CN101477675A - 基于提升小波变换的可逆数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用计算机软件，信息安全等内容。主要是在数字图像中嵌入水印信息，并能够从嵌入水印的图像中无损地恢复水印信息与原始图像。该方法实现了一种全新的基于提升小波的数字水印嵌入方式。引入了混沌算法米控制嵌入点的位置，即使有一个甚至更多点被攻击，使得象素值发生改变，仍旧可以从其他点准确的恢复水印信息。该方法有效地解决了攻击问题，具有较强的鲁棒性，能够使图像抵抗裁剪等攻击；如果嵌入水印的图像没有被破坏，该方法可以精确地提取出原始图像(见摘要附图)。实验仿真结果表明，该方法能够保证水印的安全性，并能有效的抵抗图像的裁剪等攻击。该项技术能够应用于医学、军事、远程遥感等保密性要求较高的图像认证中。

Description

基于提升小波变换的可逆数字水印方法

1.技术领域

本发明涉及应用计算机软件，信息安全等内容。主要是在数字图像中嵌入水印信息，并能够从嵌入水印的图像中无损地恢复水印信息与原始图像。该方法具有较强的安全性，在嵌入水印的图像遭受攻击的情况下仍能有效地提取水印信息。该项技术能够应用于医学、军事、远程遥感等保密性要求较高的图像认证中。

2.背景技术

数字水印技术已经被广泛的应用在数字媒体的安全保护领域。为了保护数字图像的版权，数字图像的版权人可以将自己的信息作为水印嵌入到图像内。嵌入数字水印的图像可以被出版、传播，当图像的拥有者发现可疑图像时，可以提取数字图像的水印信息。通过对水印的认证，可以决定图像的版权人作为一项新的引人注目的技术，可逆数字水印技术不仅仅可以将水印信息嵌入到原始图像内，而且可以在需要的时候从可疑图像中有效地还原原始图像。这些特性，使得该技术可以广泛地用于医学、军事、远程遥感等领域的图像认证中。该技术已经引起越来越多的专家和学者关注「」。

关于可逆数字水印的第一篇报道是由Honsinger提出的关于数字图像认证的发明，他通过附加模型在空域内实现了可逆数字水印。Tian提出了根据相邻像素的差值来扩展当前点，并有效地预防了扩展后的上溢和下溢

，这种方式通过希尔小波变换去除了大量的相邻点间的冗余信息，在空域得到了改进。Adnan通过应用向量而不是像素点的方式扩展了Tian提出的方法，该方法提高了算法的信息嵌入量和计算效率，能够在临近像素点间的向量集内隐藏若干比特位，仿真结果表明，它能在较高的信噪比下隐藏大量水印信息。

3.发明内容

3.1 要解决的技术问题

因为需要在原始图像内嵌入新的数据信息，因此在嵌入的过程中不可避免的会发生数据的溢出。因此Alattar提出了首先定位嵌入位置然后进行嵌入的方法，Thodi和Rodriguez应用JPEG-LS来控制溢出。然而，如果数字图像被破坏，那么对应点的信息就会发生变化，从而导致错误。因此，我们引入了混沌算法来控制嵌入点的位置，即使有一个甚至更多点被攻击，使得象素值发生改变，我们仍旧可以从其他点准确的恢复水印信息。该方法有效地解决了攻击问题，具有较强的鲁棒性，能够使图像抵抗裁剪等攻击；如果嵌入水印的图像没有被破坏，该方法可以精确地提取出原始图像。

3.2 技术方案

首先将原始图像分成8×8像素点大小的互不相交的像素块，然后在这些像素块上执行提升小波变换。根据这些像素块的属性值来决定是否嵌入数字水印图像。为了保证嵌入数字水印图像的安全性和健壮性，首先应用混沌系统来生成一个置换序列，然后应用该序列来控制数字水印的嵌入。

3.3 有益效果

该方法实现了一种全新的基于提升小波的数字水印嵌入方式。为了提高安全性，采用了混沌序列来控制水印的嵌入。实验仿真结果表明，该方法能够保证水印的安全性，并能有效的抵抗图像的裁剪等攻击。在嵌入了水印的图像没有被破坏的情况下，当提取完水印信息后，可以精确地恢复原始图像。本方法能有效的应用于医学、军事、远程遥感等领域的图像认证中。

4.附图说明

将该方法应用于512×512×8比特位的图像“Lena”，“Boat”and“Baboon”中，得到的峰值信噪比(PSNR)分别为35.7951dB，40.2351dB和42.0527dB。在没有遭受任伺攻击的条件下，图1(a-e)分别为‘Lena’原始图像、水印图像、嵌入水印图像、从嵌入水印的图像中提取出的水印图像、从嵌入水印的图像中提取出来的原始图像。

为了测试该方法的安全性和抗裁剪性，图2(a)显示了当应用正确混沌序列初始值x₀＝0.234时所提取的数字水印图像，图2(b)显示了当应用x₀＝0.2340000001作为提取初始值所提取出的数字水印图像。从图可以看出即使混沌序列的初始值发生极其微小的变化，提取出的水印图像也会发生重构，此时图像与原来图像存在巨大差异，变得无法识别。

图3显示了遭受攻击的示例。图3中(a)、(c)分别显示了发生裁剪和涂抹时的嵌入水印图像，图3中(b)、(d)分别显示了从上述嵌入水印图像中恢复的水印图像，图3(e)显示了当嵌入水印图像遭受0.5％的椒盐攻击时从嵌入水印图像中提取的数字水印图像。图4显示了块的像素矩阵图。

5.具体实施方案

5.1 实施方案概述

步骤1：对于灰度图像中的任何一对值(x，y)，定义它们的平均值1和差值h

 h＝x-y               (1)

步骤2：符号的含义是“向下取整”。经过变化后公式(1)可以表示为

步骤3：因为灰度值的区间为[0，255]，因此得到

步骤4：等价变化为

|h|≤min(2(255-l)，2l+1)                  (3)

嵌入水印的具体过程示意图如图5所示，具体实现过程如下：

步骤1：用公式(1)计算第i个像素点集(x_i，y_i)的平均值l_i和差值h_i。

步骤2：计算 $h_i^{\′}=2h_i+w_i,$ 其中w_i为水印图像中对应的点。

步骤3：通过公式(4)计算嵌入水印后图像的新的第i个像素点集

步骤4：重复上述步骤，直到所有点都被嵌入水印。

步骤5：通过

重构水印图像。

然而，通过上述方案嵌入数据可能会发生溢出。为了防止发生溢出现象，只能够在不会发生溢出的点上嵌入数据。

提取水印和恢复图像可以参考文献[6]。

对于一对给定的灰度值(x，y)，如果他们满足公式(5)，我们说它是可以嵌入水印的。

其中b的值为0或1。

这里，我们给出一个基于混沌序列的可逆水印算法。由混沌系统决定嵌入点，同时混沌系统保证了可以嵌入最大量的水印信息。算法描述如下。

5.2 实施方案的具体描述

假定原始图像大小为512×512像素。嵌入水印的位置和提取水印的步骤如下。

5.2.1 确定嵌入水印位置

步骤1：首先将需要嵌入水印的原始图像分成8×8像素大小的互不相交的块。我们假定图像为512×512像素，256个灰度级。因此，我们得到4096个小块。为了表示方便，我们用P_i，j来标注每一个特定的块。其中i＝1，2....，64.j＝1，2，...，64.。

步骤2：对其中的每一块，我们对它做一维整数小波变换，得到它的一个可以表示成4×4矩阵形式的低频子段LL₁，如图4所示。

步骤3：如果(b₁，b₆)和(b₁₁，b₁₆)都是可以嵌入水印的，我们用‘1’表示该点，否则用‘0’表示该点。

步骤4：对于每一块，我们通过判断该块是否可以嵌入水印，从而得到一个密钥K，该密钥由‘0’和‘1’组成。

5.2.2 选择嵌入位置

为了保证安全性，由混沌系统来决定嵌入点。因为混沌系统具有对初始条件和系统参数敏感、非周期性等特性，它已经被广泛的用在图像的置乱和加密领域。这里，用混沌系统来生成位置置乱矩阵P，然后通过该置乱矩阵嵌入数据。过程描述如下：

步骤1：应用序列x_n+1＝4x_n(1-x_n)以及给定的x₀，反复产生新的x₀，然后令

l＝mod(x₀×10¹³，64)+1(6)

显而易见，l∈[1，64]。

步骤2：反复对公式(6)进行迭代，直到得到一组小于64的各不相同的数字，这些数字可以表示为{h_i，i＝1，2，...，64}，其中h_i≠h_j如果i≠j。

步骤3：重复步骤1和步骤2得到另外一组数列，表示为{l_i，i＝1，2，...，64}其中l_i≠l_j如果i≠j。可以根据得到的两个新的序列生成置换矩阵其中i，j＝1，2，...，64。

5.2.3 嵌入水印

通过置换矩阵

完成数字水印的置换。水印嵌入过程如图5所示。

5.3 水印提取

水印提取过程即为水印嵌入过程的逆过程，它包括以下步骤：

步骤1：嵌入了水印的图像首先被分成8×8像素大小的互不相交的块。

步骤2：根据序列x_n+1＝4x_n(1-x_n)，密钥x₀生成置换矩阵

步骤3：通过密钥K和矩阵

对嵌入水印的图像进行1维提升小波变换，得到低频子段的一对像素序列(b₁，b₆)和(b₁₁，b₁₆)，下面的步骤具体描述水印提取过程：

(1)计算像素点对的平均值和差值，

(2)提取水印：

(3)恢复原始图像像素值：

在得到原始LL₁后，应用提升小波变换模式来恢复原始图像。

注意：通常情况下，当对图像进行可逆IWT变换后，应用可逆算法嵌入水印，可能会发生溢出，溢出会导致可逆变换无效。为了实现可逆性，必须对嵌入过程进行修正。修正过程描述如下：在嵌入位置的选取过程中，子段

应该满足一定的约束条件，即b₁，b₆，b₁₁和b₁₆应该满足下属约束条件：

max(b₁，b₆，b₁₁，b₁₆)≤α                          (10)

min(b₁，b₆，b₁₁，b₁₆)≥β                          (11)

其中α和β是预先定义的常量。

Claims (5)

1、一种基于提升小波模式的可逆数字水印方法，其特征是首先将原始图像划分为若干无重叠的子块。

2、根据权利要求1所述的基于提升小波模式的可逆数字水印方法，其特征是应用混沌系统对原始图像进行置乱排序。

3、根据权利要求1所述的基于提升小波模式的可逆数字水印方法，其特征是自定义常量范围，该范围决定某区域是否可以嵌入水印，从而实现嵌入点的选取。

4.根据权利要求1所述的基于提升小波模式的可逆数字水印方法，其特征是根据被划分的区域是否可以嵌入水印来生成密钥K，用K控制嵌入点的具体选取。

5.根据权利要求1所述的基于提升小波模式的可逆数字水印方法，其特征是对原始图像进行一维整数小波变换。

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