CN101248453A - 对图像加水印 - Google Patents

Abstract

公开了一种对图像(101)加水印的方法(100)。方法(100)将图像(101)分割成区域。然后，基于各区域的一个或多个统计特征，将各区域特性化。对于各区域，基于区域的特性，选择加水印的方法和要被嵌入到各区域内的比特数。然后，使用为各区域所选择的加水印的方法，将上述数量的比特的数据嵌入到各区域内。还公开了一种对加水印的图像(145)进行解码的方法(105)。

Description

对图像加水印

技术领域

本发明一般涉及对图像加水印，更具体地涉及通过将净荷嵌入到图像内来自适应地对图像加水印。

背景技术

例如图像的媒体的存储和分配被越来越多地以数字格式进行。不幸的是，数字格式也使得这种媒体的拷贝非常简单，由此可制作准确的拷贝，或者使得媒体被改变而不留下该媒体已经被改变的明显的痕迹。因此，存在对保护数字媒体的所有权的机制或检测该媒体是否已经被改变的机制需求。

数字水印是一种针对这个需求提供解决方案的技术。数字水印是数条嵌入到如数字图像的数字数据的信息，其随后可被检测或提取以对该数据作出断言。该信息可采用多种形式。嵌入的信息可以是关于作者、其版权等的文本数据；或者嵌入的信息甚至可以是另外的图像。

数字水印一般以使得该水印以对人类观察者不可见的方式被嵌入到数字图像中，因为这样的水印不会引起在美学质量方面，或在图像使用方面的恶化。该数字水印随后可被检测或提取以便于主张所有权、提取相关信息或判断该图像是否已经被改变。

水印还可以被分类为“健壮型”或“脆弱型”。健壮型水印是那些难于从它们被嵌入的图像中移走的水印，因此健壮型水印对于断言所有权是有用的。脆弱型水印是那些容易被任何篡改图像的尝试所破坏的水印。因此脆弱型水印可被用于判断图像是否已经改变，因为如果在之前的加了水印的图像中缺少水印，那么可以推断出该图像已经改变。

近年来，医学图像也以数字形式存档和通信。例如，医疗机构和医生使用图片存档和通信系统(PACS)来管理和存档病人的图像。这些图像也可以通过因特网分发。医学图像的增加的移动性的另一个例子是远程放射学的使用。由于医学图像的敏感的性质，图像的真实性可被验证是重要的。

由于上面解释的原因，水印提供了验证医学图像的真实性的解决方案。然而，对于医学图像，因为图像(例如，用于诊断的图像)的临床读取必须不受影响，所以在加水印期间保持图像的质量和感知完整性尤其重要。结果，医学图像的信息承载能力相对低。

存在对于限制图像的视觉恶化的加水印的方法的需求。

发明内容

提出一种加水印的方法，用于以限制图像的视觉恶化的方式将净荷编码进图像。

根据本发明的第一方面，提出一种对图像加水印的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述图像分割成区域，其中各区域为该图像内的像素的簇；

基于各区域的一个或多个统计特征，特性化各区域；

对各所述区域，基于各区域的特性化，选择预定数量的加水印的方法中的一个；

对各所述区域，基于区域的特性化，选择要嵌入到各区域内的比特的数量；以及

对于各所述区域，使用为区域所选择的加水印的方法，将所述数量的比特的数据嵌入到各区域内。

根据本发明的第二方面，提供一种对加水印的图像解码的方法，所述方法包括如下步骤：

将所述加水印的图像分割成区域；

基于各区域的一个或多个统计特征，特性化各区域；

对各所述区域，基于各区域的特性化，选择预定数量的加水印的方法中的一个；

对各所述区域，基于区域的特性化，选择要从各区域中提取的比特的数量；以及

对各所述区域，使用为区域所选择的加水印的方法，从各区域中提取所述数量的比特的数据。

根据本发明的另一方面，提供一种用于实现任一前述方法的装置。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机程序产品，其包括计算机可读介质，在该计算机可读介质上已经记录了用于实现任一上述方法的计算机程序。

还公开了本发明的其他方面。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明的一个或多个实施例，其中：

图1示出对图像加水印以形成加水印的图像的方法的示意性流程图；

图2示出对加水印的图像解码的示意性流程图；

图3示出所描述的布置可在其上被执行的通用计算机的示意性框图；以及

图4A和4B示出用于解释优选的离散余弦变换(DCT)加水印的方法的DCT域中的8×8块。

具体实施方式

当在任何一个或多个附图中提到具有同样的附图标记的步骤和/或特征时，那些步骤和/或特征为了说明的目的具有同样的功能或操作，除非出现相反的意图。

图1示出方法100的示意性流程图，该方法100通过在图像101内嵌入净荷140来对图像101加水印以形成加水印的图像145。图2示出方法150的示意性流程图，该方法150对加水印的图像145解码以从加水印的图像145中提取嵌入的净荷140。

期望的是通过对图像101加水印而引入的感知误差被最小化。对图像恶化的人类视觉检测的限制提供了可容许的图像质量损失的门限，该门限又为可被安全地专用于加水印的信息量提供包络(envelope)。感知误差的一种测量是提供感知误差度量的结构比较。该结构比较确定原始区域(未加水印的区域)和加水印后的区域之间的相似量，并被计算如下：

$\mathrm{SC}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}---\left(1\right)$

其中σ_x是原始区域(未加水印的区域)的标准偏差，σ_y是加水印的区域的标准偏差，σ_xy是原始区域和加水印的区域之间的相关系数。其它的测量可被用于估计感知误差。

对图像101加水印和对加水印的图像145解码的方法100和150被优选地使用如图3所示的通用计算机系统200来执行，其中，图1和图2的流程可被实现为软件，如在计算机系统200内执行的应用程序。特别地，方法100和150的步骤受由计算机系统200执行的软件中的指令的影响。该软件可被存储在计算机可读介质内。该软件从计算机可读介质中加载到计算机系统200中，然后由计算机系统200执行。具有记录在其上的软件或计算机程序的计算机可读介质是一种计算机程序产品。在计算机中，该计算机程序产品的使用优选地影响用于对图像加水印和对加水印的图像解码的有利的装置。

计算机系统200由计算机模块201、诸如键盘202和鼠标203的输入装置、包括打印机215的输出装置以及显示装置214构成。计算机模块201一般包括至少一个处理器单元205、存储器单元206、以及许多输入/输出接口(I/O)，这些输入/输出接口包括耦合到视频显示器214的视频接口207、用于键盘202和鼠标203的I/O接口213以及用于打印机215的接口208。存储装置209被提供且一般包括一个或多个硬盘驱动器、软盘启动器以及CD-ROM驱动器。计算机模块201的组件205到213一般通过互联总线204并且以某种方式来通信，该方式导致对相关领域技术人员已知的计算机系统200的传统操作模式。

可替代地，方法100和150可以以专用硬件来实现，该硬件例如为执行对图像加水印和对加水印的图像解码的函数或子函数的一个或多个集成电路。这种专用硬件可包括图形处理器、数字信号处理器或一个或多个微处理器以及相关的存储器。

参考图1，方法100以步骤105开始，在步骤105中处理器205从存储装置209中获取图像101并且将该图像101分割成区域。在优选的实施中，区域是8×8像素块。然而可使用其它的块尺寸和块形状。

此外，可使区域的尺寸可变。在一个实现中，在图像内具有相似的统计特征(如下所述)的邻近的区域被归组以形成变化尺寸的区域。在另一实现中，根据如纹理或边缘的内容将图像内的区域归类，并且邻近的区域被归组以形成变化尺寸的区域。

在步骤110中，处理器205然后使用各区域的一个或多个统计特征来特性化各区域。这些统计特征可以包括区域内的像素的值的标准偏差σ_R。

在步骤115中，基于各区域的特性化，由处理器205为各区域选择加水印的方法。在优选的实现中，在空间域加水印的方法和频率域加水印的方法之间作出选择。更特别地，在本领域已知的最低有效位(LSB)加水印的方法和离散余弦变换(DCT)加水印的方法之间作出选择。基于LSB的加水印的方法，根据净荷140的段，将所选择的区域内的像素的最低有效位设置成二进制值0或1。基于DCT的加水印的方法，根据净荷140的段，将所选择的区域的DCT系数的最低有效位设置成二进制值0或1。通过设置像素或系数的最低有效位，最小量的感知误差被增加到该区域，并且最终增加到图像。

在标准偏差σ_R被用于特性化各区域的情况下，如果标准偏差σ_R低于预定的门限φ，LSB加水印的方法被使用。这是因为通过在12比特的磁共振(MR)图像上的实验，已经发现对于较低的标准偏差σ_R，LSB加水印的方法与DCT加水印的方法相比在加水印的图像145中产生较小的结构误差，其中该结构误差基于等式1中所呈现的结构比较SC。因此，对于较低的标准偏差σ_R，LSB加水印的方法比DCT加水印的方法引入较高的感知相似性。在该优选实施例中，对于某个类型的MR图像，预定的门限被设置成2⁵。

在标准偏差σ_R大于预定门限φ的情况下，DCT加水印的方法被使用。在上述实验中已经发现，对于较高的标准偏差σ_R，LSB和DCT加水印的方法在加水印的图像145中产生相似的结构误差。对于较高的标准偏差σ_R，因为DCT加水印的方法比LSB加水印的方法更健壮，所以DCT加水印的方法优于LSB加水印的方法被选择。

接下来，在步骤120中，处理器205基于各区域的特性为各区域选择容量级别。任何一个区域的容量级别设立了在不损害该区域的感知质量的条件下可被嵌入到该区域内的比特的数量。

对于MR图像的某些例子，处理器205优选地从0，1和2三个不同的容量级别中选择。也就是说，处理器205选择是0个，1个还是2个比特将被嵌入到该区域内。在使用各区域标准偏差σ_R对区域进行特性化的情况下，当标准偏差σ_R小于第一边界ε₁时，选择容量级别0，这是因为在低标准偏差σ_R，对像素值的任何改变都会引起大的结构误差。对于在中间范围内的标准偏差σ_R，也就是说对于在第一边界ε₁和第二边界ε₂之间的标准偏差σ_R，选择容量级别1，这是因为在这种标准偏差σ_R，低级别的嵌入是可接受的。最后，在标准偏差σ_R超过第二边界ε₂的情况下，结构误差是可以忽略的，对于这种区域选择容量级别2。对于MR图像的特定的例子，第一边界ε₁可被设置为2³，且第二边界可被设置为2⁵。对于特定的图像类型，不同的容量级别的数目以及相关的边界是预定的。

然后方法100进行到步骤125，在步骤125中，使用在步骤115中为各区域选择的加水印的方法和在步骤120中选择的容量级别，将净荷的段嵌入各区域，从而形成加水印的图像145。

考虑8×8的块尺寸被用于区域的情况。仅仅0个，1个或2个比特被嵌入各区域。因此，在LSB加水印的方法的情况下，仅仅64个像素的1个或2个像素的最低有效位被改变。优选的实现使用块中的前1个或2个像素的最低有效位来嵌入净荷140的段。

在DCT加水印的方法的情况下，高频系数被用于嵌入净荷140的段，这是因为这些系数将最小感知失真引入图像101。图4A和4B示出DCT域中的8×8块。图4A中的阴影的块组410是用于将净荷140的1个或2个比特嵌入块中的块。在1个比特被嵌入的情况下，在组410中的所有的块被使用，而当2个比特被嵌入时，图4B所示的组420和425中的块被分别用于嵌入这2个比特。

通过将异或(XOR)函数应用到组410、420或425中的块的舍入(rounded)DCT系数(其一般被量化)的所有LSB，比特被嵌入组410、420或425中。如果应用XOR函数的结果与要被嵌入的比特的值相同，组410、420或425的DCT系数保持不变。如果应用XOR函数的结果与要被嵌入的比特的值不同，值“1”被加到组410、420或425的块的舍入DCT系数上，使得出现最小可能的感知误差。这个过程被重复直到将XOR函数应用到组410、420或425中的块的舍入DCT系数的LSBs的结果与要被嵌入的比特的值相同。

令b_p为净荷140中的比特数，且令b_m为所有区域的容量级别之和。如果b_p＜b_m，，也就是说净荷140小于为该图像计算的总的净荷容量，那么净荷140被嵌入在前的若干个区域直到净荷140的所有段被嵌入。优选地，净荷140是相对小的。结果，一般地，对于大多数图像b_p＜b_m将适用。

如果b_p＝b_m，也就是说净荷140刚好匹配该图像计算的总的净荷容量，那么净荷140被嵌入各区域。如果b_p＞b_m，那么净荷140超过为该图像计算的总的净荷容量。在这种情况下，净荷140的前b_m个比特被嵌入。

现在参考图2，其中示出了对加水印的图像145解码以提取净荷140的方法150的示意性流程图。方法150在步骤160开始，在步骤160中，处理器205从存储装置209中获取加水印的图像145，并且以某种方式将加水印的图像145分割成区域，这种方式对应于图像101在步骤105(图1)中被分割的方式。

然后在步骤165中，处理器205以某种方式特性化各区域，这种方式对应于在步骤110中(图1)区域被特性化的方式。基于各区域的特性化，在步骤170中，处理器205使用与在步骤115中所使用的选择标准相同的标准，为各区域选择加水印的方法。在将净荷140的段嵌入各区域之后，因为非常小的变化被引入各区域，所以区域的特性将保持不变。因此，由于同样的标准被用在步骤115(图1)和步骤170中，所以被选择的加水印的方法将是相同的。

接下来是步骤175，在步骤175中处理器205以某种方式基于各区域的特性为各区域选择容量级别，这种方式对应于在步骤120(图1)中选择容量级别的方式。

最后，方法150以步骤180结束，在步骤180，基于在步骤170中为各区域区域选择的加水印的方法和步骤175中选择的容量级别，从各区域中提取净荷的段。顺序附加该净荷的各段，净荷140被形成。

在一个实现中，净荷结束(end-of-payload)的特殊标记表示净荷140的结束，该净荷结束的特殊标记在方法100期间形成了嵌入图像101的净荷140的部分。在另一实现中，净荷140具有预定义的比特长度b_p。在另一实现中，方法150如上所述处理所有区域。由于(真正的)净荷140的段一般仅仅被嵌入在前的若干个区域中，从其余区域提取的净荷的段将包括噪声。然后，用户可以对真正的净荷140在何处结束作出判断。

应注意解码的方法150不需要例如净荷140中的比特数b_p的辅助信息。对于医学图像，这是特别有用的，这是由于期望仅仅将相对小的净荷嵌入到医学图像内的事实。由于在“背景技术”中所解释的原因，大的净荷对医学图像具有特别有害的影响。

由于当对加水印的图像进行解码时，不要求原始(未加水印的)图像101可用，因此方法100和150也是特别有用的。净荷可仅仅从加水印的图像145中被提取。

前面仅仅描述了本发明的一些实施例，在不偏离本发明范围和精神的条件下可以对这些实施例作出修改和/或改变，这些实施例是示例性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种对图像加水印的方法，所述方法包括下列步骤：

将所述图像分割成区域；

基于各区域的一个或多个统计特征，特性化各区域；

对各所述区域，基于各区域的特性化，选择预定数量的加水印的方法中的一个；

对各所述区域，基于区域的特性化，选择要嵌入到各区域内的比特的数量；以及

对各所述区域，使用为区域选择的加水印的方法，将所述数量的比特的数据嵌入到各区域内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述区域的尺寸和形状的至少一个可基于各区域中的像素的一个或多个性质而变化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述一个或多个统计特征包括各区域内的像素的值的标准偏差σ_R。

4.根据权利要求3所述的方法，其中基于所述标准偏差σ_R的预定义的范围，选择所述比特的数量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在空间域加水印的方法与频率域加水印的方法之间作出选择。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述空间域加水印的方法是最低有效位(LSB)加水印的方法。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述频率域加水印的方法是离散余弦变换(DCT)加水印的方法。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述一个或多个统计特征包括各区域内的像素的值的标准偏差σ_R，并且其中当所述标准偏差σ_R低于预定义门限时，选择所述空间域加水印的方法，否则选择所述频率域加水印的方法。

9.一种对加水印的图像解码的方法，所述方法包括下列步骤：将所述加水印的图像分割成区域；

基于各区域的一个或多个统计特征，特性化各区域；

对各所述区域，基于各区域的特性化，选择预定数量的加水印的方法中的一个；

对各所述区域，基于区域的特性化，选择要从各区域中提取的比特的数量；以及

对各所述区域，使用为区域选择的加水印的方法，从各区域中提取所述数量的比特的数据。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述区域的尺寸和形状的至少一个可基于各区域中的像素的一个或多个性质变化。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述一个或多个统计特征包括各区域内的像素的值的标准偏差σ_R。

12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所述标准偏差σ_R的预定义的范围，选择所述比特的数量。

13.根据权利要求9所述的方法，其中在空间域加水印的方法与频率域加水印的方法之间作出选择。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述空间域加水印的方法是最低有效位(LSB)加水印的方法。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述频率域加水印的方法是离散余弦变换(DCT)加水印的方法。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个统计特征包括各区域内的像素的值的标准偏差σ_R，其中当所述标准偏差σ_R小于预定义门限时，选择所述空间域加水印的方法，否则选择所述频率域加水印的方法。

17.一种用于对图像加水印的装置，所述装置包括：

用于将所述图像分割成区域的装置；

用于基于各区域的一个或多个统计特征来特性化各区域的装置；

用于基于各区域的特性化为各所述区域选择预定数量的加水印的方法中的一个的装置；

用于基于区域的特性化为各所述区域选择要嵌入到各区域内的比特的数量的装置；以及

用于对各所述区域使用为区域选择的加水印的方法将所述数量的比特的数据嵌入到各区域内的装置。

18.一种用于对加水印的图像解码的装置，所述装置包括：

用于将所述加水印的图像分割成区域的装置；

用于基于各区域的一个或多个统计特征来特性化各区域的装置；

用于基于各区域的特性化为各所述区域选择预定数量的加水印的方法中的一个的装置；

用于基于区域的特性化为各所述区域选择要从各区域中提取的比特的数量的装置；以及

用于对各所述区域使用为区域选择的加水印的方法从各区域中提取所述数量的比特的数据的装置。

19.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，在该计算机可读介质上已经记录了用于实现权利要求1-16中任一个所述的方法的计算机程序。

20.基本上参考图1和图2中任一个而在这里描述的方法。

21.基本上参考任一附图而在这里描述的装置。

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