CN101661605A - 一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置。本发明提供的定位篡改的方法包括：从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，所述第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；对比提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；根据第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线的对比进行定位篡改。通过本发明，在定位篡改时不用借助原始数字水印，避免了原始数字水印在传播过程中受到恶意攻击，导致定位篡改的结果的不准确。

Description

一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置

技术领域

本发明涉及数字水印技术领域，尤其涉及一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置。

背景技术

近年来，随着数字化技术和互联网技术飞速发展，著作权人的权益保护面临严重威胁。由于著作权人的劳动成果-数字图像可以以数字形式获得，并且可以制作出完美拷贝，因此，著作权人的权益很容易收到损害。数字水印技术应运而生。

数字水印技术是将代表著作权人身份的特定信息(即数字水印)，按照某种方式植入被保护的数字图像中，而不影响被保护的数字图像的使用价值，也不容易被人的知觉系统觉察或者注意到。根据数字水印，可以达到确认著作权人、购买者或者判断数字图像是否被篡改，以维护著作权人权益等目的。为了下文便于描述，将嵌入数字图像之前生成的数字水印称为原始数字水印，将已经嵌入数字图像并随之进行传播的数字水印称为第一数字水印，将没有嵌入数字水印的数字图像称为原始数字图像，将嵌入了数字水印的数字图像称为第一数字图像。

现有数字水印技术包括将原始数字水印嵌入原始数字图像，以及当维护著作人权益时，需要对第一数字水印进行定位篡改。定位篡改具体为：将第一数字水印从第一数字图像中提取出来，通过对比原始数字水印以及第一数字水印，可以得知原始数字图像被篡改的位置。

发明人在研究过程中，发现现有数字水印技术存在如下缺点：定位篡改时，需要将从第一数字图像中提取出的第一数字水印与原始数字水印进行对比。由于定位篡改时需要原始数字水印，所以，需要将原始数字水印与第一数字图像同时进行传播，而原始数字水印在传播过程中，同第一数字图像一样极易受到恶意攻击。若定位篡改时将从第一数字图像中提取出的第一数字水印与受到恶意攻击的原始数字水印进行对比，显然得到的结果是不准确的。

除此之外，现有数字水印技术在嵌入数字水印时不能很好地解决数字水印自身应具有的鲁棒性与透明性的矛盾。数字水印的鲁棒性是指一个数字水印应该能够承受大量的、有意或无意的、各种物理和几何失真。数字水印的透明性是指视觉上的不可见性，即因嵌入数字水印导致数字图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的。通常情况下，数据量越大，数字水印的鲁棒性越好，但是透明性越差。因此，数字水印所应具备的鲁棒性与透明性之间的矛盾不能很好的解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置，以解决现有技术定位篡改时，需要将从第一数字图像中提取出的第一数字水印与原始数字水印进行对比的问题。

一种数字水印的嵌入方法，所述方法包括：

计算数字水印嵌入参数，并提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

优选地，所述提取原始数字图像的水平线的具体实现为：

根据原始数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及原始数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示原始数字图像水平线的矩阵，所述表示原始数字图像水平线的矩阵对应的数字图像为原始数字图像的水平线。

优选地，所述计算数字水印嵌入参数的具体实现为：

计算数字水印嵌入强度；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入的具体实现为：

根据所述数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列进行嵌入。

可选地，所述计算数字水印嵌入参数还包括：

计算数字水印的临界噪声阈值JND；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入的具体实现为：

根据所述数字水印的JND、所述数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列进行嵌入。

优选地，计算数字水印嵌入强度的具体实现为：

将原始数字图像进行分块；

对每块进行1级离散小波变换DWT变换，得到高频水平分量以及高频垂直分量；

根据预先设定的阈值、所述高频水平分量以及高频垂直分量计算数字水印嵌入强度。

优选地，所述计算数字图像的JND的具体实现为：

将原始数字图像进行分块；

根据对比灵敏度的上限值、每块的亮度平均值、预先设定的灰度范围值计算每块的亮度值对噪声的掩盖因子；

利用每块的每种灰度值在该块中所占的比例计算每块的熵值；

根据所述掩盖因子以及熵值计算每块的可允许噪声阈值；

根据所述可允许噪声阈值以及规一化范围的端点值计算JND。

一种数字水印定位篡改的方法，所述方法包括：

从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，所述第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

对比提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

根据第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线的对比进行定位篡改。

优选地，从第一数字图像中提取第一数字图像的水平线的具体实现为：

根据第一数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及第一数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示第一数字图像水平线的矩阵，所述表示第一数字图像水平线的矩阵对应的第一数字图像为第一数字图像的水平线。

优选地，从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印的具体实现为：

将所述第一数字图像进行分块；

对每块进行1级DWT变换得到高频水平分量以及高频垂直分量；

根据原始数字水印与高频水平分量以及高频垂直分量与的对应关系得到第一数字水印嵌入序列；

将所述第一数字水印嵌入序列进行Arnold置乱反变换得到所述第一数字水印。

一种提取数字图像水平线的方法，所述方法包括：

根据数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示数字图像水平线的矩阵，所述表示数字图像水平线的矩阵对应的数字图像为数字图像的水平线。

优选地，所述由所述矩阵生成表示数字图像水平线的矩阵的具体实现为：

如果矩阵中表示像素点的值的上、下、左、右四邻域的值全为0，则将所述表示像素点的值记为1，如果所述表示像素点的值的上、下、左、右四邻域的值的全为1，或者，部分为1且部分为0，则所述表示像素点的值不变，得到的即为表示数字图像水平线的矩阵。

一种数字水印嵌入的装置，所述装置包括：

计算单元，用于计算数字水印嵌入参数；

数字水印嵌入序列生成单元，用于提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

嵌入单元，用于根据所述计算单元计算的参数以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

优选地，所述计算单元包括：

数字水印嵌入强度计算单元，用于计算数字水印嵌入强度；

嵌入单元用于根据所述数字水印嵌入强度计算单元计算的数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入。

可选地，所述计算单元还包括：

数字水印JND计算单元，用于计算数字水印的JND；

所述嵌入单元用于根据所述数字水印JND计算单元计算的JND、所述数字水印嵌入强度计算单元计算的数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入。

优选地，所述数字水印嵌入强度计算单元包括：

第一分块单元，用于将原始数字图像进行分块；

第一变换单元，用于对每块进行1级DWT变换，得到高频水平分量以及高频垂直分量；

数字水印嵌入强度单元，用于根据预先设定的阈值、所述变换单元得到的高频水平分量以及高频垂直分量计算数字水印嵌入强度。

优选地，所述数字水印JND计算单元包括：

第二分块单元，用于将原始数字图像进行分块；

掩盖因子单元，用于根据对比灵敏度的上限值、每块的亮度平均值、预先设定的灰度范围值计算每块的亮度值对噪声的掩盖因子；

熵值单元，用于利用每块的每种灰度值在该块中所占的比例计算每块的熵值；

可允许噪声阈值单元，用于利用所述掩盖因子单元计算的掩盖因子以及所述熵值单元计算的熵值计算每块的可允许噪声阈值；

JND单元，用于根据所述可允许噪声阈值单元计算的可允许噪声阈值以及规一化范围的端点值计算JND。

一种数字水印定位篡改的装置，所述装置包括：

提取单元，用于从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

对比单元，用于对比所述提取单元提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

定位篡改单元，用于根据所述对比单元的对比进行定位篡改。

可以看出，本发明具有如下有益效果：在定位篡改时，由于将第一数字水印与第一数字图像的水平线进行对比，因此不用借助原始数字水印，避免了原始数字水印在传播过程中受到恶意攻击，导致定位篡改的结果的不准确。具体为：对于第一数字图像的水平线，即使对第一数字图像进行了恶意攻击，第一数字图像的水平线与原始数字图像的水平线相比，只有篡改部分发生了变化，由于数字图像的水平线所选取的阈值非常稳定，未篡改部分仍然非常相近，因此，可以将第一数字图像的水平线作为定位篡改的依据。对于第一数字水印，在对第一数字图像进行定位篡改时，从第一数字图像中提取出第一数字水印以及第一数字图像的水平线，由于在提取第一数字水印时Arnold置乱技术的应用，它通过把遭到损坏的原先集中在一起的比特分散开来，减小了对人视觉的影响，从而提取的第一数字水印跟原来嵌入时的原始数字水印很相近。由于原始数字水印是原始数字图像的水平线，则第一数字水印与原始数字图像的水平线很相近。因此，对比第一数字水印与第一数字图像的水平线时，只有第一数字图像的水平线被篡改的部分变化较大，即可实现定位篡改。

此外，本发明实施例在数字水印嵌入时，考虑了JND这一因素，有效解决了数字水印鲁棒性与透明性之间的矛盾。

附图说明

图1为本发明数字水印嵌入方法流程图；

图2为本发明数字水印嵌入方法实施例流程图；

图3为本发明原始数字图像、水平集、水平线示意图；

图4为本发明数字水印定位篡改方法流程图；

图5为本发明数字水印嵌入装置结构图；

图6为本发明数字水印定位篡改装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征、优点更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

请参考图1，示出了本发明数字水印嵌入方法流程图，包括：

步骤101：计算数字水印嵌入参数，并提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

步骤102：根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

下面结合实施例对图1所示各步进行详细说明。

本发明数字水印嵌入实施例可以分为四个部分，分别是求出数字水印嵌入序列、计算数字水印嵌入强度值、计算临界噪声阈值JND(Just NoticableDifference)以及根据数字水印嵌入强度值和JND进行嵌入。

在包含上述本发明实施例四个部分的基础上，本发明实施例可以包含以下步骤，请参考图2所示：

步骤201：提取原始数字图像的水平线并将原始数字图像进行分块；

步骤202：将提出的水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列，并对每块计算JND以及数字水印嵌入强度；

步骤203：利用数字水印嵌入序列、JND、数字水印嵌入强度进行嵌入；

步骤204：对每个块进行1级离散小波变换DWT反变换得到第一数字图像。

下面对图2所示步骤进行详细说明。假设原始数字图像为m×m的矩阵。首先，求出数字水印嵌入序列。本发明实施例利用数字图像的自身特性-水平线生成数字水印嵌入序列。在说明在前，首先引入水平集的概念，定义图像在阈值为λ的水平集为：数字图像中所有大于等于λ的像素值组成的集合。

其中，λ由直方图求出。定义直方图为：H(D)＝-dA(D)/dD，

其中，A(D)称为阈值面积函数，为图像中具有像素值D的所有轮廓所包围的面积。

λ的选取位于直方图两峰之间的最低点。由于直方图是阈值面积函数的导数，所以，两峰之间的最低点变化最缓慢，即λ的变化最缓慢。进而，选取λ作为水平集的阈值，将使得水平集的变化最缓慢。

水平线是水平集构成的图像的边缘，由于水平集的变化最缓慢，所以水平线对原始数字图像来说变化最缓慢，或者几乎不发生变化。

请参考图3，为原始数字图像301、原始数字图像的水平集构成的图像302、原始数字图像的水平线303的示意图。在图3中，原始数字图像的水平集是由大于λ的像素值组成的集合构成的图像，原始数字图像的水平线是原始数字图像的水平集构成的图像的边缘。

以上对原始数字图像的水平线进行了详细说明，在了解原始数字图像水平线概念的基础上，下面对如何求出原始数字图像的水平线进行详细说明，可以包括以下步骤：

首先需要指出的是：在本实施例中，由于计算数字水印嵌入强度值以及计算JND需要将原始数字图像进行4×4分块，所以，求出原始数字图像水平线之前需要将原始数字图像的长与宽各缩小为原来的四分之一。另外，根据对原始数字图像不同的分块，在求原始数字图像水平线时对原始数字图像缩小的比例不局限于此。

步骤A1、从原始数字图像像素值D的直方图中确定阈值λ；

步骤A2、将原始数字图像中像素值大于等于λ的像素点标记为1，将原始数字图像中像素值小于λ的像素点标记为0，得到数值为0或1的m×m矩阵，记为levelset；

步骤A2仅为较佳实施例，其实施并不局限于此种方法。

步骤A3、将得到的levelset进行矩阵扩展，扩展成(m+2)×(m+2)的矩阵，记为levelset′，并将扩展的数值全部赋予值0，便于后续处理；

步骤A4、将得到的levelset′进行四邻域反填充，得到水平线，具体为：假设levelset′的行为i，列为j，对于levelset′中位于2≤i≤m+1、2≤j≤m+1的像素点，如果其上、下、左、右四邻域的值全为0，则将像素点的值记为1，如果其上、下、左、右四邻域的值全为1，则该像素点的值不变，如果其上、下、左、右四邻域的值不全为1或者不全为0，则该像素点的值仍然不变。这样得到的m×m的矩阵即为原始数字图像的水平线。

步骤A4为本发明的较佳实施例，根据步骤A2不同的标记方法，步骤A4的实施不局限于此。

为了便于理解步骤A4，请参考图3，在图3的原始数字图像的水平集构成的图像302中，黑色部分的像素值为0，白色部分的像素值为1，即原始数字图像的水平集为白色，其余部分为黑色。假设黑色部分某个像素点，如果其上、下、左、右的四个像素点的值均为0，则将该像素点的值置为1，以及，如果其上、下、左、右四邻域的值全为1，则该像素点的值不变，对应于图3中原始数字图像的水平线303的白色部分。如果其上、下、左、右四邻域的值不全为1或者不全为0，则该像素点的值不变，对应于图3中原始数字图像的水平线303中的图像轮廓，即原始数字图像水平线。

步骤A5、将得到的原始数字图像的水平线进行Arnold置乱，得到数字水印嵌入序列。本发明实施例中，数字水印嵌入序列由0和1组成，即ω(i，j)为0或者1。本步骤中，置乱技术不局限于此，例如，还可以使用幻方置乱技术。

下面计算数字水印嵌入强度值。

步骤B1、将原始数字图像进行4×4分块；

步骤B1进行的4×4分块仅为较佳实施例，分块的处理不局限于4×4方式，例如可以是2×2，或者6×6。

步骤B2、将得到的每个块进行1级DWT变换，得到每个块的两个分量，即高频水平分量HL、高频垂直分量LH；

步骤B3、利用公式(1)计算每个块HL、LH分量的数字水印嵌入强度值；

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\μ},v}^{\mathrm{\θ}}(x,y)=\frac{\left|D_{\mathrm{\μ},v}^{\mathrm{\θ}}(x,y)\right|+\mathrm{\Δ}}{\underset{x=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right|D_{\mathrm{\μ},v}^{\mathrm{\θ}}(x,y)|+\mathrm{\Δ}\}}---\left(1\right)$

其中，Δ是预先设定的阈值，为了防止公式(1)的分母为0，D_μ，v ^θ表示原始数字图像的第(u，v)块进行1级DWT变换后的θ分量，θ∈{LH，HL，HH}，x、y表示每个分量矩阵的下标值，x∈{0，1}，y∈{0，1}。

至此，计算出了数字水印嵌入强度值，数字水印嵌入强度值表示可嵌入数据量的强度因子。下面对计算JND进行详细说明。

JND充分利用了人类视觉系统的屏蔽特性，对人眼的某些视觉现象进行了观察分析，并结合了视觉心理等因素。可以包括以下步骤：

步骤C1、与B1相同，将原始数字图像进行4×4分块；

步骤C2、利用公式(2)计算每块的亮度值(即每块灰度值的和的平均值)对噪声的掩盖因子ω(μ，v)

$\mathrm{\&omega;}(u,v)=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{(\mathrm{\&beta;}-0.02){[\mathrm{ave}(u,v)-I_1]}^2}{I_1^2}+0.02,& \mathrm{if}& \mathrm{ave}(u,v)\&le;I_1\\ 0.02,& \mathrm{if}& I_1<\mathrm{ave}(u,v)\&le;I_2\\ \frac{(\mathrm{\&beta;}-0.02){[\mathrm{ave}(u,v)-I_2]}^2}{{(255-I_2)}^2}+0.02,& \mathrm{if}& \mathrm{ave}(u,v)>I_2\end{array}\right..---\left(2\right)$

公式(2)中，β表示对比灵敏度的最大值，ave(u，v)表示原始数字图像第(u，v)块的亮度平均值，I₁，I₂分别为预先设定的灰度范围值。

步骤C3、利用公式(3)计算每个块的熵值，其中ρ_k是4×4小块中每种灰度像素值在此块中所占百分比。

$H(u,v)=-\underset{k=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_k{\log }_2{\mathrm{\&rho;}}_k---\left(3\right)$

步骤C4、根据步骤C2与C3，计算每个块的可允许噪声阈值J′(u，v)，即

J′(u，v)＝ω(μ，v)×H(u，v)           (4)

步骤C5、对J′(u，v)进行规一化处理，利用公式(5)求出每个块的JND，其中，规一化范围是(c，d)，且c、d大于0，

$J(\mathrm{\&mu;},\mathrm{\&nu;})=\frac{d-c}{\max \left(J^{\&prime;}\right)-\min \left(J^{\&prime;}\right)}[J^{\&prime;}(u,v)-\min \left(J^{\&prime;}\right)]+c---\left(5\right)$

以上对求数字水印嵌入序列，计算数字水印嵌入强度值，计算JND进行了详细说明，下面详细说明利用数字水印嵌入序列、数字水印嵌入强度值以及JND进行嵌入。

本发明实施例利用公式(6)进行嵌入：

根据公式(6)，可以得出如下关系：对于dif＝sum(D_HL)-sum(D_LH)，有：

$\mathrm{dif}=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{u,v}^{\mathrm{HL}}(i,j)+\frac{J(u,v)-\mathrm{dif}}{2}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_{u,v}^{\mathrm{HL}}-\{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{u,v}^{\mathrm{LH}}(i,j)-\frac{J(u,v)-\mathrm{dif}}{2}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_{u,v}^{\mathrm{LH}}\}$

$=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{u,v}^{\mathrm{HL}}(i,j)-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{u,v}^{\mathrm{LH}}(i,j)+\frac{J(u,v)-\mathrm{dif}}{2}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\{{\mathrm{\&lambda;}}_{u,v}^{\mathrm{HL}}+{\mathrm{\&lambda;}}_{u,v}^{\mathrm{LH}}\}$

$=\mathrm{dif}+\frac{J(u,v)-\mathrm{dif}}{2}*2$

$=J(u,v)$

由公式(5)计算得出的J(u，v)恒大于0，所以dif＝sum(D_HL)-sum(D_LH)恒大于0。

所以，当ω(i，j)＝1时，sum(D_HL)＞sum(D_LH)；

对于dif＝sum(D_LH)-sum(D_HL)，同样有dif＝J(u，v)，所以，当ω(i，j)＝0时，sum(D_HL)＜sum(D_LH)。

嵌入之后，对每个块进行1级DWT变换即可得到第一数字图像。

至此，对本发明数字水印嵌入方法实施例进行了详细说明。

将原始数字水印嵌入原始数字图像后，即可得到第一数字图像，当需要对第一数字图像进行定位篡改时，请参考图4所示，包括以下步骤：

步骤401：从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，所述第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

步骤402：对比提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

步骤403：根据第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线的对比进行定位篡改。

下面结合实施例进行详细说明。图4所示定位篡改的步骤可以分为两个部分，一个部分是提取部分，即从第一数字图像中提取出第一数字水印以及第一数字图像的水平线，另一个部分是定位篡改部分，即比较所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线，得到差值图像，根据所述差值图像进行定位篡改。下面分别进行说明。

对于提取部分，分为提取第一数字水印以及提取第一数字图像的水平线。提取第一数字图像的水平线与本发明数字水印嵌入实施例部分的步骤A1至A5相同，不同之处仅在于步骤A1至A5提取原始数字图像的水平线，而此处是提取第一数字图像的水平线，在此不再赘述。

提取第一数字水印可以包括以下步骤：

步骤D1：将第一数字图像进行4×4分块；

需要指出的是，在步骤D1进行的分块需要与第一数字图像中的第一数字水印嵌入时进行的分块相同，在本发明数字水印嵌入实施例中进行了4×4分块，在提取时，根据第一数字图像可以解析出曾经嵌入原始数字水印时进行了4×4分块，所以，在提取时，也要进行4×4分块。另外，步骤D1进行的4×4分块仅为较佳实施例，根据嵌入时进行的不同分块，提取时分块的处理不局限于4×4方式，例如可以是2×2，或者6×6。

步骤D2：对第一数字图像的每块进行1级DWT变换，得到HL以及LH分量；

步骤D3：判断sum(D_HL)与sum(D_LH)的大小关系，若sum(D_HL)＞sum(D_LH)，则第一数字水印嵌入序列的数字水印值为1，否则，数字水印值为0；

步骤D4：根据步骤503得到的0、1序列得到第一数字水印嵌入序列；

步骤D5：将数字水印嵌入序列进行Arnold置乱反变换得到第一数字水印。

步骤D5中，通过置乱技术得到第一数字水印的方法不局限于此，例如，还可以通过幻方置乱技术得到第一数字水印。但是所应用的置乱技术应与步骤A5中应用的置乱技术相同，例如，在本发明实施例中，步骤A5应用了Arnold置乱技术，所以，在步骤D5中，也相应地应用了Arnold置乱技术。

从第一数字图像中提取出第一数字水印以及第一数字图像的水平线后，将第一数字水印与第一数字图像的水平线进行对比，对比的方法可以包括：将得到第一数字水印与第一数字图像进行异或，或者，将得到的第一数字水印与第一数字图像的相应点的值相减，并取差值的绝对值，可以得到一个差值图像，对差值图像进行分析即实现了对第一数字图像的定位篡改。

可以看出，由于产生水平线所选取的阈值非常稳定，即使对第一数字图像进行了恶意攻击，第一数字图像的水平线与原始数字图像的水平线相比，未篡改部分仍然非常相近，因此，可以将第一数字图像的水平线作为定位篡改的依据。在对第一数字图像进行定位篡改时，从第一数字图像中提取出第一数字水印以及第一数字图像的水平线，由于在提取第一数字水印时Arnold置乱技术的应用，它通过把遭到损坏的原先集中在一起的比特分散开来，减小了对人视觉的影响，从而提取的第一数字水印跟原来嵌入时的原始数字水印很相近。由于篡改部分形成的水平线只在第一数字图像的水平线中出现，此时将第一数字水印以及第一数字图像的水平线进行对比，即可实现定位篡改。

从而，不用借助原始数字水印，避免了原始数字水印在传播过程中受到恶意攻击，导致定位篡改的结果的不准确。

此外，本发明实施例在数字水印嵌入时，考虑了JND这一因素，有效解决了数字水印鲁棒性与透明性之间的矛盾。

请参考图5，示出了本发明的数字水印嵌入的装置结构图，包括：

计算单元501，用于计算数字水印嵌入参数；

数字水印嵌入序列生成单元502，用于提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

嵌入单元503，用于根据所述计算单元计算的参数以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

基于图5所示的装置，在本发明嵌入装置实施例中，所述计算单元可以包括：

数字水印嵌入强度计算单元501-1，用于计算数字水印嵌入强度；

所述计算单元还可以包括：

数字水印JND计算单元501-2，用于计算数字水印的JND；

所述数字水印嵌入强度计算单元可以包括：

第一分块单元501-1-1，用于将原始数字图像进行分块；

第一变换单元501-1-2，用于对每块进行1级DWT变换，得到高频水平分量以及高频垂直分量；

数字水印嵌入强度单元501-1-3，用于根据预先设定的阈值、所述变换单元得到的高频水平分量以及高频垂直分量计算数字水印嵌入强度。

所述数字水印JND计算单元可以包括：

第二分块单元501-2-1，用于将原始数字图像进行分块；

掩盖因子单元501-2-2，用于根据对比灵敏度的上限值、每块的亮度平均值、预先设定的灰度范围值计算每块的亮度值对噪声的掩盖因子；

熵值单元501-2-3，用于利用每块的每种灰度值在该块中所占的比例计算每块的熵值；

可允许噪声阈值单元501-2-4，用于利用所述掩盖因子单元计算的掩盖因子以及所述熵值单元计算的熵值计算每块的可允许噪声阈值；

JND单元501-2-5，用于根据所述可允许噪声阈值单元计算的可允许噪声阈值以及规一化范围的端点值计算JND。

下面结合方法实施例对图5各单元所执行的步骤进行详细说明。

第一分块单元将原始数字图像进行4×4分块，第一变换单元将每块进行1级DWT变换，得到HL以及LH，数字水印嵌入强度单元利用方法实施例的公式(1)计算数字水印嵌入强度。

由于第一分块单元进行了4×4分块，第二分块单元同样将原始数字图像进行4×4分块，掩盖因子单元利用方法实施例公式(2)计算出每块的亮度值对噪声的掩盖因子，熵值单元利用方法实施例公式(3)计算出每块的熵值，可允许噪声阈值单元利用方法实施例公式(4)计算出可允许噪声阈值，JND单元利用方法实施例公式(5)计算每块的JND。

嵌入单元利用方法实施例公式(6)进行嵌入，对每个块进行1级反DWT变换得到第一数字图像。

以上对本发明嵌入装置实施例进行了详细说明，下面对定位篡改装置进行说明。

请参考图6，在本发明定位篡改装置中，包括：

提取单元601，用于从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

对比单元602，用于对比所述提取单元提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

定位篡改单元603，用于根据所述对比单元的对比进行定位篡改。

在定位篡改装置实施例中，提取单元对于提取第一数字水印执行的步骤与定位篡改方法实施例图5所示的步骤相同，具体请参考图5，在此不再赘述。

以上对本发明装置实施例进行了详细说明，可以看出，定位篡改时，提取单元从第一数字图像中提取第一数字水印以及第一数字图像的水平线，由于数字图像的水平线非常稳定，而且，原始数字水印在嵌入时也是根据原始数字图像的水平线进行嵌入的，所以，在原始数字水印嵌入原始数字图像，称为第一数字水印后，将第一数字水印与第一数字图像的水平线相比较，即可实现定位篡改。从而，不用借助原始数字水印，避免了原始数字水印在传播过程中受到恶意攻击，导致定位篡改的结果的不准确。

此外，本发明实施例在数字水印嵌入时，考虑了JND这一因素，有效解决了数字水印鲁棒性与透明性之间的矛盾。

本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种数字水印的嵌入、定位篡改方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

1、一种数字水印的嵌入方法，其特征在于，所述方法包括：

计算数字水印嵌入参数，并提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取原始数字图像的水平线的具体实现为：

根据原始数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及原始数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示原始数字图像水平线的矩阵，所述表示原始数字图像水平线的矩阵对应的数字图像为原始数字图像的水平线。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算数字水印嵌入参数的具体实现为：

计算数字水印嵌入强度；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入的具体实现为：

根据所述数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列进行嵌入。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算数字水印嵌入参数还包括：

计算数字水印的临界噪声阈值JND；

根据所述数字水印嵌入参数以及数字水印嵌入序列进行嵌入的具体实现为：

根据所述数字水印的JND、所述数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列进行嵌入。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算数字水印嵌入强度的具体实现为：

将原始数字图像进行分块；

对每块进行1级离散小波变换DWT变换，得到高频水平分量以及高频垂直分量；

根据预先设定的阈值、所述高频水平分量以及高频垂直分量计算数字水印嵌入强度。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算数字图像的JND的具体实现为：

将原始数字图像进行分块；

根据对比灵敏度的上限值、每块的亮度平均值、预先设定的灰度范围值计算每块的亮度值对噪声的掩盖因子；

利用每块的每种灰度值在该块中所占的比例计算每块的熵值；

根据所述掩盖因子以及熵值计算每块的可允许噪声阈值；

根据所述可允许噪声阈值以及规一化范围的端点值计算JND。

7、一种数字水印定位篡改的方法，其特征在于，所述方法包括：

从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，所述第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

对比提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

根据第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线的对比进行定位篡改。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，从第一数字图像中提取第一数字图像的水平线的具体实现为：

根据第一数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及第一数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示第一数字图像水平线的矩阵，所述表示第一数字图像水平线的矩阵对应的第一数字图像为第一数字图像的水平线。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印的具体实现为：

将所述第一数字图像进行分块；

对每块进行1级DWT变换得到高频水平分量以及高频垂直分量；

根据原始数字水印与高频水平分量以及高频垂直分量与的对应关系得到第一数字水印嵌入序列；

将所述第一数字水印嵌入序列进行Arnold置乱反变换得到所述第一数字水印。

10、一种提取数字图像水平线的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据数字图像确定阈值；

根据所述阈值以及数字图像像素点的像素值构造矩阵；

由所述矩阵生成表示数字图像水平线的矩阵，所述表示数字图像水平线的矩阵对应的数字图像为数字图像的水平线。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述由所述矩阵生成表示数字图像水平线的矩阵的具体实现为：

如果矩阵中表示像素点的值的上、下、左、右四邻域的值全为0，则将所述表示像素点的值记为1，如果所述表示像素点的值的上、下、左、右四邻域的值的全为1，或者，部分为1且部分为0，则所述表示像素点的值不变，得到的即为表示数字图像水平线的矩阵。

12、一种数字水印嵌入的装置，其特征在于，所述装置包括：

计算单元，用于计算数字水印嵌入参数；

数字水印嵌入序列生成单元，用于提取原始数字图像的水平线，对所述水平线进行置乱生成数字水印嵌入序列；

嵌入单元，用于根据所述计算单元计算的参数以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入，并生成第一数字图像，第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括：

数字水印嵌入强度计算单元，用于计算数字水印嵌入强度；

嵌入单元用于根据所述数字水印嵌入强度计算单元计算的数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入。

14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述计算单元还包括：

数字水印JND计算单元，用于计算数字水印的JND；

所述嵌入单元用于根据所述数字水印JND计算单元计算的JND、所述数字水印嵌入强度计算单元计算的数字水印嵌入强度以及所述数字水印嵌入序列生成单元生成的数字水印嵌入序列进行嵌入。

15、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述数字水印嵌入强度计算单元包括：

第一分块单元，用于将原始数字图像进行分块；

第一变换单元，用于对每块进行1级DWT变换，得到高频水平分量以及高频垂直分量；

数字水印嵌入强度单元，用于根据预先设定的阈值、所述变换单元得到的高频水平分量以及高频垂直分量计算数字水印嵌入强度。

16、根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述数字水印JND计算单元包括：

第二分块单元，用于将原始数字图像进行分块；

掩盖因子单元，用于根据对比灵敏度的上限值、每块的亮度平均值、预先设定的灰度范围值计算每块的亮度值对噪声的掩盖因子；

熵值单元，用于利用每块的每种灰度值在该块中所占的比例计算每块的熵值；

可允许噪声阈值单元，用于利用所述掩盖因子单元计算的掩盖因子以及所述熵值单元计算的熵值计算每块的可允许噪声阈值；

JND单元，用于根据所述可允许噪声阈值单元计算的可允许噪声阈值以及规一化范围的端点值计算JND。

17、一种数字水印定位篡改的装置，其特征在于，所述装置包括：

提取单元，用于从第一数字图像中通过置乱技术提取第一数字水印，并且从所述第一数字图像中提取所述第一数字图像的水平线，所述第一数字图像为嵌入了数字水印进行传播的数字图像，第一数字水印为所述第一数字图像中嵌入的数字水印；

对比单元，用于对比所述提取单元提取出的所述第一数字水印以及所述第一数字图像的水平线；

定位篡改单元，用于根据所述对比单元的对比进行定位篡改。

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