專利名稱：一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印 方法。
背景技術(shù)：
過(guò)去十年，數(shù)字i某體信息的使用與分布爆炸性增長(zhǎng)。借助互聯(lián)網(wǎng)，人們可以 方便地發(fā)布和獲取各種數(shù)字信息，包括圖像、音頻、視頻和文本等，以及諸多在 線服務(wù)。但同時(shí)，盜版也變得更加容易，不受限制的復(fù)制與不可控的傳輸使得數(shù) 字內(nèi)容毫無(wú)版權(quán)可言。對(duì)數(shù)字內(nèi)容的管理和保護(hù)成為業(yè)界迫切需要解決的問(wèn)題。
數(shù)字水印是一種新興的版權(quán)保護(hù)技術(shù)。它研究如何在原始數(shù)據(jù)中隱藏一定量 的附加信息，例如作品的所有權(quán)、使用權(quán)或者公司的標(biāo)識(shí)等，并通過(guò)對(duì)被隱藏信 息的提取和識(shí)別達(dá)到驗(yàn)證版權(quán)的目的。數(shù)字水印具有保真性、魯棒性、信息容量、 可靠性、安全性、盲檢測(cè)和復(fù)雜度等特征。除了版權(quán)保護(hù)，數(shù)字水印還可用于數(shù) 字簽名、數(shù)字指紋、廣播監(jiān)視、內(nèi)容認(rèn)證、拷貝控制和保密通信等。
學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了大量的水印方法。基本上，可以將它們分成兩類 一類是 基于擴(kuò)頻(SS: spread spectrum)調(diào)制技術(shù)的水印方法； 一類是基于剔除栽體 信號(hào)干擾的水印方法，例如量化索引調(diào)制水印(QIM: quantization index modulation)。雖然，SS水印方法具有良好的抗干擾和壓縮性能，但是它不能去 除載體信號(hào)的千擾，而且檢測(cè)是非盲的。與此相反，QIM水印方法能剔除載體信 號(hào)的干擾，具有盲檢測(cè)性，而且能獲得更高的信息容量，因而受到了越來(lái)越廣泛 的關(guān)注。
Chen等提出了 QIM水印方法(見(jiàn)專利CN02115174. 1 )。設(shè)j。表示要嵌入水 印的原始內(nèi)容，它可以是各種類型的信號(hào)，例如圖像、音頻或者視頻等。經(jīng)過(guò)一 個(gè)信號(hào)提取過(guò)程，從原始內(nèi)容X。中提取出一個(gè)長(zhǎng)度為的W載體信號(hào)^ ， x e i ",
用于嵌入水印信息m，其中j表示實(shí)數(shù)集。x可以是一個(gè)由原始內(nèi)容j。的像素
值組成的向量，或者由原始內(nèi)容乂。的任何變換域系數(shù)組成的向量等。QIM水印的
基本思想是在載體信號(hào)^的空間中定義若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)不同 水印信息，然后根據(jù)要嵌入的水印信息將x的值修改到對(duì)應(yīng)的子區(qū)域內(nèi)；水印檢 測(cè)是根據(jù)給定的載體信號(hào)所在的區(qū)域提取水印信息。
擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印(STDM: spread transform dither modulation)是 QIM水印方法的一個(gè)特例(B. Chenetal.. Achievable performance of digital watermarking Systems. Proc. IEEE Int. Conf. on Multimedia Computing and Systems, 1999， vol. 1， pp. 13-18),在QIM水印技術(shù)中占有特殊的地位。STDM 水印方法的基本思想是利用抖動(dòng)量化器量化栽體信號(hào)在某個(gè)隨機(jī)方向上的投影
實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入。具體地，STDM將要嵌入的信息w編碼成一個(gè)長(zhǎng)為p的G元
3序列/ ,它的每個(gè)元素^.滿足^.eQ, Q = {0，1,L ，G-1};并且，為嵌入多位水 印信息，栽體信號(hào)x被分成; 個(gè)子序列，即at-x,II^IIl |cp ,其中第y個(gè)子向量 ~的長(zhǎng)度為^, ei、；再產(chǎn)生一組與載體信號(hào)等長(zhǎng)的隨機(jī)數(shù)序列，記為"， 并把它也分成戶個(gè)子序列"-aI^IIl l"p,其操作方法與載體信號(hào)相同。對(duì)于g 元STDM，需組建G個(gè)込;0抖動(dòng)量化器& 0 , ~ e Q 。如果使用量化步長(zhǎng)為V的 均勻量化器，對(duì)于丄維的輸入向量，抖動(dòng)量化器仏j.)的中心點(diǎn)可定義為 A~ ^A(^+^.A/G7^+rf ，其中，0表示整數(shù)集，/i是每個(gè)元素都為1的Z維向
量，rfej z為一隨機(jī)向量用于提升水印的安全性。水印嵌入時(shí)4艮據(jù)要嵌入的信息 選擇對(duì)應(yīng)的量化器，對(duì)于~,_/ = 1山，; ，選擇量化器仏,0修改;^.在i^.上的投影，
即W"j 其中^表示含有水印的載體信號(hào)y的第_/個(gè)子向量。由此，
對(duì)于>^ ,可采用'沿著")的方向i務(wù) 文;c乂 6勺方式獲4尋，十a(chǎn)/^ , _/ = l，L ，;？， 其中%=>^";-< ，稱"；為擴(kuò)展向量，它表達(dá)了水印的嵌入
方向。使用獲得的信號(hào)y代替x ，然后利用載體信號(hào)的逆提取過(guò)程得到添加水印
后的內(nèi)容々。對(duì)于一個(gè)要檢測(cè)水印的數(shù)據(jù)內(nèi)容」，STDM水印檢測(cè)器使用與水印
嵌入相同的載體信號(hào)提取過(guò)程得到一個(gè)可能失真的待檢測(cè)信號(hào)Z ，并和嵌入時(shí)一
樣將其分成; 個(gè)子向量及產(chǎn)生相同的隨機(jī)向量"，再使用最小距離準(zhǔn)則從z的每
個(gè)子向量在"的對(duì)應(yīng)子向量上的投影提取隱藏信息，即 ^:arg^^卜jM乂-仏(《"》卜_/ = l,L ，; 。另一種實(shí)現(xiàn)把水印序列6嵌入到栽體
信號(hào)^中的方法是生成/7個(gè)與^等長(zhǎng)且相互垂直的擴(kuò)展向量，再利用抖動(dòng)量化器
量化^:在每個(gè)擴(kuò)展向量上的投影將6的每個(gè)元素嵌入到載體信號(hào)中。當(dāng)然，水印 檢測(cè)器也隨之作相應(yīng)的變化。
STDM水印有效的結(jié)合了 SS水印和QIM水印，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，不僅水印容 量大，而且抗攻擊能力強(qiáng)，但是量化水印的一個(gè)主要弱點(diǎn)是對(duì)幅值縮放攻擊非常 敏感。這是由于當(dāng)待檢測(cè)信號(hào)的幅值被縮放時(shí)，用于檢測(cè)的量化步長(zhǎng)并沒(méi)有做相 應(yīng)的縮放，因而在水印嵌入器和檢測(cè)器之間產(chǎn)生了匹配錯(cuò)誤，大大降低了水印的 性能。
J. J.埃格斯等提出了一種量化步長(zhǎng)的估計(jì)方法(見(jiàn)專利CN 02824865. 1 )。該方法根據(jù)信號(hào)釆樣的直方圖估計(jì)出經(jīng)過(guò)縮放攻擊后的量化步長(zhǎng)用于提取水印 信息。但是，要做到準(zhǔn)確估計(jì)需要的數(shù)據(jù)樣本量很大，不適合STDM水印，且可
能引入安全的脆弱性。
A. A. C. M.卡克發(fā)明了另 一種量化步長(zhǎng)的估計(jì)方法(見(jiàn)專利CN 02824950. X)。該方法引入了一個(gè)特征參數(shù)，具有與栽體信號(hào)同時(shí)縮放相同倍數(shù) 的特征，然后利用特征參數(shù)估計(jì)經(jīng)過(guò)縮放攻擊后的量化。然而，這種方法即使在 沒(méi)有攻擊的條件下檢測(cè)的錯(cuò)誤率也不為零。
一種稱為Rational Dithered Modulation (RDM) 的？K印方法(F. P erez-Gonz、alez et al.. Rational dither modulation: A high—rate data—hiding method invariant to gain attacks. IEEE Trans. Signal Processing, vol. 53, no. 10, pp. 3960 3975， 2005.)在嵌入器和檢測(cè)器端 采用了一個(gè)對(duì)幅值縮放具有不變性的量化步長(zhǎng)。雖然，RDM獲得了對(duì)縮放攻擊的 魯棒性，但是它的性能依賴于系統(tǒng)的記憶量，并隨著記憶量的增大而逼近原始抖 動(dòng)量化調(diào)制水印的性能，此時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算量也增加了。
Q.李等提出了應(yīng)用改進(jìn)的Watson視覺(jué)模型提供QIM對(duì)幅值縮放攻擊的抵抗 能力(Q. Li et al. Using perceptual models to improve fidelity and provide resistance to valumetric scaling for quantization index modulation watermarking. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 2, no. 2， pp. 127 139, Jun. 2007.)。該方法的性能依賴于人類感知才莫 型，因而不夠靈活，而且感知模型的修改比不修改的情況損失了栽體信號(hào)的質(zhì)量。
綜上，在已知的量化水印技術(shù)中，幅值縮放攻擊問(wèn)題并沒(méi)有得到很好的解決， 已經(jīng)有的幾種方法都存在相應(yīng)的不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的STDM水印方 法，該方法對(duì)幅值縮放攻擊具有不變性，同時(shí)在其他方面可獲得與原始STDM水 印近似相同的性能。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，水印嵌入方法是構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅 值縮放變換具有不變性的信號(hào)并在其上應(yīng)用STDM嵌入水印信息，水印檢測(cè) 方法是利用STDM水印檢測(cè)器從一個(gè)與水印嵌入采用相同方法構(gòu)造的信號(hào)上 提取水印信息，其特征在于，水印嵌入方法和水印檢測(cè)方法都包括一個(gè)對(duì)幅 值縮放變換具有不變性的信號(hào)構(gòu)造步驟。
進(jìn)一步，構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅值縮放變換具有不變性的信號(hào)采用的方法是將載體信 號(hào)x與一個(gè)特征序列s的元素對(duì)應(yīng)相除，特征序列s滿足如下的性質(zhì)當(dāng)載體信
號(hào)的幅值被縮放時(shí)，*隨之一起被縮放相同的倍數(shù)。
更進(jìn)一步，使用STDM方法操作構(gòu)造的信號(hào)嵌入水印信息，然后將得到的信 號(hào)與特征序列s的對(duì)應(yīng)元素相乘，得到嵌入水印的載體信號(hào)j;。
更進(jìn)一步，水印檢測(cè)的方法是使用與水印嵌入相同的信號(hào)提取方法從一個(gè)可 能失真的內(nèi)容中提取栽體信號(hào)Z和特征序列s'，然后將二者的對(duì)應(yīng)元素相除，并 使用STDM檢測(cè)器從得到的信號(hào)中提取水印信息。更進(jìn)一步，使用要嵌入水印的數(shù)據(jù)內(nèi)容、載體信號(hào)^或它們子向量的某種統(tǒng) 計(jì)量，例如平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差值、Minkowski范數(shù)值等組成一個(gè)與載體信號(hào)等長(zhǎng) 的序列，設(shè)計(jì)特征序列s的方法是使其與前述序列成正比例。
再進(jìn)一步，為避免特征序列受水印嵌入操作的影響，應(yīng)當(dāng)選擇與水印嵌入過(guò) 程無(wú)關(guān)的信息來(lái)構(gòu)造特征序列。
再進(jìn)一步，當(dāng)利用栽體信號(hào)的信息生成特征序列時(shí)，應(yīng)剔除載體信號(hào)在水印 嵌入方向上的分量。
再進(jìn)一步，當(dāng)采用與水印嵌入過(guò)程相關(guān)的信息來(lái)構(gòu)造特征序列時(shí)，用下面的 補(bǔ)償方法能提高水印的性能。選擇若干個(gè)與水印嵌入方向正交的隨機(jī)向量，并調(diào) 節(jié)載體信號(hào)在每個(gè)選擇的隨機(jī)向量上的投影信息，使得特征序列的產(chǎn)生在水印嵌
入前后盡量保持不變，同時(shí)不影響水印檢測(cè)器的性能。
再進(jìn)一步，當(dāng)采用載體信號(hào)子向量的平均值構(gòu)造特征序列時(shí)，為提升水印的 性能，須將相應(yīng)的擴(kuò)展向量的平均值化為零。
本發(fā)明的效果在于采用本發(fā)明所述的方法，在沒(méi)有攻擊的情況下，水印檢 測(cè)可以獲得零錯(cuò)誤率；在理論上可以抵抗任何程度的幅值縮放攻擊，對(duì)幅值縮放 攻擊具有不變性；此種不變性的獲得不依賴于感知模型，因而更加靈活；同時(shí)， 對(duì)于其他攻擊，可以獲得與原始STDM相近的性能。


圖1 一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法的水印嵌入裝置結(jié)構(gòu)圖。 圖2 —種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法的水印檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖3幅值縮放攻擊實(shí)驗(yàn)。
圖4修改直流分量攻擊實(shí)驗(yàn)。
圖5高斯噪聲攻擊實(shí)驗(yàn)。
圖6 JPEG壓縮攻擊實(shí)驗(yàn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，并進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的效果。 實(shí)施例1:
以水印載體J。為 一 圖像信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)的STDM水印方法，水印嵌入過(guò) 程如圖1所示，包括以下步驟
1)從Z。的塊DCT (DCT: Discrete Cosine Transform)域抽取載體信號(hào)x 。 先將4分成多個(gè)不重疊的子塊，每塊含8x8個(gè)象素點(diǎn)，然后對(duì)每塊進(jìn)行DCT變 換。對(duì)每塊內(nèi)的64個(gè)DCT系數(shù)進(jìn)行之字形排序，選取序數(shù)3到64之間的62個(gè) DCT系數(shù)。將所有抽取的DCT系數(shù)排成一個(gè)大的序列作為載體信號(hào)。再對(duì)抽取的 載體信號(hào)按某個(gè)隨^U偵序置亂，生成最終的載體信號(hào)記為;c ,其長(zhǎng)度為iV。這一 步由載體信號(hào)抽取裝置實(shí)現(xiàn)。
62) 將要嵌入的信息m表達(dá)成一個(gè)長(zhǎng)為p的二元序列6 ，其中每個(gè)元素 ^eQ， Q = {0,1}， / = l，L,p 這一步由信息表示與編碼裝置實(shí)現(xiàn)。
3) 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本實(shí)施例將載體信號(hào)jc分成/ 個(gè)等長(zhǎng)的子序列，記為
x-^ll^lL ，其中； -LW"」，丄為每個(gè)子序列的長(zhǎng)度。這里，假定水印嵌 入4立率為/ = 1/1
4) 產(chǎn)生一組￡個(gè)均勻分布的隨機(jī)數(shù)作為擴(kuò)展向量"。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本實(shí) 施例為每個(gè)栽體信號(hào)的子向量嵌入水印信息時(shí)，使用同一個(gè)擴(kuò)展向量"，并
將"的均值轉(zhuǎn)化為零，WE{"} = 0，其中函數(shù)E^表示向量的平均值操作子。
5) 計(jì)算特征序列s。從栽體信號(hào)中剔除沿水印嵌入方向的分量，可得到 與水印嵌入過(guò)程無(wú)關(guān)的向量v 。對(duì)于 ，y-l,L,; ，可確定
Vjjc]m"/i/m 。本實(shí)施例采用每個(gè)子向量"的平均值的絕對(duì)值構(gòu)建特征
序列s。具體地，特征序列J的第/個(gè)子向量、取為
E vy
'1 (1)
這一步由特征序列生成裝置實(shí)現(xiàn)。
6) 將載體信號(hào);c的每個(gè)元素除以特征序列s的對(duì)應(yīng)元素構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅值縮 放變換具有不變性的信號(hào)，記為
J^:c.As (2)
這一步由載體信號(hào)變換裝置實(shí)現(xiàn)。
7) 利用STDM方法將序列6的每個(gè)元素嵌入到信號(hào)必的對(duì)應(yīng)子向量中得
到加水印的信號(hào)f(,表示為
jT^ =^, / = l,L ,/ ( 3 )
其中"；- % /" f" , % ) _《"。這一步信息嵌入裝置實(shí)現(xiàn)。
8) 將信號(hào)^與特征序列s的對(duì)應(yīng)元素相乘得到嵌入水印的信號(hào)y ,即 y =恤(4 )
這一步由載體信號(hào)逆變換裝置實(shí)現(xiàn)。
9) 用y代替jc,并實(shí)行逆抽取操作，包括逆置亂，逆之字形排序和逆塊DCT 變換，最后得到含水印的圖像記為人。這一步由載體信號(hào)逆抽取裝置實(shí)現(xiàn)。
給定一個(gè)特4全測(cè)的圖像信號(hào)^,水印提取過(guò)程如圖2所示，包括以下步驟 1)從^的塊DCT (DCT: Discrete Cosine Transform)域抽取載體信號(hào)z 。 這一步與水印嵌入過(guò)程的步驟l相同，由載體信號(hào)抽取裝置實(shí)現(xiàn)。2) 與水印嵌入過(guò)程的步驟3相同，將載體信號(hào)z分成p個(gè)等長(zhǎng)的子序列， 記為W絲k。
3) 產(chǎn)生擴(kuò)展向量"，方法與水印嵌入過(guò)程的步驟4相同。
4) 計(jì)算特征序列*'。釆用與水印嵌入過(guò)程的步驟5相同的方法提取特征序 列。設(shè)v;. =z;-z>n/"r" ， _/ = l,L，;？，特征序列,的第)個(gè)子向量s;.取為
(5)
這一步由特征序列生成裝置實(shí)現(xiàn)。
5) 將載體信號(hào)Z的每個(gè)元素除以特征序列s'的對(duì)應(yīng)元素構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅值縮 放變換具有不變性的信號(hào)，記為
^z."' (6)
這一步由載體信號(hào)變換裝置實(shí)現(xiàn)。
6) 利用STDM方法的水印檢測(cè)器從信號(hào)^的每個(gè)子向量中提取隱藏的水
印信息&，表示為
& = arg |辟"-仏乂 (辨")| ，= l,L ,; ( 7 )
這一步信息提取裝置實(shí)現(xiàn)。
7)將提取出的水印序列^.經(jīng)過(guò)解碼得到水印信息A。這一步由信息解碼裝 置實(shí)現(xiàn)。
下面通過(guò)本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的水印方法的性能從原理上加以說(shuō)明。 當(dāng)加水印的圖像沒(méi)有遭到任何攻擊時(shí)，則通過(guò)載體信號(hào)提取裝置得到的
信號(hào)z,滿足z =^ 。在此條件下，將(3)代入到v;.的表達(dá)式中得
v;=v;， _/ = l,L ，p (8)
方程(8)表明向量v是一個(gè)與水印嵌入過(guò)程無(wú)關(guān)的向量。將(1 ) - ( 6)和 (8)代人到(7)中得&=~,即水印檢測(cè)器的錯(cuò)誤率為零。因此，在沒(méi)有
攻擊的情況下，本實(shí)施例提出的方法和原始STDM—樣都能達(dá)到錯(cuò)誤率為零。 事實(shí)上是一種帶補(bǔ)償失真的DM水印嵌入表達(dá)式，將其代入(9),當(dāng)權(quán)重向
量v選擇合適時(shí)，必然有&=~,即水印檢測(cè)器的錯(cuò)誤率為零。
現(xiàn)在來(lái)看為何本發(fā)明提出的方法對(duì)幅值縮放攻擊是不敏感的。當(dāng)栽體信 號(hào)被放大/ 倍，即、^/^.,將其與(5)和(6) —起代入(7),可以看出
因子"被抵消，水印信息的提取與/ 無(wú)關(guān)。因此，在理論上本發(fā)明提出的方法對(duì)幅值縮放攻擊具有不變性，能抵抗任何程度的幅值縮放操作。
考慮加性噪聲通道，即Z " +w 。由(1 )得—{"}|+{ }| ， _/ = l,L ,p。
將其代入(5)得e{v)}| = |e[vJ + E{"J|, / = 1，l，;？。由此可見(jiàn)，當(dāng)
/ = 1山，/ 時(shí)，這在實(shí)際應(yīng)用中通常是成立的，此時(shí)特征序
列在攻擊前后的變化對(duì)水印性能的影響可以忽略，水印的位錯(cuò)誤率主要是由 噪聲干擾產(chǎn)生的，因而改進(jìn)的STDM水印方法抵抗噪聲的能力與STDM是近似 相同的。
為了顯示本發(fā)明的顯著效果，本實(shí)施例給出一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從Corel數(shù)據(jù)庫(kù) 中選擇4000幅圖像用于測(cè)試，每幅圖像的尺寸為256x384。因此，對(duì)于每幅圖 像，在水印嵌入步驟1中可提取一個(gè)總長(zhǎng)度為iV-95232的載體信號(hào);c 。 一個(gè)隨
機(jī)產(chǎn)生的長(zhǎng)度為； = 3072的二進(jìn)制序列6作為水印信息w嵌入到每一幅圖像中，
其中，每31個(gè)DCT系數(shù)嵌入1比特信息，即￡ = 31。測(cè)量嵌入水印的圖像質(zhì)量 用尖峰信噪比(PSNR, peak signal-to-noise ratio )。通過(guò)幾種典型的攻擊實(shí) 驗(yàn)測(cè)試實(shí)施例提供的水印方法的性能。為了便于描述，將實(shí)施例提供的水印方法 簡(jiǎn)稱為IM-STDM。同時(shí)，為了比較的目的，也給出了 STDM水印方法(B. Chen et al.. Quantization index modulation: a class of provably good methods fordigital watermarking and information embedding. IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 47, no. 4, pp. 1423 1443， 2001.)和兩種改進(jìn)的抖動(dòng)量化調(diào) 制(DM: dither modulation)水印方法，即基于改進(jìn)的Watson i見(jiàn)覺(jué)模型的DM 與基于改進(jìn)的Watson視覺(jué)模型的RDM (分別簡(jiǎn)稱為DM-MW與RDM-MW，請(qǐng)參考文 獻(xiàn)Qiao Li et al.. Using perceptual models to improve fidelity and provide resistance to valumetric scaling for quantization index modulation watermarking. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 2， no. 2， pp. 127 139, Jun. 2007.)。在所有的實(shí)驗(yàn)里，PSNR被取為 35dB，這可以通過(guò)調(diào)整量化步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)。附圖中給出的位錯(cuò)誤率是在所有圖像上所 得測(cè)試結(jié)果的平均值。
圖3給出了一組幅值縮放攻擊測(cè)試結(jié)果。在這方面，IM-STDM相對(duì)于STDM 獲得了顯著的改進(jìn)性能，而且也優(yōu)于DM-MW與RDM-NW。特別是在幅值縮放因子 小于1. 3時(shí)，IM-STDM獲得了零位錯(cuò)誤率。
圖4給出了一組修改直流分量攻擊測(cè)試結(jié)果。直流分量被修改通過(guò)把圖像每 個(gè)象素點(diǎn)的值增加/減少相同的量。從圖上可以看出，對(duì)這種攻擊操作，IM-STDM 略微優(yōu)于STDM,且二i都大大優(yōu)于DM-MW與RDM-MW。這是因?yàn)镮M-STDM與STDM 的水印嵌入和檢測(cè)過(guò)程都與圖像直流分量無(wú)關(guān)，而DM-MW與RDM-MW使用了圖像 的直流分量來(lái)獲得對(duì)幅值縮放攻擊的魯棒性，結(jié)果損失了在這方面的性能。
圖5給出了一組高斯噪聲攻擊測(cè)試結(jié)果。圖5顯示IM-STDM獲得了與STDM 相近的性能，且都比DM-MW與RDM-MW在這方面的性能更佳?？梢?jiàn)，即使后二者 使用了人類感知模型，也不如STDM的性能。
圖6給出了 一組JPEG壓縮攻擊測(cè)試結(jié)果。圖6表明STDM的性能優(yōu)于IM-STDM 與另外兩種改進(jìn)的DM方法。同時(shí)，注意到對(duì)于質(zhì)量因子較大的JPEG壓縮操作，IM-STDM的位錯(cuò)誤率與STDM的位錯(cuò)誤率是相近的。
本實(shí)施例獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明，使用本發(fā)明所述的方法不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)幅 值縮放攻擊的魯棒性，而且在其他幾種典型攻擊操作中獲得了與STDM水印近似 相同的性能。
本實(shí)施例給出了圖像水印的實(shí)施效果，但本發(fā)明不限于圖像水印處理，本發(fā) 明同樣適用于數(shù)字音樂(lè)、視頻等多媒體的數(shù)字水印處理。 實(shí)施例2:
與實(shí)施例1不同之處在于，
水印嵌入方法的步驟5中，計(jì)算特征序列s的方法。每個(gè)8x8圖像子塊的直 流分量構(gòu)成一個(gè)向量，該向量與水印過(guò)程無(wú)關(guān)。本實(shí)施例采用該向量的平均值， 記為COO，構(gòu)建特征序列s 。具體地，特征序列s取為
同時(shí)，水印檢測(cè)方法的步驟4中，計(jì)算特征序列s'的方法，也做相應(yīng)的修改。 實(shí)施例3:
與實(shí)施例1不同之處在于，
從載體信號(hào)中剔除沿水印嵌入方向的分量，可得到與水印嵌入過(guò)程無(wú)關(guān)的向 量v。對(duì)于、，/ = 1山，戶，可確定"=、—^""/"、。本實(shí)施例采用每個(gè)子向
量、的平均值的絕對(duì)值構(gòu)建特征序列s 。具體地，特征序列f的第J'個(gè)子向量"取 為
水印嵌入方法的步驟5中，計(jì)算特征序列*的方法。本實(shí)施例采用載體信號(hào) 每個(gè)子向量的標(biāo)準(zhǔn)偏差構(gòu)建特征序列s 。設(shè)函數(shù)Var"表示向量的方差操作子。
具體地，特征序列s的第_/個(gè)子向量j ,.取為
水印嵌入方法的步驟7中，本實(shí)施例在得到嵌入水印后的信號(hào)^(后，對(duì)其使 用下面的補(bǔ)償方案，使得特征序列的產(chǎn)生在水印嵌入前后盡量保持不變，同時(shí)不 影響水印檢測(cè)器的性能。取向量"a^wh/w711 ， _/ = l，L,/7，并把^改為
力+ or, + 6" , y = l，L ,;
選擇^.使Var(,^-l成立。顯然，增加的補(bǔ)償向量^"不會(huì)影響水印檢測(cè)。
同時(shí)，水印檢測(cè)方法的步驟4中，計(jì)算特征序列s'的方法，也做相應(yīng)的修改。
本發(fā)明可以用其它具體形式來(lái)實(shí)施，而不脫離其精神或本質(zhì)特征。所描述的 實(shí)施例在所有方面都被認(rèn)為僅是說(shuō)明性的而非限制性的，例如
1) 載體信號(hào)類型不限于圖像、音頻以及^L頻等；
2) 嵌入域不限于DCT域、Fourier變換域、空間域以及小波域等；
3) 特征序列的設(shè)計(jì)不限于使用平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及各種范數(shù)等函數(shù)；4 )各種參數(shù)的選擇等。 因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)而非上迷描述來(lái)指示。落入權(quán)利要求的等 效技術(shù)方案的意義和范圍中的所有變化都包含在其范圍之中。
權(quán)利要求
1. 一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，水印嵌入方法是構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅值縮放變換具有不變性的信號(hào)并在其上應(yīng)用STDM嵌入水印信息，水印檢測(cè)方法是利用STDM水印檢測(cè)器從一個(gè)與水印嵌入采用相同方法構(gòu)造的信號(hào)上提取水印信息，其特征在于，水印嵌入方法和水印檢測(cè)方法都包括一個(gè)對(duì)幅值縮放變換具有不變性的信號(hào)構(gòu)造步驟。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在 于構(gòu)造一個(gè)對(duì)幅值縮放變換具有不變性的信號(hào)采用的方法是將栽體信號(hào)a: 與一個(gè)特征序列*的元素對(duì)應(yīng)相除，特征序列*滿足如下的性質(zhì)當(dāng)載體信號(hào) 的幅值被縮放時(shí)，*隨之一起被縮放相同的倍數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在 于使用STDM方法操作構(gòu)造的信號(hào)嵌入水印信息，然后將得到的信號(hào)與特 征序列s的對(duì)應(yīng)元素相乘，得到嵌入水印的載體信號(hào)y 。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在于 水印檢測(cè)的方法是使用與水印嵌入相同的信號(hào)提取方法從一個(gè)可能失真的內(nèi)容 中提取載體信號(hào)Z和特征序列尸，然后將二者的對(duì)應(yīng)元素相除，并使用STDM檢 測(cè)器從得到的信號(hào)中提取水印信息。
5. 如權(quán)利要求2所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在于 使用要嵌入水印的數(shù)據(jù)內(nèi)容、載體信號(hào)^或它們子向量的某種統(tǒng)計(jì)量，例如平均 值、標(biāo)準(zhǔn)偏差值、Minkowski范數(shù)值等組成一個(gè)與載體信號(hào)等長(zhǎng)的序列，設(shè)計(jì)特 征序列*的方法是使其與前述序列成正比例。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在于 為避免特征序列受水印嵌入操作的影響，應(yīng)當(dāng)選擇與水印嵌入過(guò)程無(wú)關(guān)的信息來(lái) 構(gòu)造特征序列。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在于 當(dāng)利用載體信號(hào)的信息生成特征序列時(shí)，應(yīng)剔除栽體信號(hào)在水印嵌入方向上的分量。
8. 如權(quán)利要求5所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在 于當(dāng)采用與水印嵌入過(guò)程相關(guān)的信息來(lái)構(gòu)造特征序列時(shí)，用下面的補(bǔ)償方 法能提高水印的性能。選擇若干個(gè)與水印嵌入方向正交的隨機(jī)向量，并調(diào)節(jié) 載體信號(hào)在每個(gè)選擇的隨機(jī)向量上的投影信息，使得特征序列的產(chǎn)生在水印 嵌入前后盡量保持不變，同時(shí)不影響水印檢測(cè)器的性能。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制水印方法，其特征在 于當(dāng)采用載體信號(hào)子向量的平均值構(gòu)造特征序列時(shí)，為提升水印的性能， 須將相應(yīng)的擴(kuò)展向量的平均值化為零。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制(STDMspread transform dither modulation)水印方法，屬于數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域。STDM水印兼有量化索引調(diào)制(QIMquantization index modulation)水印和擴(kuò)頻(SSspread spectrum)通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，不僅水印容量大，而且魯棒性高，但是，其缺點(diǎn)是對(duì)幅值縮放攻擊非常敏感。本發(fā)明構(gòu)造了一種對(duì)縮放具有不變性的信號(hào)用于量化，其方法是從原始的內(nèi)容中提取一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征序列，該特征序列具有與原始數(shù)據(jù)一起以相同的比例因子縮放的特性，然后將載體信號(hào)與引入的特征序列對(duì)應(yīng)相除得到一個(gè)對(duì)幅值縮放具有不變性的信號(hào)。水印嵌入和檢測(cè)操作都是在新構(gòu)造的信號(hào)上進(jìn)行。采用本發(fā)明所述的方法，大大增強(qiáng)了STDM水印對(duì)幅值縮放攻擊的魯棒性，同時(shí)在其他方面獲得了與原始STDM水印相近的水印性能。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101452563SQ200810124018
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者朱新山 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)