CN101493929B - 一种应用计算机生成全息图的数字水印方法 - Google Patents

Abstract

一种应用计算机生成全息图的数字水印方法，涉及一种多媒体信号处理技术。提供一种不仅具有较好的不可感知性及抗攻击性能强，而且计算全息更灵活、成本低、适用范围广的应用计算机生成全息图的数字水印方法。一个使用计算机生成全息图的步骤；作为嵌入到载体图像的水印信息序列。一个将全息图嵌入载体图像的步骤；采用水印嵌入算法，将生成全息图作为嵌入到载体图像的水印信息序列嵌入载体图像，确保对各种攻击的健壮性以及水印的不可感知性。一个水印检测算法的步骤：判断一幅图像是否包含所述水印信息；一个全息图的计算机再现步骤：在计算机上清晰再现所提取水印的内容。

Description

一种应用计算机生成全息图的数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种多媒体信号处理技术，尤其是涉及一种应用计算机生成全息图的数字水印方法。

背景技术

随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，数字媒体应用正在呈爆炸式的增长。没受保护的数字媒体(数字图像、视频等)的原版可被无限制地任意编辑、修改、拷贝和散布，对数字媒体的安全权限提出了挑战，并使数字媒体作品的原创者承受巨大的经济损失。目前，数字媒体的知识产权保护和信息安全问题日益突出，是数字领域的一个非常重要和紧迫的课题。

数字水印技术是20世纪90年代中期信息安全领域的一个新方向。它是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的水印标记，并使人的感知系统察觉不出来，隐藏的水印标记只有通过专用的检测器才能提取出来的一种最新的多媒体保密技术。

数字水印技术可验证数字产品的版权拥有者、识别销售商、购买者或提供关于数字产品内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在数字图像或视频序列中，用于确认数字产品的所有权和跟踪侵权行为。除此之外，它在证据篡改鉴定、数据的分级访问、数据产品的跟踪与检测、商业视频广播与因特网数字媒体的服务付费、电子商务的认证鉴定以及商务活动中的票据防伪等方面也具有十分广阔的应用前景，已成为国际上非常活跃的研究领域。

李相夔等在中国专利99813122.9中揭示了用小波和离散余弦变换对数字图像加水印的方法。在该方法中采用的是：用小波变换数字图像——用离散余弦变换(DCT)水印——经DCT变换的水印信息直接叠加到由小波变换得到的逼近子图，以便将水印插进图像——最后用逆小波变换生成加有水印的图像。但因为逼近子图集中的是原始图像的低频信息，这些信息是人眼视觉敏感点，对其直接调制嵌入数字水印同样会破坏水印图像的不可感知性，且其行列间存在着很大的相关性。彭翔等在中国专利03130553.9中揭示了一种基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置。该方法模拟虚拟光学菲涅耳成像过程将数字水印信息加入到数据中，从而实现水印的嵌入。其实质是在菲涅耳变换域进行操作，进行菲涅耳衍射变换计算，而菲涅耳计算量非常大，所以该专利从提出软件和硬件两方面来实现，成本较高。李京兵在中国专利99813122.9中揭示了一种基于小波抗几何攻击的数字水印方法。该方法主要针对水印抗几何攻击的鲁棒性，但没有涉及抗其它常见的攻击如JPEG压缩、加噪声和滤波攻击等性能，并且水印信息直接叠加在逼近子图上会影响视觉效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅具有较好的不可感知性及抗攻击性能强，而且计算全息更灵活、成本低、适用范围广的应用计算机生成全息图的数字水印方法。

本发明包括以下步骤：

1)一个使用计算机生成全息图的步骤，将生成的全息图作为嵌入到载体图像的水印信息序列；

2)一个将全息图嵌入载体图像的步骤；

3)一个水印检测算法的步骤：判断一幅图像是否包含所述水印信息；

4)一个全息图的计算机再现步骤：在计算机上清晰再现所提取水印的内容。

所述使用计算机生成全息图的方法包括以下步骤：

1)读取用于生成全息图的数字图像I。I先乘一个随机位相因子，即乘exp[jψ(x，y)]，起平滑傅里叶谱作用，以降低全息图的动态范围；

2)对I进行离散二维快速傅里叶变换，得傅里叶谱及振幅和相位角：

F_mn＝C_mn+jD_mn；

$A_{\mathrm{mn}}=\sqrt{C_{\mathrm{mn}}^2+D_{\mathrm{mn}}^2};$

或在满足菲涅耳近似条件，对I进行离散菲涅耳变换计算：

$U(k,l)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_0(m,n)\×\exp \left\{\frac{\mathrm{j\π}}{\mathrm{\λz}}\right[{(\mathrm{k\Δ\ξ}-\mathrm{m\Δx})}^2+{(\mathrm{l\Δ\η}-\mathrm{n\Δy})}^2\left]\right\}$

3)由Burch方法可得到计算全息图的透过率

从而实现傅里叶变换或菲涅耳计算机生成全息图的制作。

所述将全息图嵌入载体图像可采用水印嵌入算法，包括以下步骤：

1)对宿主图像进行m级小波分解，得到逼近子图LL₃；

2)对LL₃进行DCT变换，然后进行zigzag排序，得到Y，以方便水印嵌入操作；

3)对计算机全息图水印进行DCT变换，并进行zigzag排序，得到w；

4)将变换后的水印信息嵌入到变换后的逼近子图，公式为：

Y(k+s)＝Y(k+s)+αw(k)

其中，1≤k≤m×n，m×n为水印图像的大小，α是嵌入强度，s是水印嵌入的起始位置。

所述水印检测算法包括以下步骤：

1)将含数字水印信息的图像和原载体图像进行m级小波分解，得到两个逼近子图U和V；

2)对U、U先进行离散余弦变换，然后进行zigzag排序，得到W和Y；

3)计算数字水印的离散余弦系数，公式如下

$w\left(k\right)=\frac{W(k+s)-Y(k+s)}{\mathrm{\α}}$

4)对w(k)进行逆余弦变换，得到嵌入的计算机生成全息图(数字水印)。

所述全息图的计算机再现包括以下步骤：

傅里叶变换计算机生成全息图：用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后计算所得到的结果的逆傅里叶变换，可得到清晰的再现像；或

菲涅耳计算机生成全息图：用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后进行距离为z的菲涅耳变换，可得到清晰的再现像。

本发明包括计算机生成全息图、水印嵌入、水印检测和计算机生成全息图再现等步骤。生成部分是依据Burch编码方法，利用计算机生成含版权信息等内容的计算机生成全息图；嵌入部分在小波域上实现，主要包含对载体图像进行DWT和DCT操作，并调制水印信息(计算机生成全息图)嵌入载体图像；检测部分主要检测并得到水印信息；再现部分是对检测得到的水印进行全息图的计算机再现。计算机生成全息图的特性和小波变换的应用，使本发明具有很好的抗JPEG压缩、滤波、加性噪声和剪切等攻击的性能；并且，由于计算机生成全息图具有更多的自由度(可作为密匙)，使本发明安全性更好，如对嵌入了菲涅耳计算机生成全息图的水印图像，必须完全知道λ(波长)、z(距离)等自由度才能正确将其提取和再现，因此具有更好的安全性。同时，对逼近子图进行DCT变换，消去小波系数的强相关性，将水印信息嵌入DCT的中频系数区域，这样使得水印带来的视觉影响很小。本发明的时间复杂度较低，仅用软件即可实现全部过程，同时还具有检测方法简单可靠等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的傅里叶变换计算机生成全息图作为水印实例。(a)原图；(b)计算机生成全息图；(c)再现像。

图2为本发明实施例的3级小波分解示意图。

图3为本发明实施例的数字水印嵌入、提取和再现过程实例。(a)载体图像；(b)含水印后的图像；(c)提取得到的水印；(d)再现像。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

一、嵌入数字水印过程：

1.基于Burch编码方法，用计算机快速生成傅里叶变换或菲涅耳计算机全息图作为数字水印。

(1)傅里叶变换计算机全息图

①读取数字图像I。为降低全息图的动态范围，I先乘一个随机位相因子，即乘exp[jψ(x，y)]，起平滑傅里叶谱作用，实质是模仿光学全息中在物体前放置毛玻璃产生漫射光线的效应；

②对I进行离散二维快速傅里叶变换(2DFFT)，设变换结果为：

F_mn＝C_mn+jD_mn                    (1)

式中，C_mn为实部，D_mn为虚部。利用振幅和位相公式可得傅里叶谱的振幅和位相值：

$A_{\mathrm{mn}}=\sqrt{C_{\mathrm{mn}}^2+D_{\mathrm{mn}}^2};$

③先对A_mn进行归一化处理，设参考光为

并令R＝1，由Burch方法有计算全息图的透过率为

其中α是载频，I(x，y)、

分别对应A_mn、

这时，所得的T(x，y)是实的非负矩阵，含物光波的全部信息。

(2)菲涅耳计算机全息图

菲涅耳计算机全息图的制作过程与傅里叶计算全息图的制作过程类似，主要区别是第步傅里叶变换改为菲涅耳变换。因是数字化模拟，所以菲涅耳变换需进行离散化处理。现描述如下：

①假设满足菲涅耳近似条件，则

$U(x,y)=\frac{1}{\mathrm{j\λz}}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}z\right)\∫\∫U_0(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\×\exp \left\{\frac{\mathrm{j\π}}{\mathrm{\λz}}\right[{(x-\mathrm{\ξ})}^2+{(y-\mathrm{\η})}^2\left]\right\}\mathrm{d\ξd\η}---\left(4\right)$

其中U(ζ，η)是物波，λ是波长，z物平面到全息平面的距离。因为当z给定后，因子exp(j(2π/λ)z)/(jλz)为一常数，可以省略，则式(4)可离散化为

② $U(k,l)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_0(m,n)\×\exp \left\{\frac{\mathrm{j\π}}{\mathrm{\λz}}\right[{(\mathrm{k\Δ\ξ}-\mathrm{m\Δx})}^2+{(\mathrm{l\Δ\η}-\mathrm{n\Δy})}^2\left]\right\}---\left(5\right)$

其中k＝1，...，M和1＝1，...，N；M、N为衍射场ζ，η方向的总采样点数；Δx、Δy是物场的采样间隔；Δζ和Δη是衍射场的采样间隔。Δx、Δy和Δζ、Δη存在如下关系：

$\frac{\mathrm{m\Δx\Δ\ξ}}{\mathrm{\λz}}=1,$ $\frac{\mathrm{n\Δy\Δ\η}}{\mathrm{\λz}}=1---\left(6\right)$

根据式(5)、(6)可实现菲涅耳变换的离散化计算。将式(5)展开后，可使用快速傅里叶变换(2DFFT)加快计算速度。

实现菲涅耳变换计算后，与傅里叶计算全息图的制作过程类似，采用Burch方法可得到菲涅耳计算全息图，以傅里叶变换计算机生成全息图为例，图1(a)为原图，1(b)为1(a)的计算机生成全息图，1(c)为1(b)的再现像。

2.用离散小波变换(DWT)对载体图像进行m级分解，图2为小波3级分解示意图。图中LL₃是逼近子图，LL₃集中了原始图像的绝大部分信息，在其中嵌入水印，确保了数字水印的鲁棒性(robustness)。

3.小波逼近子图受外界影响小，稳定性好，是水印嵌入的理想区域。但逼近子图集中的是原始图像的低频信息，这些信息是人眼视觉敏感点，对其直接调制嵌入数字水印同样会破坏水印图像的不可感知性，且其行列间存在着很大的相关性，用离散余弦变换(DCT)可以消去小波系数的强相关性，同时将水印信息嵌入DCT的中频系数区域可增强水印的不可感知性。

对分解后得到的逼近子图LL₃进行离散余弦变换(DCT)，为便于水印的嵌入操作，对变换得到的数据进行“之”字型排序(zigzag scan order)，得到一个一维数组Y。

4.对数字水印进行离散余弦变换(DCT)，然后进行“之”字型排序(zigzag scan order)，得到一个一维数组w。

5.将变换后的数字水印嵌入到变换后的载体图像(小波域)

Y(k+s)＝Y(k+s)+αw(k)                        (7)

其中，1≤k≤m×n，m×n为水印图像的大小，α是嵌入强度，s是水印嵌入的起始位置对Y先进行逆zigzag排序操作，然后进行逆DCT变换，最后进行逆小波变换操作，就可得到嵌入了水印的图像。

二、提取数字水印过程：

提取水印的过程基本上是嵌入过程的逆过程。

1.将含数字水印信息的图像和原载体图像进行m级小波分解，得到两个逼近子图U和V。

2.对U、U先进行离散余弦变换，然后进行zigzag排序，得到W和Y。

3.计算数字水印的离散余弦系数

$w\left(k\right)=\frac{W(k+s)-Y(k+s)}{\mathrm{\α}}---\left(8\right)$

4.对w(k)进行逆余弦变换，得到嵌入的计算机生成全息图(数字水印)。

5.再现所得到的数字全息图：

①傅里叶变换计算机生成全息图：用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后计算所得到的结果的逆傅里叶变换，可实现模拟过程，得到清晰的再现像；

②菲涅耳计算机生成全息图：同理，用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后进行距离为z的菲涅耳变换，可得到清晰的再现像。

图3为整个数字水印嵌入、提取和再现过程的实例，(a)是载体图像，(b)是嵌入水印后的图像，(c)提取得到的数字水印，(d)是再现像。

其基本原理是首先引入计算机生成全息图(CGH)作为数字水印，并应用一种混合DWT和DCT方法将水印信息嵌入到载体图像。与传统的光学方法相比，计算全息具有更灵活、抗外界干扰能力强、成本低及适用范围广的特点。

Claims (3)

1.一种应用计算机生成全息图的数字水印方法，其特征在于包括以下步骤：

1)一个使用计算机生成全息图的步骤，将生成的全息图作为嵌入到载体图像的水印信息序列；所述使用计算机生成全息图的方法包括以下步骤：

(1)读取用于生成全息图的数字图像I；I先乘一个随机位相因子，即乘exp[jψ(x，y)]，起平滑傅里叶谱作用，以降低全息图的动态范围；

(2)对I进行离散二维快速傅里叶变换，得傅里叶谱F_mn及振幅A_mn和相位角

F_mn＝C_mn+jD_mn；

$A_{\mathrm{mn}}=\sqrt{C_{\mathrm{mn}}^2+D_{\mathrm{mn}}^2};$

或在满足菲涅耳近似条件时，对I进行离散菲涅耳变换计算：

$U(k,l)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_0(m,n)\×\exp \left\{\frac{\mathrm{j\π}}{\mathrm{\λz}}\right[{(\mathrm{k\Δ\ξ}-\mathrm{m\Δx})}^2+{(\mathrm{l\Δ\η}-\mathrm{n\Δy})}^2\left]\right\}$

其中，Δx、Δy是物场的采样间隔，Δξ、Δη是衍射场的采样间隔；λ是光波波长，z为物平面到全息平面的距离；衍射场在ξ、η方向以及物场在x、y方向的总采样点数均为M×N；k、l、m和n均为整数，且1≤k≤M，1≤l≤N，及1≤m≤M，1≤n≤N；U₀是物波，U为U₀的离散菲涅耳变换；

(3)由Burch方法可得到计算全息图的透过率

从而实现傅里叶变换或菲涅耳计算机生成全息图的制作；

其中，α是载频；I(x，y)、

分别对应A_mn、

即振幅和相位；T(x，y)为全息图的透过率函数，是实的非负矩阵，含物光波的全部信息；

2)一个将全息图嵌入载体图像的步骤；所述将全息图嵌入载体图像采用水印嵌入算法，包括以下步骤：

(1)对宿主图像进行m级小波分解，得到逼近子图LL₃；

(2)对LL₃进行DCT变换，然后进行zigzag排序，得到Y，以方便水印嵌入操作；

(3)对计算机全息图水印进行DCT变换，并进行zigzag排序，得到w；

(4)将变换后的水印信息嵌入到变换后的逼近子图，公式为：

Y(k+s)＝Y(k+s)+αw(k)

其中，1≤k≤m×n，m×n为水印图像的大小，α是嵌入强度，s是水印嵌入的起始位置；

3)一个水印检测算法的步骤：判断一幅图像是否包含所述水印信息；

4)一个全息图的计算机再现步骤：在计算机上再现所提取水印的内容。

2.如权利要求1所述的一种应用计算机生成全息图的数字水印方法，其特征在于所述水印检测算法包括以下步骤：

1)将含数字水印信息的图像和原载体图像进行m级小波分解，得到两个逼近子图U和V；

2)对U、V先进行离散余弦变换，然后进行zigzag排序，得到W和Y；

3)计算数字水印的离散余弦系数，公式如下

$w\left(k\right)=\frac{W(k+s)-Y(k+s)}{\mathrm{\α}}$

其中，1≤k≤m×n，m×n为水印图像的大小，α是嵌入强度，s是水印嵌入的起始位置；

4)对w(k)进行逆余弦变换，得到嵌入的计算机生成全息图。

3.如权利要求1所述的一种应用计算机生成全息图的数字水印方法，其特征在于所述全息图的计算机再现包括以下步骤：

傅里叶变换计算机生成全息图：用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后计算所得到的结果的逆傅里叶变换，得到再现像；或

菲涅耳计算机生成全息图：用共轭参考光乘以提取得到的计算机生成全息图，然后进行距离为z的菲涅耳变换，得到再现像。