CN101093575A - 一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，属于信息安全和多媒体信号处理领域。水印信息经Walsh码调制后，保证了不同所有者的版权信息有很好的正交性，同时Walsh码序列作为密钥由所有者所有。本发明分为并行嵌入和并行检测两部分。并行嵌入部分主要包含对不同所有者的版权信息(水印)的Walsh码调制，调制水印信息并行嵌入载体图像；并行检测部分主要包含基于相关的并行盲检测，检测后水印信息的解调。Walsh码的正交性使得系统具有很好的盲相关检测特性，具有很好的抗加性噪声，滤波，剪切及JPEG的攻击能力，盲检测的使用也使得该方法有很好的实用性。

Description

一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法

技术领域

本发明涉及到多著作权的认证问题，同时采用了通信理论中的Walsh码来保证多重水印信息间的正交性，所有者并行实现水印的嵌入和检测且彼此独立，属于信息安全和多媒体信号处理领域。

背景技术

数字水印技术自1993年提出以来一直受到国内外的普遍关注，近年来，随着数字通信技术，计算机网络技术和信息压缩编码技术的发展，由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题，而数字水印技术作为信息隐藏的一个重要分支，它在数字产品知识产权保护方面取得了卓越的成就。

数字水印的特性包含不可见性、鲁棒性、可证明性、自恢复性、安全保密性。鲁棒性对于版权保护有着重要作用，是数字水印的重要指标，鲁棒性要求水印在经受了几何、物理、有意或无意攻击之后依然可以将水印提取或是证明水印的存在，目前很多的水印算法都在为提高鲁棒性而努力。同时随着数字水印技术在数字产品应用中的不断深入，出现了多种不同功能的数字水印(如脆弱性水印和鲁棒性水印)，由于它们具有不同功能且在不同阶段显示出来，所以产生了将多种水印嵌入到同一个数字产品中的设计，这也就是多重数字水印。多重数字水印技术是用来解决多著作权问题和数字产品在发布、销售及使用等不同阶段的版权认证问题。与单水印相比多个水印信号在嵌入和检测时应互不干扰，水印信号的不可见性和鲁棒性的均衡问题更加复杂。

多重数字水印从嵌入算法角度可分为静态多重数字水印和动态多重数字水印，其中前者在水印嵌入前已经明确知道所嵌入的水印个数，后者是所有者数量是动态的，相应的在嵌入前无法确切的知道水印的个数。多重数字水印的嵌入算法与单水印一样包括空域和变换域。空域算法对载体图像影响小，算法简单，嵌入信息量大，但是它的不足是抵抗图像几何变形、噪声、抗压缩能力较差，具有代表性的有LSB，Patchwork等算法。变换域算法中常用的有DFT、DCT、DWT，变换域算法具有较好的鲁棒性，抵抗信号处理和攻击能力强，但是与空域算法相比此类算法的缺点是嵌入的信息量小，运算量大。

随着信息网络技术的发展，数字水印经过十几年的发展在某些领域已经有很好的成效，并且很多商家和研究人员也在致力于这方面的研究，但是多重水印还是一个较新的领域，很多理论还不成熟，国内外很多学者也正致力于该领域研究，目前在多重水印算法研究中DWT域成为研究的热点，且在DWT域的多重水印的研究主要包括：

(1)在不同子带嵌入同一水印，在检测时只要检测到任一子带中的水印即判断水印的存在；该方法嵌水印容量小，造成容量的浪费，且无法实现盲检测；

(2)零水印信息嵌入：由原始图像和原始水印共同加载生成一个新的水印，实质是新水印的生成而并未在载体图像中嵌入水印；不具有很好的实用性和可行性；

(3)基于扩频的数字水印方法；该方法具有较好的鲁棒性，但是由于扩频的加入使得实际嵌入的水印信息较小，而且图像的不可见性下降。

本发明是针对现有上述的不足和单水印无法满足多用户的多种需要，在水印检测时原始载体参与(明检测)的不实用性等缺点，基于通信理论中Walsh码的应用和信号处理领域中的相关检测理论，提出了在变换域内一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，同时变换域算法还和现有的国际图像压缩标准兼容，可直接实现压缩域内的算法。

Walsh函数广泛应用于通信、雷达、图像处理、语音识别等领域。Walsh码是一种正交码，具有良好的同步正交性。Walsh码是通过哈达马矩阵的行或列映射构成，码的种类等于码的长度。函数的每一行均代表一个Walsh码序列。用w(0)表示Walsh序列0，即哈达马矩阵的第一行，w(k)表示Walsh序列k，即哈达马矩阵的第k+1行。N阶Walsh函数(N＝2ⁿ，n＝0，1，2.....)对应于Walsh序列w(0)，w(1)，……w(N-1)，每个Walsh序列的长度均为N。Walsh码具有理想的同步正交性能，即在完全同步时自相关函数R＝1，各码之间完全正交，此时互相关值R＝0。

一般而言，有原始图像参与的水印检测(明检测)算法具有较强的鲁棒性，因为它可以有效的去除各种噪声信号的干扰，消除图像和信号间的相关性，从而使检测更加可靠和准确，但是从实用角度考虑对原始图像的传输，保存等环节增加了许多的不变，因此较为实用的水印方案都在寻求不需原始图像的水印检测算法(盲检测)。本发明采用了基于相关的盲检测算法，使得发明具有很好的实用性。

发明内容

本发明涉及一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法。为保证N级多重水印间的正交性采用通信理论中的Walsh码进行调制和解调，并且在检测端采用基于相关的盲检测，根据本发明的各个方面，此技术包含水印的并行嵌入和并行检测两部分。

其中的并行嵌入部分包括多个原始水印信息的Walsh码调制，图像的离散小波变换，调制后多重水印并行嵌入，离散小波的反变换得到含多重鲁棒数字水印的图像。并行检测部分包括N级调制水印的并行相关检测，Walsh码解调，恢复所有N级水印。检测的结果能明确的告知是否为确定的所有者并且检测可以独立进行。

为了解决现有技术中多著作权的认证问题，本发明是通过以下技术方案实现的，其步骤为：

并行嵌入部分：

a)原始图像进行L级离散小波变换，得到变换后的小波系数矩阵X；

b)对于N级水印信息进行Walsh码调制，得到调制后水印信息，同时调制的Walsh码序列作为密钥由相应所有者所有；

c)在选取的不同小波子带系数位置上将系数按照X′＝X+aW，加性法则并行嵌入调制后的水印信息；

e)将(c)中修改后的小波系数矩阵进行离散小波反变换得到含多重鲁棒数字水印的图像。

并行检测部分：

a)对接收到含多重鲁棒数字水印图像进行L级小波分解，得到变换后的小波系数矩阵Y；

b)对含有水印的不同小波子带系数和N个调制的版权所有者信息(调制水印)进行并行相关检测；

c)将检测后的信息依据密钥进行解调，得到原始嵌入的N级版权所有者信息(水印)。

上面步骤主要描述了该技术包含的并行嵌入和并行检测两部分，嵌入时所有的所有者信息可以并行同时嵌入，同时由于水印信息已经由Walsh码序列进行了调制，所以每个Walsh码序列的选择则作为密钥由所有者所有，在检测时并行检测。不同所有者可以独立检测，然后由所有者依据自己的密钥来恢复原始水印信息。该发明具有很好的安全性，在伪所有者提供虚假水印信息时无法正确获得水印，即使得到了原始的水印信息由于没有正确的密钥信息也无法最终获取正确的水印信息。

本发明克服了现有技术中的不足，实现了检测时不需要原始图像的盲检测，同时针对现有版权保护认证中单一水印不能满足多用户的需要，实现了嵌入和检测并行，相关检测技术有效的实现了版权所有者的独立认证，为不同所有者的验证提供了很好的独立性。

本发明为了使水印在压缩域内同样有很好的鲁棒性，并且满足人眼视觉特性使得含水印图像具有很好的不可见性，选择在小波域内嵌入，在水印嵌入位置的选择时基于小波变换的特点：

a)图像的离散小波变换相当于对图像数据的行和列做一维小波变换；

b)小波变换的结果就是原始信号在一系列倍频程划分的频带上的多个高频子带数据和一个低频子带数据；

c)每一次小波分解都是对上第一级小波分解的低频子带的垂直，水平和对角分解；

d)具有多分辨分解特点和良好的空间方向选择性。

本发明采用在不同小波子带中同时嵌入多重水印，并且调整彼此的嵌入强度以达到鲁棒性和不可见性的折中。

本发明的优点在于Walsh码序列的使用，对N级水印进行调制，使得N级水印相互正交，在嵌入时互不干扰，实现了并行同时嵌入，这也是目前多重水印研究中的重点，同时在检测时由于水印信息的完好正交性采用相关检测时取得了很好的检测效果，并且在检测时没有原始图像的参与实现了脱离原始图像的盲检测，表明本发明具有很好的实用性。

附图说明

图1—基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法的框图；

图2—三阶离散小波变换系数矩阵模型图；

图3(a)—Lena 256×256原图；

图3(b)—含三重水印图像；

图3(c)—三个原始二值水印图像；

图4—噪声强度为10％时检测到的水印；

图5—高斯滤波检测到的水印；

图6—规则剪切1/2后含水印图像；

图7—规则剪切1/2时检测到的水印。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法主要包括并行嵌入和并行检测两部分，选用测试图像Lena.bmp，大小为256×256。水印信息为二值图像。

附图3(a)是Lena测试原图；附图3(b)是含三重水印图像；附图3(c)是三个原始二值水印图像。

原始图像进行三级小波分解如附图2所示(依据嵌入信息量的大小，图像的大小选择合适的分级数)，依据附图1所示的系统框图，具体实施如下：

1.原始图像进行三级小波分解，得到小波变换矩阵X；

2.取三个原始二值水印图像，降为一维S，与相应的Walsh码C异或得到调制后的水印W；

3.在小波变换矩阵的LH3、HL3、HH3子带中依据X’＝X+aW并行嵌入三级水印；

4.离散小波反变换得到含三重鲁棒数字水印图像；

5.将得到的含三重鲁棒数字水印图像做相同的小波变换；

6.依据下式并行检测水印

$q=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(i\right)}{V_y\sqrt{n}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(i\right)/n}{V_y\sqrt{n}/n}=\frac{M_y\sqrt{n}}{V_y}$

其中Y(i)＝X(i)*W(i)，W(i)是W_n中的任意一个，M_y是Y(i)的平均值，V_y是Y(i)的样本方差，每次由三个调制后的水印信息和小波矩阵系数进行q值计算，然后选定q值最大的那个为检测到的水印信息；

7.由步骤6得到的调制水印解调恢复原始三级水印。

我们用最小均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)来衡量恢复的嵌水印图像与原始图像的差别。设图像的大小为[M，N]，原始图像象素值为X(i，j)，嵌水印的图像的象素值为Y(i，j)则

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{\mathrm{MM}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X(i,j)-Y(i,j))}^2$ $\mathrm{PSNR}\left(\mathrm{dB}\right)=10\log \left(\frac{L_{\max }^2}{\mathrm{MSE}}\right)$

其中L_max ²是最大亮度电平，PSNR值越大表明两图像差异越小，对于水印信息可以用相似度η来判别是否存在。

$\mathrm{\η}(w,w^{*})=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(w_i*w_i^{*})/\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i\right)}^2$

原始水印信息w，提取的水印信息w^*，依据选取的阈值T，若η大于阈值T时即可证明水印是存在的。

下面我们通过具体实验来判断该数字水印方法的抗几何攻击能力的鲁棒性。

(1)抗加性高斯噪声性能

表1是水印抗高斯噪声干扰时的检测数据：(NC表示相似度)

噪声强度(％)	1	5	10	15	15	60
							PSNR(dB	20.2178	13.8496	11.5607	9.6214	7.8472	7.5708
NC1	1	1	1	1	1	0.5033
							NC2	1	1	1	1	0.4984	0.4955
NC3	1	1	1	0.4984	0.4995	0.4984

从表中我们可以看出在噪声强度较小时三个水印均可以被检测出来，随着噪声强度的增加水印的检测难度增加，虚警漏警概率增加，发生错判或是误判的几率增加，以致有些水印已无法检测到，但是本发明与其它算法相比具有很好的抗噪性能。附图4为噪声强度为10％时检测到的水印。

(2)抗滤波性能

A.抗高斯滤波特性

表2是水印抗高斯滤波干扰时的检测数据：

B.抗均值滤波特性

表3是水印抗均值滤波干扰时的检测数据：

	[3 3]	[5 5]	[10 10]	[20 20]
					Average	均可	1，2可以，3不行	1，2可以，3不行	均不可以

由仿真结果我们可以看出本发明对于高斯滤波有较很好的抗攻击特性，在窗长为[20 20]时依然可以将三个水印完全检测成功。对于均值滤波，在窗长较小时可以检测成功，当窗长大于5之后发生误判的概率增加，在窗长为20时已经无法判断。附图5表示了高斯滤波窗长为[3 3]，方差为0.5时检测到的水印。

(3)抗剪切性能

我们考察剪切性能，由于剪切后图像的剪切部位的像素值将变为0或者255，因此会给水印检测带来困难：

表4是水印抗剪切干扰时的检测数据：(NC表示相似度)

	1/16	1/8	1/4	1/2	1
						PSNR(dB)	20.3565	17.4849	13.9730	11.7450	21.8011
NC1	1	1	1	1	0.5011
						NC2	1	1	1	1	0.5049
NC3	1	1	1	0.4973	0.4984

从结果中我们可以看出来本发明对于剪切有很好的抗攻击能力，在剪切比例为1/2时除了高频部分外其它均可以检测成功，相比其它算法而言有很好的抗剪切鲁棒性。附图6表示了规则剪切1/2的图像；附图7表示了规则剪切1/2检测到的水印。

Claims (7)

1.一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，其特征在于：水印的并行嵌入和基于相关的并行盲检测。

2.如权利要求1所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，其特征在于：其中的并行嵌入部分包括多个原始水印信息的Walsh码调制，图像的离散小波变换，调制水印的并行嵌入，图像离散小波的反变换得到含多重鲁棒数字水印的图像。

3.如权利要求1所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，其特征在于：其中的并行检测部分包括含多重鲁棒数字水印图像的离散小波变换，N级调制水印的并行相关检测，Walsh码解调，恢复所有N级水印。

4.如权利要求2所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，其特征在于：其并行嵌入部分包括以下步骤：

a)原始图像进行L级离散小波变换，得到变换后的小波系数矩阵X；

b)对于N级水印信息进行Walsh码调制，得到调制后水印信息，同时调制的Walsh码序列作为密钥由相应所有者所有；

c)在选取的不同小波子带系数位置上将系数按照X’＝X+aW₁，加性法则并行嵌入调制后的水印信息；

e)将(c)中修改后的小波系数矩阵进行离散小波反变换得到含多重鲁棒数字水印的图像。

5.如权利要求3所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，其特征在于：其并行检测部分包括以下步骤：

a)对接收的含多重鲁棒数字水印图像进行L级小波分解，得到变换后的小波系数矩阵Y；

b)对含有水印的不同小波子带系数和N个调制的版权所有者信息(调制水印)进行并行相关检测；

c)将检测后的信息依据密钥进行解调，得到原始嵌入的N级版权所有者信息(水印)。

6.如权利要求1所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，为了保证不同所有者信息(水印)间具有很好的正交性，采用包含Walsh在内的保证正交的任何一种码子。

7.如权利要求1所述的一种基于多著作权认证的并行多重鲁棒数字水印方法，为了增加系统的安全性对原始水印信息进行预处理，包括置乱，混沌序列异或；原始图像置乱，打乱嵌入位置；及采用扩频方法增强鲁棒性。

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