CN100565574C

CN100565574C - 嵌入和检测水印的方法和系统

Info

Publication number: CN100565574C
Application number: CNB2005101161567A
Authority: CN
Inventors: 王迟
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: CN1956004A

Abstract

本发明提供一种将水印嵌入图像的方法和系统以及从图像检测水印的方法和系统。所述将水印嵌入图像的方法包括以下步骤：从所述图像提取水印向量；将所述水印嵌入提取的水印向量；从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像。所述从图像检测水印的方法包括以下步骤：读取图像；从读取的图像提取水印向量；计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式之间的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；以及如所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印。

Description

嵌入和检测水印的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种向图像中嵌入水印的方法和系统以及一种从扫描后的图像中检测水印的方法和系统，具体涉及适用于打印文档的基于Radon变换的数字水印嵌入和检测的方法和系统。

背景技术

现代数字水印方面的研究大多集中在提高算法对一般性图像处理(如图像压缩，过滤等)方面的鲁棒性。这些算法只适用于当文件只以数字形式进行传播的时候。当数字图像被打印并扫描，这些算法就很难从扫描后的图像中检测出水印来。

为了从扫描后的图像中检测出嵌入的水印，所使用的数字水印算法应对以下条件具有很好的鲁棒性：

●由扫描和打印过程所带来的噪音

●由扫描和打印过程中所引起的几何变形(如旋转、放大等)

●原始图像与扫描后图像在像素值上的差异

另外，一般数字图像采集工具(数码相机、扫描仪等)的感光器件的响应范围也是有限的，这也会影响到水印的检测。

由于大部分水印算法对噪音都有较好的鲁棒性，因此在此不再对这个问题进行讨论。

在图像的频域中进行水印的嵌入是解决图像缩放问题的一般解决方法，在此也使用相同的办法。

大多数数字水印算法在图像被旋转任意角度后都不能正确检测到水印。已经有很多研究人员开始研究这个问题了。一种被提出的方法是在检测水印前对被旋转的图像进行逆向旋转，从而达到去除旋转对图像影响的目的。具体的实现方法是在嵌入水印同时嵌入配准水印(Registration Pattern)(S.Pereire，T，Pun)。这种方法的缺点在于它需要让水印承载大量的数据而且还要使用公用的配准水印，这就大大地减低了图像的保真度及算法的安全性。另一种方法(美国专利No.6,282,300)在对图像进行Fourier-Mellin变换后嵌入水印，在检测的时候使用遍历的方法对水印进行检测。这种方法的缺点在于现在还没有对Fourier-Mellin变换直接进行计算的方法。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种数字水印的嵌入方法和系统，使得嵌入的水印可以从经过打印扫描过程后的图像中被正确检测出来。

本发明的另一个目的在于提供一种从扫描后的图像中检测水印的方法和系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种将水印嵌入图像的方法，包括以下步骤：从所述图像提取水印向量；将所述水印嵌入提取的水印向量；从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像，其中从所述图像提取水印向量包括以下步骤：通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量，并且其中将所述水印嵌入提取的水印向量的步骤是通过计算由图像中提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的混合信号来完成的，并且其中从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像包括以下步骤：对嵌入水印后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印的图像的离散余弦变换形式；以及计算反向离散余弦变换从而得到嵌入水印的图像。

本发明还提供一种从图像检测水印的方法，包括以下步骤：读取图像；从读取的图像提取水印向量；计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式之间的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；以及如所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印，其中从所述图像提取水印向量包括以下步骤：通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量。

本发明还提供一种将水印嵌入图像的系统，包括：水印向量提取装置，用于从所述图像提取水印向量；水印嵌入装置，用于将所述水印嵌入提取的水印向量；计算装置，用于从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及图像控制装置，用于限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像，其中水印向量提取装置包括：Radon变换装置，用于通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及离散余弦变换装置，用于将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量，并且其中所述水印嵌入装置通过计算由图像中提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的混合信号，从而将水印嵌入提取的水印向量，并且其中计算装置对嵌入水印后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印的图像的离散余弦变换形式；然后计算反向离散余弦变换从而得到嵌入水印的图像。

本发明还提供一种从图像检测水印的系统，包括：图像读取装置，用于读取图像；水印向量提取装置，用于从读取的图像提取水印向量；相关度计算装置，用于计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式之间的相关度；以及判断装置，用于判断所述相关度是否大于预先设定的阈值，如所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印，其中水印向量提取装置包括：Radon变换装置，用于通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及离散余弦变换装置，用于将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量。

本发明的方法和系统的特别之处在于，当嵌入水印的文件被打印并扫描后，嵌入的水印仍可以被检测出来。通过本发明，可提供对图像旋转及图像缩放有较高鲁棒性的数字图像算法，还可提供可以使嵌入水印后的图像维持高保真度的算法。

附图说明

图1显示了根据本发明从扫描图像中检测水印的基本操作流程。

图2图示说明二维Radon变换。

图3显示了从图像中提取水印向量的流程。

图4显示了惠普8250扫描仪对打印在一般A4复印纸上的不同亮度点的响应曲线。

图5是根据本发明的水印嵌入过程的流程图。

图6是根据本发明的水印检测过程的流程图。

图7说明根据本发明的水印嵌入系统的示意图。

图8说明根据本发明的水印检测系统的示意图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明从扫描图像中检测水印的基本操作流程。如图1所示，将原始文件1转换为图像文件2，将水印(嵌入的信息)3嵌入到图像文件2中(S4)，打印出嵌入水印后的图像文件6(S5)，对打印出的文件6进行扫描(S7)，最后从扫描后的图像文件中检测水印(提取出的信息)9(S8)。

图3显示了从图像中提取水印向量的流程。第一步(S31)是在特定的方向上计算图像的二维Radon变换(参见图2)，从而得到一维向量。例如，在图3中的S31，在0度角方向计算原始图像I的二维Radon变换VR＝Radon(I，0)。第二步(S32)是计算此一维向量DCT(离散余弦变换)变换后的值并用其幅度作为水印向量V＝|DCT(VR)|。如果改变角度，使用上述方法就可以得到对于所改变角度的水印向量。

图2说明二维Radon变换的基本思想。图中的方框代表一幅以原点为中心的图像，x轴和y轴是二维图像的横向和纵向，f(x，y)表示一条从原点出发的旋转角度为α的直线。Randon算法将图像中的各个像素的值垂直投影到直线f(x，y)上，从而可以得到一个一维向量，这个一维向量可以刻画图像在角度α上的属性。当改变f(x，y)的旋转角度α时，即可以得到图像在各个角度上的属性。

图5描述了根据本发明的水印嵌入过程，即图1中的S4。提取出的水印向量在进行改动后与预先设定的水印样式(Watermark Pattern)具有所要求的归一化的相关度，因此可以从改动后的水印向量计算出嵌入水印的图像。

由于嵌入水印后的图像的像素值可能会超出0-255的范围或者是浮点数，需要对其像素值进行取整并将像素值控制在0-255的范围内。在完成这个工作后，最终得到的图像可能不能检测出水印的存在(即从此图像中提取的水印向量与预先设定的水印样式的归一化的相关度低于预先设定的阈值)，在这种情况下，需要循环嵌入水印的过程直到最后得到的图像可以被检测出水印，这也称为验证。

具体来说，在图5所示的水印嵌入过程中，在S51，按照图3所示的方法提取水印向量V；然后在S52将预先设定的水印样式W嵌入水印向量V，得到新的水印向量V′＝Embed(V，W)，这是通过计算由图像中提取的水印向量V与预先设定的水印样式W的混合信号来完成的。而混合信号的计算由以下几个步骤组成：

-将水印向量V及水印样式W映射为一个N维空间中的点向量；

-在此N维空间中找到一个包含水印向量及水印样式的超平面；

-在这个超平面中得到与水印样式点的相关度大于设定阈值的所有点的集合；

-在这个集合中求得一个与水印向量点直线距离最小的点；以及

-用这个点替代水印向量，从而得到新的水印向量V′。

然后在S53，从水印向量V′计算图像I′＝map(V′)，即，对嵌入水印(即水印样式W)后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印后的图像的DCT形式；通过进行反向DCT变换从而得到嵌入水印的图像I′。

如在前面提到的，数字图像采集工具的响应范围是非常有限的。由于不同纸张的白度不同，导致相同的图像打印在不同的纸上并被扫描后，所得到的图像的像素值并不相同。这种现象一般不会影响到水印的检测，但如果所用的扫描仪不能对打印在某种纸上的图案的亮度有好的线性响应，就会严重影响从扫描后的图像中检测水印的效果。图4是惠普8250扫描仪对打印在一般A4复印纸上的不同亮度点的响应曲线，其中，横轴代表原始图像的像素值，纵轴代表经打印扫描后得到图像的像素值，比较直的曲线代表理想状态下的曲线，而另一曲线代表实际状况下的响应曲线。如图4所示，在像素值5-250的范围，可以使用这台扫描仪通过扫描很好地重构数字图像。因此，如果将嵌入水印后的图像的像素值的动态范围限制在5-250，可使水印易于从扫描后的图像中检测出来。

因此，如图5所示，在S53得到嵌入水印的图像I′后，需要对其像素值的动态范围进行限制(S58)。然后验证嵌入水印的图像是否可以被检测出水印。以下说明该验证过程。在S54，从嵌入水印的图像I′提取水印向量V″，在S55判断提取的水印向量V″与预先设定的水印样式W的归一化的相关度Corr(V″，W)是否大于预先设定的阈值T。从嵌入水印的图像得到所述归一化的相关度与水印的检测相关(详见后面描述的图6所示的水印检测过程)，所以所述归一化的相关度也称为检测值。如果所述检测值大于阈值T，表明嵌入水印的图像的像素值范围在预先设定的范围内，验证过程结束，然后就在S56结束水印嵌入过程，从而得到最终的嵌入水印的图像。如果所述检测值不大于阈值T，就返回S52，改动水印向量，例如增加水印样式W的强度，然后重复S52-S55，直到所述检测值大于阈值T。上述阈值T是预先设定的，是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。

如图4所示，通过测试扫描仪对图像的响应曲线，根据经验选择(限制)嵌入水印后的图像的像素值的动态范围，由此确定限制像素值的范围所使用的边界值。也就是说，所述边界值是通过测试扫描仪对图像的响应曲线得到的经验值。

测量扫描仪的响应曲线包括以下步骤：扫描Macbeth色表；对每个色块选择扫描结果较好的部分；对每个选择区域计算其红、绿、蓝通道的平均值；以及对比这些值与Macbeth色表的标准值从而得到其响应曲线。

下面参照图6描述根据本发明的水印的检测过程，即图1中的S8。在检测的时候，使用遍历的方法对从0到180度的每个角度计算其Radon变换的值，提取其水印向量，并与预先设定的水印样式计算归一化的相关度，并检测所得的值是否大于预先设定的阈值，如果大于，就确定图像嵌入了水印并可以得到其被旋转的角度。

具体来说，在图6所示的水印检测过程中，在S61读取图像I，例如通过扫描仪扫描得到图像I，同时设置角度D＝0，然后在S62使用如图3所示的方法从指定角度(或者称为指定方向；开始时，指定角度D＝0)提取水印向量V＝Extract(I，0)。在S63，计算提取的水印向量V与预先设定的水印样式W的归一化的相关度C＝Corr(V，W)。然后，在S64判断该相关度C是否大于预先设定的阈值T。如果所述相关度大于阈值T，就在S67得到结论：图像中嵌入了水印，同时也得到图像被旋转的角度D。如果所述相关度不大于阈值T，就在S65判断是否在0到180度的范围遍历了每个角度，即判断是否D＞180。如果D＞180，就表明在0到180度的范围均未检测到水印，因而在S68得到结论：图像中未嵌入水印；如果D＞180不成立，就在S66将角度D加1，即进行下一个角度的检测，因而进行到S62重复上述过程。

如图6所示的水印检测算法的优点在于：被旋转的图像无需被事先进行逆向旋转来检测水印是否存在；而且Radon变换的计算非常简单并易于用计算机语言实现。

以下参照图7所示的示意图，说明根据本发明的水印嵌入系统，该系统用于将水印嵌入图像。如图7所示，根据本发明的水印嵌入系统包括：水印向量提取装置71，用于从原始图像提取水印向量。该水印向量提取装置进一步包括Radon变换装置和DCT变换装置(图中未显示)，其中Radon变换装置通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；然后DCT变换装置将所述一维信号进行DCT变换，并且将DCT变换值的幅度用作为水印向量。本发明的水印嵌入系统还包括水印嵌入装置72，用于通过计算由图像中提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的混合信号，将所述水印嵌入提取的水印向量；计算装置73，用于从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及图像控制装置74，用于限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像。

在根据本发明的水印嵌入系统中，混合信号的计算如前面参照图5的步骤S52所述来进行。计算装置73对嵌入水印后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印的图像的DCT变换形式；然后计算反向DCT变换从而得到嵌入水印的图像。图像控制装置74按照如图5的步骤S58对图像的动态范围进行限制，并且还对嵌入水印的图像进行验证。参照图7，图像控制装置74的验证功能是由图像控制装置74从嵌入水印的图像提取水印向量；计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的归一化的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；并且在所述相关度大于预先设定的阈值时，图像控制装置74确定得到最终的嵌入水印的图像。而在所述相关度不大于预先设定的阈值时，图像控制装置74通过增加水印样式的强度改变嵌入水印的水印向量，返回水印嵌入装置72再次嵌入水印，然后重复计算装置73和图像控制装置74的上述操作，直到所述相关度大于预先设定的阈值。如上所述，预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值；限制嵌入水印的图像的动态范围所使用的边界值是通过测试扫描仪对图像的响应曲线得到的经验值；而扫描仪对图像的响应曲线的测试如前面参照图4所述来进行。

以下参照图8所示的示意图，说明根据本发明的水印检测系统。如图8所示，根据本发明的水印检测系统包括：图像读取装置81，用于读取图像；水印向量提取装置82，用于从读取的图像提取水印向量；相关度计算装置83，用于计算提取的水印向量与水印样式之间的相关度；以及判断装置84，用于判断所述相关度是否大于预先设定的阈值，如果所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印。

在根据本发明的水印检测系统中，水印向量提取装置还包括Radon变换装置和DCT变换装置(图中未显示)，其中Radon变换装置通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；然后DCT变换装置将所述一维信号进行DCT变换，并且将DCT变换值的幅度用作为水印向量。此外，初始的指定角度设置为0度，并且如果相关度计算装置83计算的所述相关度小于预先设定的阈值，则由判断装置84将指定角度递增1度，返回水印向量提取装置82重新提取水印向量，然后重复相关度计算装置83的计算和判断装置84的判断操作，直到所述相关度大于预先设定的阈值。如果指定角度递增到180度，所述相关度仍然不大于预先设定的阈值，则确定图像中未嵌入水印。

在根据本发明的水印检测系统中，如上所述，预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。

工业应用

本发明可应用于市场上的大部分图像获取设备，特别是本发明还适用于出版物的版权保护。本发明也可应用于其它类似领域。

Claims

1.一种将水印嵌入图像的方法，包括以下步骤：

从所述图像提取水印向量；

将所述水印嵌入提取的水印向量；

从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及

限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像，

其中从所述图像提取水印向量包括以下步骤：

通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及

将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量，

并且其中将所述水印嵌入提取的水印向量的步骤是通过计算由图像中提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的混合信号来完成的，

并且其中从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像包括以下步骤：

对嵌入水印后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印的图像的离散余弦变换形式；以及

计算反向离散余弦变换从而得到嵌入水印的图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中计算混合信号由以下几个步骤组成：

将水印向量及水印样式映射为一个N维空间中的点向量；

在此N维空间中找到一个包含水印向量及水印样式的超平面；

在这个超平面中得到与水印样式点的相关度大于设定阈值的所有点的集合；

在这个集合中求得一个与水印向量点直线距离最小的点；以及

用这个点替代水印向量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的N由水印向量的维数决定。

4.根据权利要求1所述的方法，其中限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像的步骤还包括以下步骤：

从嵌入水印的图像提取水印向量；

计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的归一化的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；以及

在所述相关度大于预先设定的阈值时，确定得到最终的嵌入水印的图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述相关度不大于预先设定的阈值时，通过增加水印样式的强度改变嵌入水印的图像中所提取的水印向量，直到所述相关度大于预先设定的阈值。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中限制嵌入水印的图像的动态范围所使用的边界值是通过测试扫描仪对图像的响应曲线得到的经验值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中测试扫描仪对图像的响应曲线包括以下步骤：

扫描Macbeth色表；

对每个色块选择扫描结果较好的部分；

对每个选择区域计算其红、绿、蓝通道的平均值；以及

对比这些值与Macbeth色表的标准值从而得到其响应曲线。

9.一种从图像检测水印的方法，包括以下步骤：

读取图像；

从读取的图像提取水印向量；

计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式之间的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；以及

如所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印，

其中从所述图像提取水印向量包括以下步骤：

将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，以指定角度提取水印向量，初始的指定角度为0度，并且

如果所述相关度小于预先设定的阈值，则将指定角度递增1度，直到所述相关度大于预先设定的阈值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中如果指定角度递增到180度，所述相关度仍然不大于预先设定的阈值，则确定图像中未嵌入水印。

12.根据权利要求9-11的任何一个所述的方法，其中所述预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。

13.一种将水印嵌入图像的系统，包括：

水印向量提取装置，用于从所述图像提取水印向量；

水印嵌入装置，用于将所述水印嵌入提取的水印向量；

计算装置，用于从嵌入水印的水印向量计算嵌入水印的图像；以及

图像控制装置，用于限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像，

其中水印向量提取装置包括：

Radon变换装置，用于通过计算图像在指定角度上的二维Radon变换得到一维信号；以及

离散余弦变换装置，用于将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量，

并且其中所述水印嵌入装置通过计算由图像中提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的混合信号，从而将水印嵌入提取的水印向量，

并且其中计算装置对嵌入水印后的水印向量进行一对多的映射从而得到嵌入水印的图像的离散余弦变换形式；然后计算反向离散余弦变换从而得到嵌入水印的图像。

14.根据权利要求13所述的系统，其中混合信号的计算如下进行：

将水印向量及水印样式映射为一个N维空间中的点向量；

在此N维空间中找到一个包含水印向量及水印样式的超平面；

用这个点替代水印向量。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述N由水印向量的维数决定。

16.根据权利要求13所述的系统，其中图像控制装置在执行限制嵌入水印的图像的动态范围从而得到最终的图像的过程中：从嵌入水印的图像提取水印向量；计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式的归一化的相关度，并且判断所述相关度是否大于预先设定的阈值；并且在所述相关度大于预先设定的阈值时，确定得到最终的嵌入水印的图像。

17.根据权利要求16所述的系统，其中在所述相关度不大于预先设定的阈值时，通过增加水印样式的强度改变嵌入水印的图像中所提取的水印向量，直到所述相关度大于预先设定的阈值。

18.根据权利要求16或17所述的系统，其中所述预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。

19.根据权利要求13所述的系统，其中限制嵌入水印的图像的动态范围所使用的边界值是通过测试扫描仪对图像的响应曲线得到的经验值。

20.根据权利要求19所述的系统，其中测试扫描仪对图像的响应曲线如下进行：

扫描Macbeth色表；

对每个色块选择扫描结果较好的部分；

对每个选择区域计算其红、绿、蓝通道的平均值；以及

对比这些值与Macbeth色表的标准值从而得到其响应曲线。

21.一种从图像检测水印的系统，包括：

图像读取装置，用于读取图像；

水印向量提取装置，用于从读取的图像提取水印向量；

相关度计算装置，用于计算提取的水印向量与作为水印的预先设定的水印样式之间的相关度；以及

判断装置，用于判断所述相关度是否大于预先设定的阈值，如所述相关度大于预先设定的阈值则确定检测到水印，

其中水印向量提取装置包括：

离散余弦变换装置，用于将所述一维信号离散余弦变换后的值的幅度用作为水印向量。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，以指定角度提取水印向量，初始的指定角度为0度，并且

23.根据权利要求22所述的系统，其中如果指定角度递增到180度，所述相关度仍然不大于预先设定的阈值，则确定图像中未嵌入水印。

24.根据权利要求21-23的任何一个所述的系统，其中所述预先设定的阈值是通过对大量嵌入水印的图像扫描后的所述相关度进行统计得到的经验值。