專利名稱：基于相移干涉術和奇異值分解的數字水印嵌入和檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于相移干涉術和奇異值分解的數字水印嵌入和檢測方法，屬于信息安全技術領域。
背景技術：
隨著信息科學和網絡技術的飛速發(fā)展，數字多媒體信息交流達到前所未有的深度和廣度。隨之而來的信息安全和知識產權保護和認證問題也日益突出，對數字產品的版權保護迫在眉睫。數字水印技術是近年來出現的數字產品版權保護和數據安全維護的技術，是當前國際學術界的研究熱點。目前，針對圖像數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空間上疊加水印信息，這類算法的優(yōu)點是算法簡單、速度快、易實現、嵌入容量大，缺點是缺乏對普通圖像處理操作的魯棒性。變換域水印算法是先對圖像進行某種可逆的數學變換，然后通過對變換域的系數進行修改，達到嵌入水印信息的目的?，F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)等變換的數字水印方案對于圖像壓縮、圖像濾波以及噪聲等攻擊都具有較好的魯棒性，但針對裁剪攻擊和幾何攻擊的魯棒性仍需進一步提高。近年來，光學全息圖像本身憑借其不可撕毀的特性，在數字水印方案中得到了廣泛關注，并有效解決了現有一般數字水印技術中不能很好抵抗裁剪攻擊的問題。奇異值分解(SVD)是一種將矩陣對角化的數值算法。圖像矩陣的奇異值表征了圖像的內在特性，具有非常好的穩(wěn)定性，即當圖像被施加微小的擾動(如加噪、濾波、壓縮、縮放等)時，其奇異值不會有較大的變化，而且奇異值具有轉置、旋轉、位移、鏡像變換不變性等，這些特性使得它在數字水印方面應用廣泛。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有數字水印嵌入和檢測技術的不足，提供一種基于相移干涉和奇異值分解的數字水印方法，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，具有較強的魯棒性。本發(fā)明的基于相移干涉術和奇異值分解的數字水印嵌入和檢測方法，包括水印嵌入和水印檢測兩個過程( I)水印的嵌入過程A.將數字水印圖像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隨機相位板G1，將波長為λ的單色平面波垂直照射到輸入平面上，計算數字水印圖像O和第一個隨機相位板G1的復振幅透過率的乘積，然后對該乘積進行距離參數為Cl1的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復振幅場U2,該復振幅場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隨機相位板G2，復振幅場U2乘以第二個隨機相位板62的復振幅透過率得到一乘積，對該乘積作一次距離為d2的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復振幅場U (即物波場)，該復振幅場U所在的平面稱為記錄平面，在該記錄平面上，通過后續(xù)的標準三步相移干涉術來記錄攜帶數字水印信息的復振幅場U ；C.采用標準三步相移干涉術，通過與引入的參考光干涉，得到三幅含有隱藏信息和相位板調制后的干涉圖I2和I3 ;三次干涉時，參考光的相位分別為O, 31 /2和31 ；D.對彩色宿主圖像H的R、G、B三個分量進行奇異值分解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(可通過網絡或其它方式)，同時參數Gydpd2和λ以及奇異值分解過程中生成的新的彩色圖像K作為密鑰也一同傳遞；(2)水印的檢測過程a.通過奇異值分解從含水印的圖像H’中提取I” I2和I3 ；b.由標準三步相移公式恢復出記錄平面加密后的復振幅場U ;c.作距離為d2的逆菲涅爾衍射變換；d.得出的復振幅乘以第二個隨機相位板G2的復振幅透過率，作另一個距離為Cl1的逆菲涅爾衍射變換；e.提取衍射復振幅場的實振幅部分，即可得到水印圖像。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)將相移數字全息與奇異值分解技術相結合，構造出一種新的變換域數字水印方法，與以往數字水印方法相比，其不可見性和魯棒性均有顯著的提高；(2)將相移數字全息技術引入數字水印方法中，使得其抵抗剪切攻擊的能力大大提高；
(3)將奇異值分解技術引入數字水印方法中，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，具有較強的魯棒性；(4)由于在水印加密過程中，將虛擬光路的幾何結構參數和光學參數作為密鑰，從而設計出了多重密鑰，水印算法具有很好的安全性。


圖I是基于雙隨機相位編碼和三步相移干涉術的信息加/解密原理示意圖。圖2是基于相移干涉術和奇異值分解的數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(嵌入的權重因子為O. I)后的圖像。圖4是在旋轉攻擊(逆時針旋轉)下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗圖表。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曲線圖。圖7是在裁剪攻擊下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗圖表。圖8a是經中值濾波后的含水印圖像，圖8b是相應提取的水印圖像，CC=O. 7754。圖9a是經高斯濾波后的含水印圖像，圖9b是相應提取的水印圖像，CC=O. 9336。圖IOa是經均值濾波后的含水印圖像，圖IOb是相應提取的水印圖像，CC=O. 5489。圖Ila是經拉普拉斯濾波后的含水印圖像，圖Ilb是相應提取的水印圖像，CC=O. 8702。圖12a是經sobel銳化后的含水印圖像，圖12b是相應提取的水印圖像，CC=O. 8371。圖13是在對比度和亮度調整下本發(fā)明方法的魯棒性檢驗圖表。圖14a是經直方圖均衡化后的含水印圖像，圖14b是相應提取的水印圖像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，三個平面選取的坐標分別為(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為兩個隨機相位板，其復振幅透過率可以分別表示為exp[i2 η P1 (x1； Y1)]和exp[i2 π P2 (x2, y2)]，其中P1和P2是兩個隨機分布在[O, I]之間的白噪聲。PSNR為峰值信噪比，CC為相關系數。
具體實施例方式圖I是基于雙隨機相位編碼和相移干涉術的水印加/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，三個平面選取的坐標分別為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為兩個隨機相位板，其復振幅透過率可以分別表示為exp[i2 JiP1 (χ1)Υι)]和exp [i2 Ji P2 (x2，y2)]，其中PjP P2是兩個隨機分布在
之間的白噪聲。假定虛擬光學系統中所涉及的衍射都滿足菲涅爾近似條件。在水印嵌入過程中，可以將虛擬光波的波長λ，輸入平面、變換平面和記錄平面之間的距離屯、d2，隨機相位板的復振幅透過率作為水印密鑰，從而設計出多重密鑰，提高數字水印的安全性。當一個波長為λ的單色平面波照射輸入平面，在菲涅爾近似的條件下，變換平面的復振幅場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。為表述簡便起見，把上式寫成
U2(X2, V2) = FrTdi {()(Xl F1) exp[/2^(.τ,, jt)]}(2)其中表示對Cl1的菲涅爾變換。因此，記錄平面的復振幅場U也可以表示為
U(x,y) 二 Fffd2 \u2(x2,)€χρ[ 2πΡζ(χ2, Y2)]}O)通過使用分束器BS，引入參考光波一相位為δη的平面波。參考光波與物光波在CCD表面干涉，得到的光強分布為
/,,(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的實振幅和相位，\為參考光的實振幅，它可預設為一個正常數；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。采用標準三步相移干涉術，通過與引入的參考光(三次干涉時，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制后的干涉圖I1, I2和I3，系統的幾何參數和光學參數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字水印流程圖。在將經過加密后的水印圖像嵌入原始圖像過程中，首先對原始圖像H的R、G、B分量進行奇異值分解，得到兩個正交矩陣Um、Vm&—個對角矩陣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，對新的矩陣Sm+a Im再進行奇異值分解，得到 um’、sm’ 和乂/。Sm+a Im=Um’*Sm’*Vm’T (m 分別為 R、G、B)(6)其中a為權重因子(a>0)以調節(jié)水印的疊加強度。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作為保留參數與密鑰一同傳輸。接收方得到所有密鑰后，可以通過以下步驟重建物面上的原圖像I)對接收到的圖像H'的RGB分量分別做奇異值分解SVDO=Uffm*Sffm*WmT (m=R, G, B)(9)2)對密鑰K的RGB分量Km分別進行奇異值分解SVD (Km) =UKm*SKm*VKmT (m=R, G, B)(10)3)按下面的公式進行提取In= (UKm*SWm*VKmT_SKm) / a (η = 1,2,3 分別與 m=R, G, B 相對應)(11)4)由標準三步相移公式恢復出記錄平面加密后的復振幅場U，
(Hx,V) = -^7U1 —h +辱/廠 I1 ^Z3)](12)
44.5)通過兩次逆菲涅爾變換恢復出原輸入平面上的復振幅場
仍X1，,F1) : IIYfdi [IFrTh [ll(x,_r)]exP[-/2,/辦7'.r:)] J(I 6)提取O’的實振幅，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和奇異值分解的方法來實現水印的嵌入和提取，其應用程序采用的是Matlab2009a。為了驗證所述算法在常見圖像處理攻擊下的魯棒性，對含水印圖像進行了大量的測試并給出了魯棒性測試結果，共8個方面圖像旋轉、添加噪聲(3種)、有損壓縮、圖像裁剪、濾波(4種)、銳化、對比度調整和直方圖均衡化。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)和相關系數(CC)作為評價標準參數，下面分別給出其定義。I)峰值信噪比(PSNR)
權利要求
1. 一種基于相移干涉術和奇異值分解的數字水印嵌入和檢測方法，包括水印嵌入和水印檢測兩個過程，其特征在于是 (1)水印的嵌入過程 A.將數字水印圖像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隨機相位板G1，將波長為λ的單色平面波垂直照射到輸入平面上，計算數字水印圖像O和第一個隨機相位板G1的復振幅透過率的乘積，然后對該乘積進行距離參數為Cl1的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復振幅場U2,該復振幅場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隨機相位板G2,復振幅場U2乘以第二個隨機相位板G2的復振幅透過率得到一乘積，對該乘積作一次距離為d2的離散菲涅爾衍射變換DFD，得到復振幅場U，該復振幅場U所在的平面稱為記錄平面，在該記錄平面上，通過后續(xù)的標準三步相移干涉術來記錄攜帶數字水印信息的復振幅場U ； C.采用標準三步相移干涉術，通過與引入的參考光干涉，得到三幅含有隱藏信息和相位板調制后的干涉圖I2和I3 ;三次干涉時，參考光的相位分別為O, 31 /2和31 ； D.對彩色宿主圖像H的R、G、B三個分量進行奇異值分解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，同時參數G2Wpd2和λ以及奇異值分解過程中生成的新的彩色圖像K作為密鑰也一同傳遞； (2)水印的檢測過程 a.通過奇異值分解從含水印的圖像H’中提取IpI2和I3 ； b.由標準三步相移公式恢復出記錄平面加密后的復振幅場U; c.作距離為d2的逆菲涅爾衍射變換； d.得出的復振幅乘以第二個隨機相位板G2的復振幅透過率，作另一個距離為Cl1的逆菲涅爾衍射變換； e.提取衍射復振幅場的實振幅部分，即可得到水印圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相移干涉術和奇異值分解的數字水印嵌入和檢測方法，包括水印嵌入和水印檢測兩個過程，嵌入方法包括菲涅耳域的雙隨機相位編碼和相移干涉術實現水印信息的加密，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，經過菲涅爾域的雙隨機相位解碼和相移干涉術進行解密得到灰度水印圖像。本發(fā)明與以往數字水印方法相比，其不可見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，具有較強的魯棒性；具有很好的安全性。
文檔編號G06T1/00GK102938134SQ20121047384
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權日2012年11月20日
發(fā)明者孟祥鋒, 范德勝, 王玉榮 申請人:山東大學