專利名稱：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)字水印是一種通過在數(shù)字媒體里嵌入秘密信息以保護知識產(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性好和穩(wěn)健性強的特點，成為數(shù)字水印領(lǐng)域的一個經(jīng)典方案，但其存在一些缺陷，其中最重要的一點就是水印的提取過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，以便在沒有原始圖像時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，水印的檢測是通過線性相關(guān)方法進行的，檢測過程不需要原始圖像的參與，但是需要原始水印的參與。因為檢測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”(無水印)的回答。換句話說，在檢測時需要原始水印的算法中，放進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，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)用場合更重要更有說服力。
在載體中嵌入灰度圖像作為水印的特點是水印數(shù)據(jù)量大，常見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，把灰度水印問題歸結(jié)為二值水印問題(參考紀(jì)震，李慧慧，肖薇薇等.基于混沌序列的數(shù)字水印信號研究[J].電子學(xué)報，2004，32(7)1131-1134)。文獻(參考宿富林，馬國強，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灰度圖像預(yù)處理，用符號相關(guān)檢測算法檢測水印的方法。文獻(參考鐘樺，焦李成.自適應(yīng)灰度級數(shù)字水印技術(shù)[J].計算機學(xué)報，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，該算法在檢測水印時利用了原始圖像，這就限制了該算法的應(yīng)用領(lǐng)域。因為對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較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(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冗余，能嵌入有意義的灰度圖像作為水印，直觀有說服力。
為實現(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，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。水印的嵌入過程就是密文水印拓展值的跳動并改變載體頻率域系數(shù)的過程；水印的提取過程就是解拓展含水印載體系數(shù)并解密的過程。
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)生一個大小為m1×m2的混沌矩陣M；Step2對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序列W’(i)，運用正、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)；Step2參照圖2，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)來自哪個水印子通道Cn(i)，n決定水印的解拓展方式。對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)密鑰對密文水印W’解密得到提取水印圖像W’’，對應(yīng)水印圖像加密運算，密文水印解密運算為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。參照圖2，對水印后載體的信號處理攻擊會引起載體頻率域系數(shù)的輕微擾動。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)過攻擊擾動，越過子通道邊界進入相鄰子通道，提取水印時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，按照唯一的解拓展方法進行解拓展，就會引起提取水印的較大失真；如果在水印拓展時采取正、反拓展交替進行的方法，相鄰子通道使用不同的拓展方式，那么，水印后載體系數(shù)擾動越過了子通道邊界，不僅不會引起更大的失真，反而對水印提取更有利。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(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，能接受的水印強度越強，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)對水印信息進行加密，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)志了水印拓展值來自哪個子通道。水印的提取不需要原始載體和水印的參與，實現(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冗余，實現(xiàn)水印盲提取，嵌入灰度圖像作為水印信息，穩(wěn)健性強，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。
圖中符號說明如下
●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)健性曲線具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例近一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明實施例的載體是標(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。具體評價可以結(jié)合人眼的主觀評判。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水印子通道，把載體圖像劃分為互不重疊的圖像塊，把每個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，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)生一個大小為64×64的混沌矩陣M；Step2對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序列W’(i)。參考圖2，運用正、反拓展交替進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)；Step2參照圖2，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)來自哪個水印子通道Cn(i)，n決定水印的解拓展方式。對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產(chǎn)生大數(shù)據(jù)量的缺點，實施例選用64×64×8bit的灰度圖像作為水印，水印容量相對較高。
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性。
圖4是從經(jīng)過常見攻擊后的水印后載體Lena圖像中提取的水印圖像，其中對水印后載體的攻擊分別為(a)水印后載體不經(jīng)過任何攻擊；(b)、(c)、(d)分別為對水印后載體進行JPEG壓縮，壓縮因子分別為75、50、30；(e)對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)過常見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度與提取水印的效果之間的關(guān)系。
文獻(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個位平面，將灰度水印問題歸結(jié)為二值水印問題。與上述文獻相比，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性和穩(wěn)健性優(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，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，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冗余，實現(xiàn)水印盲提取，嵌入灰度圖像作為水印信息，穩(wěn)健性強，特別適合于數(shù)字圖像或視頻的版權(quán)認(rèn)證。
文檔編號G06T1/00GK1963864SQ20061009744
公開日2007年5月16日 申請日期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 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)