CN101286224B - 基于分形图像编码的水印嵌入及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于分形图像编码的水印嵌入及提取方法，属于数字水印技术领域。与传统的分形编码水印算法不同，本方法利用值域块均值这一正交分形编码参数的迭代过程不变性，构造了嵌入变换函数，将水印直接嵌入分形解码参数，从而实现了灰度水印图像嵌入。水印的提取可以通过计算含水印图像的值域块均值，再利用嵌入变换函数的逆变换即可提取出水印。该方法不但解决了灰度水印的嵌入问题，且水印嵌入和提取的速度、水印的抗攻击都优于传统方法。

Description

基于分形图像编码的水印嵌入及提取方法

技术领域

本发明涉及基于分形图像编码的水印嵌入及提取方法，具体地说是一种基于正交化分形编码，实现在分形压缩图像中实现嵌入及提取灰度水印图像的方法。

背景技术

数字水印技术的基本思想是将某种信息嵌入到主数据中(静态图片、音频或视频)使得如果嵌入的信息得到可靠的恢复后，那么该信息可以说明主数据和原始所有者之间的所属关系。数字水印技术作为一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，近年来引起了人们的极大关注，并逐渐成为国内外的研究热点。目前，以图像为载体的数字水印技术是水印技术研究的重点之一，提出了基于空间域、变换域和压缩域的多种算法。

分形图像压缩技术是利用数字图像本身固有的自相似性，在分形理论的指导下，把图像数据转变为相关的分形参数，从而达到对数据进行压缩的目的。分形图像压缩的研究是近15年发展起来的一种图像压缩方法，与其它比较成熟的压缩技术相比(如DPCM、DCT、VQ)，具有高压缩比、分辨率无关性等很多优点。随着分形图像自动编码算法的不断改进，编码速度过慢的缺点得到改善，分形压缩比高的特点更为突出，使得分形在图像压缩编码中占据越来越重要的地位。利用分形编码中某些参数的不变性，可以实现数字水印的嵌入和提取。分形压缩水印技术是一种集压缩与水印嵌入于一体的技术，也是当前数字水印技术研究的一个重要方向，并且已取得了一些初步的成果。1996年，J.Paute和F.Jordan提出了一种基于分形图像编码理论的数字水印技术[源自：In Proc.SPIEPhotonics East Symposium，Boston MA，Nov.18-22，1996]。这种传统的基于分形图像编码的数字水印技术利用了值域子块的最佳匹配子块的位置不变性，根据最佳匹配子块所处的寻找区域来嵌入和提取有意义的水印。接着，又有许多学者提出了其他算法，但这类算法大都是在传统方法上的改进。虽然这类方法提供了利用分形编码在图像压缩过程中嵌入水印的一种有效途径，但这类方法有一定局限性：(1)都是采用0、1序列码作为水印，虽能够实现二值图像嵌入，但不能嵌入灰度图像，在应用上也有一定的局限性；(2)由于数字水印的嵌入和读取过程包含分形压缩编码和解码过程，水印嵌入和提取的速度慢，时间长。

发明内容

本发明的目的是解决传统的分形编码水印算法，没有实现灰度水印嵌入问题，提出了一种基于正交化分形编码，通过改变编码参数实现灰度水印嵌入及提取的方法。该方法不但解决了灰度水印的嵌入问题，且水印嵌入和提取的速度、水印的抗攻击都优于传统方法。

与传统的分形编码水印算法不同，本方法利用值域块均值这一正交分形编码参数的迭代过程不变性，构造了嵌入变换函数，将水印直接嵌入分形解码参数，从而实现了灰度水印图像嵌入。水印的提取时，可以通过计算含水印图像的值域块均值，再利用嵌入变换函数的逆变换即可提取出水印。

一种基于分形图像编码的水印嵌入方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)、原始图像通过正交化分形编码，得到编码参数

其中k表示等距变换的类型、p(i)表示最佳匹配块的位置、s_i为对比度调节因子、

为值域块向量，在正交分形编码的迭代过程具有

均值不变性；

(b)、将灰度水印图像进行预处理，预处理包括：将水印图像转换成与原始图像的值域块向量等长的水印序列，再经置乱及归一化处理；

(c)、结合原始图像值域块、灰度水印图像和水印嵌入强度构造嵌入变换函数

${\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{\ψi}}=\mathrm{\ψ}({\stackrel{\‾}{R}}_i,{\tilde{w}}_i,{\mathrm{\α}}_i)=\frac{{\stackrel{\‾}{R}}_i(1+{\mathrm{\α}}_i{\tilde{w}}_i)}{(1+\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j)},$ i＝1，2…m

其中向量

α分别表示含水印信息的值域块均值，经预处理后的水印信息，以及嵌入强度因子，公式中带有i下标的字符，均代表与之对应的向量中的某一元素，向量均等长，且都有m个元素；

根据嵌入变换函数计算得到嵌入水印信息的值域块

其中水印嵌入强度因子α的确定与灰度水印图像有关，水印嵌入强度用于调节水印对原始图像的影响；

(d)、利用正交化分形编码值域块参数的迭代过程不变性，将含水印信息的值域块替代原始图像值域块，得到含水印的编码参数；

(e)、对含水印编码参数解码得到嵌入水印的图像，即完成了灰度水印的嵌入。

一种上述基于分形图像编码的水印嵌入方法相对应的水印提取方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)、计算含水印图像的值域块均值；

(b)、利用嵌入变换函数的逆变换即可得到水印序列，嵌入变换式的逆变换为：

其中

表示含水印图像计算出的值域块均值，

为从含水印图像中提取得到的水印序列；

(c)、对水印序列进行归一化处理的逆操作，即各水印序列值乘以灰度水印的灰度最大值，接着按照对水印序列的置乱方式对其重排，最后将该序列转换成图像格式的输出，即可提取出水印。

与现有技术相比，利用正交分形编码值域块均值的迭代过程不变性，通过改变编码参数实现灰度水印嵌入的方法，不但解决了灰度水印的嵌入问题，且水印嵌入和提取的速度、水印的抗攻击都优于传统方法。

附图说明

图1为基于分形图像的水印嵌入方法的流程图；

图2为基于分形图像的水印提取方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

现有技术中，利用分形编码在图像压缩过程中嵌入水印的方法有一定局限性：一方面无法处理灰度水印图像；另一方面水印嵌入和提取的速度慢，时间长。为了解决上述问题，本发明利用正交分形编码值域块均值的迭代过程不变性，通过改变编码参数实现灰度水印嵌入的方法，不但解决了灰度水印的嵌入问题，且水印嵌入和提取的速度、水印的抗攻击都优于传统方法。水印嵌入方法具体流程参见图1，水印提取方法具体流程参见图2。

水印嵌入方法包括以下步骤：

S101，原始图像通过已有的正交化分形编码技术，得到编码参数

其中k表示等距变换的类型、P(i)表示最佳匹配块的位置、s_i是为对比度调节因子、

为值域块，在正交分形编码的迭代过程具有

均值不变性；

S102，将灰度水印图像进行预处理，得到水印序列

同时确定强度因子α；

S102-1，对灰度水印图像进行预处理，首先将水印图像转换成与原始图像的值域块向量等长的水印序列，即比例缩放；

S102-2，然后对处理过的灰度水印图像进行置乱、归一化操作，此时需要记录预处理操作，水印提取时需要使用上述信息；

S102-3，根据灰度水印图像的纹理特征，计算强度因子α，强度因子主要是用于调节水印对原始图像的影响。下面公式是强度因子α一种实施例。根据水印嵌入强度的需要，λ在0到1范围内取值。

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\&lambda;},& \mathrm{if}& 0.5\&le;{\tilde{w}}_i\&le;1,i=\mathrm{1,2},...,m\\ 2\mathrm{\&lambda;},& \mathrm{if}& 0\&le;{\tilde{w}}_i<0.5,i=\mathrm{1,2},...,m\end{array}\right.,\mathrm{\&lambda;}\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)$

其中

表示

中每一元素，

共有m个元素，并且与

等长。

${\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{\mathrm{\&psi;i}}=\mathrm{\&psi;}({\stackrel{\&OverBar;}{R}}_i,{\tilde{w}}_i,{\mathrm{\&alpha;}}_i)=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_i(1+{\mathrm{\&alpha;}}_i{\tilde{w}}_i)}{(1+\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_j)},$ i＝1，2…m

S103，根据嵌入变换函数，计算得到嵌入水印图像的值域块

嵌入变换函数如下：

S104，根据值域块参数的迭代过程不变性，用替代得到含水印的编码参数

S105，对编码参数解码得到嵌入水印的图像。

水印提取方法包括以下步骤：

S201，计算含水印图像的值域块均值

S202，根据保存的信息原始图像的值域块均值

和嵌入水印强度因子α，对嵌入变换函数进行逆变换，即可得到水印序列；

S203，对水印序列，进行水印预处理的逆变换，可提取出水印。逆变换包括归一化、置乱、和比例缩放。

采用本发明方法，不但解决了灰度水印的嵌入问题，且水印嵌入和提取的速度、水印的抗攻击都优于传统方法。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于分形图像编码的水印嵌入方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)、原始图像通过正交化分形编码，得到编码参数

其中k表示等距变换的类型、p(i)表示最佳匹配块的位置、s_l为对比度调节因子、

为值域块向量，在正交分形编码的迭代过程具有

均值不变性；

(b)、将灰度水印图像进行预处理，预处理包括：将水印图像转换成与原始图像的值域块向量等长的水印序列，再经置乱及归一化处理；

(c)、结合原始图像值域块、灰度水印图像和水印嵌入强度构造嵌入变换函数

${\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{\mathrm{wi}}=\mathrm{\&psi;}({\stackrel{\&OverBar;}{R}}_i,{\tilde{w}}_i,{\mathrm{\&alpha;}}_i)=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_i(1+{\mathrm{\&alpha;}}_i{\tilde{w}}_i)}{(1+\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_j)},$ i＝1，2…m

其中向量

α分别表示含水印信息的值域块均值，经预处理后的水印信息，以及嵌入强度因子，公式中带有i下标的字符，均代表与之对应的向量中的某一元素，向量均等长，且都有m个元素；

根据嵌入变换函数计算得到嵌入水印信息的值域块

其中水印嵌入强度因子α的确定与灰度水印图像有关，水印嵌入强度用于调节水印对原始图像的影响；

(d)、利用正交化分形编码值域块参数的迭代过程不变性，将含水印信息的值域块替代原始图像值域块，得到含水印的编码参数；

(e)、对含水印编码参数解码得到嵌入水印的图像，即完成了灰度水印的嵌入。

2.与权利要求1所述的基于分形图像编码的水印嵌入方法相对应的水印提取方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)、计算含水印图像的值域块均值；

(b)、利用嵌入变换函数的逆变换即可得到水印序列，嵌入变换式的逆变换为：

其中

表示含水印图像计算出的值域块均值，

为从含水印图像中提取得到的水印序列；

(c)、对水印序列进行归一化处理的逆操作，即各水印序列值乘以灰度水印的灰度最大值，接着按照对水印序列的置乱方式对其重排，最后将该序列转换成图像格式的输出，即可提取出水印。

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