過(guò)程中，將虛擬光路的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)作為密鑰，從而設(shè)計(jì)出了多重密鑰，水印算法具有很好的安全性。


圖I是基于雙隨機(jī)相位編碼和三步相移干涉術(shù)的信息加/解密原理示意圖。圖2是基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和提取的流程圖。圖3a是水印圖像，圖3b是原始圖像，圖3c是嵌入水印(嵌入的權(quán)重因子為O. I)后的圖像。圖4是在旋轉(zhuǎn)攻擊(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗(yàn)圖表。圖5是在三種噪聲(椒鹽噪聲、高斯噪聲、散斑噪聲)攻擊下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗(yàn)曲線圖。圖6是在JPEG有損壓縮下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗(yàn)曲線圖。圖7是在裁剪攻擊下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗(yàn)圖表。圖8a是經(jīng)中值濾波后的含水印圖像，圖8b是相應(yīng)提取的水印圖像，CC=O. 7754。圖9a是經(jīng)高斯濾波后的含水印圖像，圖9b是相應(yīng)提取的水印圖像，CC=O. 9336。圖IOa是經(jīng)均值濾波后的含水印圖像，圖IOb是相應(yīng)提取的水印圖像，CC=O. 5489。圖Ila是經(jīng)拉普拉斯濾波后的含水印圖像，圖Ilb是相應(yīng)提取的水印圖像，CC=O. 8702。圖12a是經(jīng)sobel銳化后的含水印圖像，圖12b是相應(yīng)提取的水印圖像，CC=O. 8371。圖13是在對(duì)比度和亮度調(diào)整下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗(yàn)圖表。圖14a是經(jīng)直方圖均衡化后的含水印圖像，圖14b是相應(yīng)提取的水印圖像CC=O. 8454。圖中0為水印圖像，I為輸入平面，II為變換平面，III為記錄平面，三個(gè)平面選取的坐標(biāo)分別為(X1, yi)，(&，72)和(1，y)。Cl1為輸入平面和變換平面之間的距離，d2為變換平面和記錄平面之間的距離。Gp G2為兩個(gè)隨機(jī)相位板，其復(fù)振幅透過(guò)率可以分別表示為exp[i2 η P1 (x1； Y1)]和exp[i2 π P2 (x2, y2)]，其中P1和P2是兩個(gè)隨機(jī)分布在[O, I]之間的白噪聲。PSNR為峰值信噪比，CC為相關(guān)系數(shù)。
具體實(shí)施例方式圖I是基于雙隨機(jī)相位編碼和相移干涉術(shù)的水印加/解密原理示意圖。圖中O 為水印圖像，I為輸入平面，II為變換平面，III為記錄平面，三個(gè)平面選取的坐標(biāo)分別為Cx1, Y1), (x2, y2)和(X, y)。Cl1為輸入平面和變換平面之間的距尚，d2為變換平面和記錄平面之間的距離。GpG2為兩個(gè)隨機(jī)相位板，其復(fù)振幅透過(guò)率可以分別表示為exp[i2 JiP1 (χ1)Υι)]和exp [i2 Ji P2 (x2，y2)]，其中PjP P2是兩個(gè)隨機(jī)分布在
之間的白噪聲。假定虛擬光學(xué)系統(tǒng)中所涉及的衍射都滿足菲涅爾近似條件。在水印嵌入過(guò)程中，可以將虛擬光波的波長(zhǎng)λ，輸入平面、變換平面和記錄平面之間的距離屯、d2，隨機(jī)相位板的復(fù)振幅透過(guò)率作為水印密鑰，從而設(shè)計(jì)出多重密鑰，提高數(shù)字水印的安全性。當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)為λ的單色平面波照射輸入平面，在菲涅爾近似的條件下，變換平面的復(fù)振幅場(chǎng)U2可以表示為
i/2(X2yy2) =JJ0(X,,J.·)exp[i2n P1 (X1,乃)]exp-x2f + (v, — >·,)2]}dxldyl (I)其中k=2Ji/A。為表述簡(jiǎn)便起見(jiàn)，把上式寫(xiě)成
U2(X2, V2) = FrTdi {()(Xl F1) exp[/2^(.τ,, jt)]}(2)其中表示對(duì)Cl1的菲涅爾變換。因此，記錄平面的復(fù)振幅場(chǎng)U也可以表示為
U(x,y) 二 Fffd2 \u2(x2,)€χρ[ 2πΡζ(χ2, Y2)]}O)通過(guò)使用分束器BS，引入?yún)⒖脊獠ㄒ幌辔粸棣摩堑钠矫娌?。參考光波與物光波在CCD表面干涉，得到的光強(qiáng)分布為
/,,(U) = A2(χ, V) + A7; + 2ArA(x\y)cos(yf - Sn)⑷這里定義U(X，y) =A(χ, γ)θχρ[ Ψ (x, y)] ,A和Ψ分別表示物光波U的實(shí)振幅和相位，\為參考光的實(shí)振幅，它可預(yù)設(shè)為一個(gè)正常數(shù)；參考光波的相位δη可以由相移器件如波片或者壓電陶瓷器件(PZT)控制。采用標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)，通過(guò)與引入的參考光(三次干涉時(shí)，參考光的相位分別為0，π/2和π)干涉，可以得到三幅含有隱藏信息和相位板調(diào)制后的干涉圖I1, I2和I3，系統(tǒng)的幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)G2, Cl1, d2, λ作為密鑰。
圖2是基于相移干涉和奇異值分解的數(shù)字水印流程圖。在將經(jīng)過(guò)加密后的水印圖像嵌入原始圖像過(guò)程中，首先對(duì)原始圖像H的R、G、B分量進(jìn)行奇異值分解，得到兩個(gè)正交矩陣Um、Vm&—個(gè)對(duì)角矩陣Sm。4=Um*Sm*VmT (m 分別為 R、G、B)(5)將加密后的水印疊加到矩陣Sm的左上角，對(duì)新的矩陣Sm+a Im再進(jìn)行奇異值分解，得到 um’、sm’ 和乂/。Sm+a Im=Um’*Sm’*Vm’T (m 分別為 R、G、B)(6)其中a為權(quán)重因子(a>0)以調(diào)節(jié)水印的疊加強(qiáng)度。Hffffl=Uffl*S； <(7)
T(8)HWm是得到的含水印的圖像，HWm(m = R、G、B)作為R、G、B分量組成包含水印的彩色圖像，Km作為R、G、B分量組成新的彩色圖像K，新的彩色圖像K作為保留參數(shù)與密鑰一同傳輸。接收方得到所有密鑰后，可以通過(guò)以下步驟重建物面上的原圖像I)對(duì)接收到的圖像H'的RGB分量分別做奇異值分解SVDO=Uffm*Sffm*WmT (m=R, G, B)(9)2)對(duì)密鑰K的RGB分量Km分別進(jìn)行奇異值分解SVD (Km) =UKm*SKm*VKmT (m=R, G, B)(10)3)按下面的公式進(jìn)行提取In= (UKm*SWm*VKmT_SKm) / a (η = 1,2,3 分別與 m=R, G, B 相對(duì)應(yīng))(11)4)由標(biāo)準(zhǔn)三步相移公式恢復(fù)出記錄平面加密后的復(fù)振幅場(chǎng)U，
(Hx,V) = -^7U1 —h +辱/廠 I1 ^Z3)](12)
44.5)通過(guò)兩次逆菲涅爾變換恢復(fù)出原輸入平面上的復(fù)振幅場(chǎng)
仍X1，,F1) : IIYfdi [IFrTh [ll(x,_r)]exP[-/2,/辦7'.r:)] J(I 6)提取O’的實(shí)振幅，即可解密出隱藏的水印圖像。本發(fā)明采用基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入和提取，其應(yīng)用程序采用的是Matlab2009a。為了驗(yàn)證所述算法在常見(jiàn)圖像處理攻擊下的魯棒性，對(duì)含水印圖像進(jìn)行了大量的測(cè)試并給出了魯棒性測(cè)試結(jié)果，共8個(gè)方面圖像旋轉(zhuǎn)、添加噪聲(3種)、有損壓縮、圖像裁剪、濾波(4種)、銳化、對(duì)比度調(diào)整和直方圖均衡化。為了比較在不同干擾情況下水印的魯棒性，采用峰值信噪比(PSNR)和相關(guān)系數(shù)(CC)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，下面分別給出其定義。I)峰值信噪比(PSNR)
權(quán)利要求
1. 一種基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)方法，包括水印嵌入和水印檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程，其特征在于是 (1)水印的嵌入過(guò)程 A.將數(shù)字水印圖像O所在的平面稱為輸入平面，緊貼輸入平面的后面放置第一個(gè)隨機(jī)相位板G1，將波長(zhǎng)為λ的單色平面波垂直照射到輸入平面上，計(jì)算數(shù)字水印圖像O和第一個(gè)隨機(jī)相位板G1的復(fù)振幅透過(guò)率的乘積，然后對(duì)該乘積進(jìn)行距離參數(shù)為Cl1的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復(fù)振幅場(chǎng)U2,該復(fù)振幅場(chǎng)U2所在的平面稱為變換平面； B.緊貼變換平面后面放置第二個(gè)隨機(jī)相位板G2,復(fù)振幅場(chǎng)U2乘以第二個(gè)隨機(jī)相位板G2的復(fù)振幅透過(guò)率得到一乘積，對(duì)該乘積作一次距離為d2的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復(fù)振幅場(chǎng)U，該復(fù)振幅場(chǎng)U所在的平面稱為記錄平面，在該記錄平面上，通過(guò)后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)來(lái)記錄攜帶數(shù)字水印信息的復(fù)振幅場(chǎng)U ； C.采用標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)，通過(guò)與引入的參考光干涉，得到三幅含有隱藏信息和相位板調(diào)制后的干涉圖I2和I3 ;三次干涉時(shí)，參考光的相位分別為O, 31 /2和31 ； D.對(duì)彩色宿主圖像H的R、G、B三個(gè)分量進(jìn)行奇異值分解SVD，把三幅干涉圖I1'I2和I3加密后嵌入彩色宿主圖像H的R、G、B三個(gè)分量的奇異值矩陣中，得到含水印的圖像H’，并傳遞給信息的接收方，同時(shí)參數(shù)G2Wpd2和λ以及奇異值分解過(guò)程中生成的新的彩色圖像K作為密鑰也一同傳遞； (2)水印的檢測(cè)過(guò)程 a.通過(guò)奇異值分解從含水印的圖像H’中提取IpI2和I3 ； b.由標(biāo)準(zhǔn)三步相移公式恢復(fù)出記錄平面加密后的復(fù)振幅場(chǎng)U; c.作距離為d2的逆菲涅爾衍射變換； d.得出的復(fù)振幅乘以第二個(gè)隨機(jī)相位板G2的復(fù)振幅透過(guò)率，作另一個(gè)距離為Cl1的逆菲涅爾衍射變換； e.提取衍射復(fù)振幅場(chǎng)的實(shí)振幅部分，即可得到水印圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于相移干涉術(shù)和奇異值分解的數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)方法，包括水印嵌入和水印檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程，嵌入方法包括菲涅耳域的雙隨機(jī)相位編碼和相移干涉術(shù)實(shí)現(xiàn)水印信息的加密，加密后水印圖像嵌入宿主圖像的奇異值變換域；提取方法包括從待檢含水印圖像的奇異值矩陣中提取加密后的信息，經(jīng)過(guò)菲涅爾域的雙隨機(jī)相位解碼和相移干涉術(shù)進(jìn)行解密得到灰度水印圖像。本發(fā)明與以往數(shù)字水印方法相比，其不可見(jiàn)性和魯棒性均有顯著的提高；抵抗剪切攻擊的能力大大提高；可以抵抗一系列圖像處理方式，具有較強(qiáng)的魯棒性；具有很好的安全性。
文檔編號(hào)G06T1/00GK102938134SQ20121047384
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者孟祥鋒, 范德勝, 王玉榮 申請(qǐng)人:山東大學(xué)