CN101719265B - 基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统。该方法包括：按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；将原始载体图像分成若干个互不重叠的子图像块，每个图像块包括为8×8个像素点，再分别对每个块进行傅里叶变换；将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中，获取嵌入后的频域图像；将嵌入后的频域图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。本发明将博奇型计算全息图的不可撕毁性特点以及傅里叶变换的抗裁剪性能运用到数字水印中，在傅里叶频域中分块嵌入水印，在受到80％以上的强裁剪攻击的情况下，仍然能够提取出清晰的水印信息。

Description

基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统

技术领域

本发明涉及数字图像版权保护技术，尤其涉及一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统。

背景技术

网络技术以及通信技术的高速发展为人们在网络上传递和交换各种信息提供了便利，但同时也给不法分子获取和传播数字产品提供了更为便利的渠道。因此，保护数字产品版权以及防止盗版已经成为数字产品和网络应用面临的严峻问题之一。数字图像水印技术是一种在载体图像中隐藏携带有知识产权信息等内容的水印信息，通过水印提取和检测技术恢复版权信息，达到保护数字版权的目的。为了实际应用的需要，要求数字水印具有良好的鲁棒性，以抵抗各种有意的或是无意的攻击。

数字水印一般分为可感知的水印和不可感知的水印。可感知的水印一般选用比较淡或者半透明的图案嵌入到载体图像中，以证明载体图像的归属信息和版权信息，同时又不影响对载体图像的观赏，从而防止非法的商业用途。不可感知的水印主要用来保护版权。和可感知的水印相反，不可感知的水印一般从表面上是察觉不出来的。虽然它在传播的过程中，无法避免非法复制和传播；但是，产品所有者可以通过水印提取的方法，从载体图像中提取能证明产品版权的信息，以证明产品的所有权，防止版权纠纷。不可感知水印是应用比较广的水印方案，其最重要的特性就是既要保持水印的不可感知性，又要保持图像的鲁棒性来抗击各种攻击。

一个数字水印方案一般综合利用图像处理、信号处理、密码学、数字通信等领域的技术为基础，而形成不同的水印算法。从嵌入域来看，数字水印的嵌入算法一般分为空间域水印算法和变换域水印算法。

1)空间域数字水印：空间域数字水印是一种改变载体图像像素信息，将数字水印信息直接加入到载体图像中的数字水印方法。主要分为以下几种空间域的算法：最低有效位方法、patchwork方法等。总体而言，空间域的算法相对于变换域来说，容易受到各种攻击而破坏水印，因而鲁棒性比较弱。

2)变换域数字水印：变换域数字水印是一种基于图像的变换域(如离散余弦变换(DCT)、离散小波变换(DWT)、离散傅里叶变换(DFT)等)，嵌入水印信息。总体来说，变换域水印方法利用一些图像变化的方法，如离散余弦变换(DCT)、离散小波变换(DWT)、离散傅里叶变换(DFT)等变化方法将空间域的数字图像数据转化为相应的频域的系数；然后，根据水印的具体情况，选取频域系数中合适的系数，或进行相应的编码或者变形等方法，按照某种规则和嵌入方法，将水印嵌入到原图像的频域系数中；最后，将嵌入后的原图的频域系数通过相应的反变化转化为空间数据，得到嵌入水印的图像。此类方法一般相对于空间域嵌入水印方法而言，复杂性较高，但是具有更强的鲁棒性，能够抗击更多的恶意攻击。

现有的各种技术能够抗击各种噪声、滤波、压缩以及各种几何攻击等等恶意攻击。比如，基于分块DCT域的水印方案，在中频系数中嵌入水印信息，来抗击有损压缩和低通滤波；基于DWT变换的水印方案，将水印信息嵌入到HH，HL和LH等细节子图的有较大值的系数上，来抗击JPEG2000等压缩攻击；基于DFT变换的幅值对RST(旋转(rotation)、比例缩放(scale)、平移(translation))操作的不变性，产生了一种Mellin-Fourier变换，来有效的抗击几何攻击等等。

然而，现有的大多数水印方案虽然能够抗击各种类型的攻击，但是对于某一种类型的攻击鲁棒性并不强，如抗强裁剪攻击的能力较弱，或者不能抗击强裁剪攻击。而在实际的传播过程中，传播的图像可能受到裁剪、遮挡以及污染等无意或者有意攻击。如果在受到这些攻击后，不能提取出原来的水印信息，或者提取出来的水印信息不清晰，必然会影响到版权纠纷问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统。基于本发明，能够有效的抗击强裁剪攻击从而更好的保护数字图像的版权信息。

本发明是一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法，包括如下步骤：博奇型全息水印计算步骤，按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；载体图像分割及傅里叶变换步骤，将原始载体图像分成多个互不重叠的子图像块，每个图像块包括为8×8个像素点，再分别对每个块进行傅里叶变换；嵌入步骤，将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中，获取嵌入后的频域图像；逆傅里叶变换步骤，将嵌入后的频域图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述博奇型全息水印计算步骤中，所述将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印具体包括如下步骤：调整步骤，依据W′(p，q)＝W(p，q)·e^j2πφ调整所述原始水印图像，其中，W(p，q)为原始水印图像，φ为均匀分布在(0，1)之间的随机变量，W′(p，q)为调整后的水印图像；记录步骤，将W′(p，q)经过傅里叶变化后转化为O(x，y)，然后，根据博奇型计算全息图的制作原理，

将原始水印记录成为博奇型计算全息图；式中，K为一常数，O(x，y)是W′(p，q)经过傅里叶变化而得到的含有原始水印信息的函数，R(x，y)＝R·e^j2παx为平行参考光函数。通过此步骤，成功的将原始水印制作成为一个博奇型数字全息图h(x，y)。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述嵌入步骤中，按照嵌入强度0.05将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述原始水印图像为黑白图像。

另一方面，本发明还提供了一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入系统，包括：博奇型全息水印计算模块，用于按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；载体图像分割及傅里叶变换模块，用于将原始载体图像分成多个个互不重叠的子图像块，每个图像块包括为8×8个像素点，再分别对每个块进行傅里叶变换；嵌入模块，用于将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中，获取嵌入后的频域图像；逆傅里叶变换模块，用于将嵌入后的频域图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

上述数字图像水印嵌入系统中，优选所述博奇型全息水印计算模块中，所述将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印具体包括：调整单元，用于依据W′(p，q)＝W(p，q)·e^j2πφ调整所述原始水印图像，其中，W(p，q)为原始水印图像，φ为均匀分布在(0，1)之间的随机变量，W′(p，q)为调整后的水印图像；记录单元，用于将W′(p，q)经过傅里叶变化后转化为O(x，y)；然后，根据博奇型计算全息图的制作原理，

将原始水印记录成为博奇型计算全息图；式中，K为一常数，O(x，y)是W′(p，q)经过傅里叶变化后得到的含有原始水印信息的函数，R(x，y)＝R·e^j2παx为平行参考光函数。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述嵌入模块中，按照嵌入强度0.05将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述原始水印图像为黑白图像。

本发明将博奇型计算全息图的不可撕毁性特点以及傅里叶变换的抗裁剪性能运用到数字水印中，在傅里叶频域中分块嵌入水印，在受到80％以上的强裁剪攻击的情况下，仍然能够提取出清晰的水印信息。

附图说明

图1为本发明基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法实施的步骤流程图；

图2a为原始水印图像示意图；

图2b为原始水印图像的博奇型计算全息图；

图2c为原始水印图像的再现孪生图像；

图3a为实验一中给定的载体图像和原始水印图像；

图3b为实验一中嵌入原始水印图像后的图像和提取的水印图像；

图3c为实验一中行裁剪强度为87.5％对应的嵌入图像以及最终提取的水印图像；

图3d为实验一中列裁剪强度为87.5％对应的嵌入图像以及最终提取的水印图像；

图3e为实验一中任意裁剪强度为71％对应的嵌入图像以及最终提取的水印图像；

图3f为实验一中任意裁剪强度为77％对应的嵌入图像以及最终提取的水印图像；

图4为NCC值随行裁剪强度变化的示意图；

图5为本发明基于计算机全息的数字图像水印嵌入系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

本发明中，综合博奇型计算全息的不可撕毁性的特性，以及傅里叶变换的抗裁剪性的特性，将原始数字水印制作成一博奇型计算全息图，分块嵌入到载体图像的傅里叶变换域中。通过模拟实验表明，此方案具有良好的抗裁剪性能，在受到80％以上的强裁剪攻击的情况下，仍然能够提取出清晰的水印信息，以达到保护版权的目的。

参照图1，图1为本发明基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法实施例的步骤流程图。包括：博奇型全息水印计算步骤110，按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；载体图像分割及傅里叶变换步骤120，将原始载体图像分成若干个不重叠的子图像块，每个子图像块包含为8×8个像素点，再分别对每个块进行傅里叶变换；嵌入步骤130，将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中，获取嵌入后的频域图像；逆傅里叶变换步骤140，将嵌入后的图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

下面，对上述各个步骤进行更加详细的说明。

首先，介绍一下博奇型计算全息的原理。在试验中，一个记录原始物体的物光函数

一个平行参考光函数R(x，y)＝R·e^j2παx相互干涉，可以得到透射率函数h(x，y)，具体记录过程用公式表示如下：

在以上的博奇型全息记录过程中，常数K代表A(x，y)²+R²的信息。

在本发明的方法中，一个二进制的黑白图像，参照图2a，作为一个原始水印图像W(p，q)。为了减少W(p，q)的全息图的动态范围，我们将W(p，q)乘以一个随机因子2^j2πφ得到W′(p，q)(其中φ均匀分布在(0，1)之间)，即：W′(p，q)＝W(p，q)·e^j2πφ。W′(p，q)经过傅里叶变化后转化为O(x，y)。然后，根据博奇型计算全息图的制作原理，即上述的h(x，y)的公式，从而将原始水印记录成为博奇型计算全息图，如图2b所示。

然后，在全息的再现过程中，根据以下的公式，原始水印可以被再现成一个孪生像。

式子最后一行中的第一部分F<K>是图2c中心的亮点；第二部分

是再现图像中的实像，如图2c中右下角的像所示；第三部分

是再现图像的虚像，如图2c中左上角的像所示。

水印在传播的过程中，可能会受到各种攻击。下面以强裁剪攻击来证明本专利申请的有效性。水印的提取过程为水印嵌入过程的逆过程，主要分为以下几个步骤：

步骤一：将受到攻击后的嵌入水印的图像和原始图像进行傅里叶变换后相减提取出博奇型全息水印的信息(由于受到裁剪攻击，可能只有一部分博奇型全息水印的信息)；

步骤二：根据博奇型全息水印的再现原理，对博奇型全息水印信息进行全息再现过程，从而得到原始水印的信息。

用PSNR(Peak Signal to Noise Rate，即，峰值信噪比)来衡量嵌入水印图像的质量，用NCC(Normalized Cross Correlation，即，归一化互相关)的值来衡量提取水印和原始水印的相似度，分别定义如下：

$\mathrm{PSNR}=10{\log }_{10}\frac{{255}^2}{\frac{1}{N\&times;N}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N-1}{(X_{(i,j)}-R_{(i,j)})}^2}$ 及

$\mathrm{NCC}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{W}_{\mathrm{ij}}{W}_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left(W_{\mathrm{ij}}\right)}^2}$

其中，X_(i，j)代表嵌入水印后的图像在点(i，j)的值，R_(i，j)代表原图在点(i，j)的值。W_ij代表原水印在点(i，j)的值，W′_ij代表提取后的水印在点(i，j)的值。并通过以上的评价参数以及以下的模拟攻击试验，来证明本发明的抗裁剪攻击的鲁棒性。

实验一：对于不同类型的裁剪攻击的鲁棒性测试实验

参照图3a至图3f，其中，图3a包括给定的载体图像和原始水印图像。

图3b包括将图3a中的原始水印图像嵌入载体图像后的图像，其中，嵌入强度为0.05。图3b中的水印图像为根据上述方法提取的水印，经计算，原始水印图像和相似度值NCC为1。

图3c表示行裁剪强度87.5％，提取水印图像和原始水印图像相似度值NCC为0.8030。

图3d表示列裁剪强度87.5％，提取水印图像和原始水印图像相似度值NCC为0.7606。

图3e表示任意裁剪强度为71％，提取水印图像和原始水印图像相似度值NCC为0.7083。

图3f表示任意裁剪强度为77％，提取水印图像和原始水印图像相似度值NCC为0.7407。

实验二：提取水印图像和原始水印图像相似度值NCC随行裁剪强度的变化情况

参照图4，图4中给出了行裁剪强度为25％、50％、75％、87.5％、93.75％时，对应的NCC值分别为0.9672、0.9543、0.9210、0.8357以及0.6454，并给出了最终提取出的水印。提取水印的清晰程度与NCC值一一对应。

通过实验一和实验二可以看出，本发明的核心是提出了一种水印方案来抗击强裁剪攻击：基于对全息技术的调研，利用博奇型计算全息的不可撕毁性的特性，将原始水印信息制作成博奇型计算全息，分块嵌入到载体图像的傅里叶频域中来防止强裁剪攻击。通过模拟实验验证，此方法能够有效的抗击强裁剪攻击，在即使受到80％以上的强裁剪攻击的情况下，仍然能够提出可辨别的水印信息从而保护数字图像的版权信息。

综上所述，在本发明中：

1)利用了博奇型计算全息。而博奇型计算全息是普通Fourier计算全息的一种简化和改进，相对于现有技术中常用到的Fourier计算全息图相比，博奇型计算全息的再现效果更好，并且计算复杂度相对而言也比较简单。

2)利用了傅里叶变化的抗裁剪性能，在傅里叶频域中嵌入水印的全息图。现有技术的某些解决途径只是在空间域嵌入水印的全息图。由于空间域的嵌入方式普遍比频域嵌入方式的鲁棒性要弱，因而它不具有在频域中嵌入水印的优势，在抗击攻击时鲁棒性不强。

3)本发明的分块嵌入，降低了部分信息量的丢失对全图的信息的影响。因而，对于抗裁剪攻击的鲁棒性更佳。

4)优选有意义的黑白图像作为水印。对于选取无直观意义的随机序列作为水印而言，选取图像作为水印更有直观的效果，能更直接的反映原图的版权信息。

另一方面，本发明还提供了一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入系统。参照图5，图5为本发明基于计算机全息的数字图像水印嵌入系统实施例的结构示意图；该系统包括：

博奇型全息水印计算模块50，用于按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；载体图像分割及傅里叶变换模块52，用于将原始载体图像分成若干个不重叠的子图像块，每个子图像块包含为8×8个像素点，再分别对每个块进行傅里叶变换；嵌入模块54，用于将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个块中，获取嵌入后的频域图像；逆傅里叶变换模块56，用于将嵌入后的图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

其中，各个模块的工作原理与上述基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法实施例相同。在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法及其系统进行了详细介绍，本文中应用了具体实施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 (8)

1.一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

博奇型全息水印计算步骤，按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；

载体图像分割及傅里叶变换步骤，将原始载体图像分成多个互不重叠的子图像块，每个子图像块包括为8×8个像素点，再分别对每个子图像块进行傅里叶变换；

嵌入步骤，将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个子图像块中，获取嵌入后的频域图像；

逆傅里叶变换步骤，将嵌入后的频域图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

2.根据权利要求1所述的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，所述博奇型全息水印计算步骤中，所述将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印具体包括如下步骤：

调整步骤，依据W(p，q)＝W(p，q)·e^j2πφ调整所述原始水印图像，其中，W(p，q)为原始水印图像，φ为均匀分布在(0，1)之间的随机变量，W(p，q)为调整后的水印图像；

记录步骤，将W(p，q)经过傅里叶变化后转化为O(x，y)；然后，根据博奇型计算全息图的制作原理，

将原始水印记录成为博奇型计算全息图；

式中，

K为一常数，所述常数K代表A(x，y)²+R²的信息；

O(x，y)是W(p，q)经过傅里叶变化而得到的含有原始水印信息的函数且

R(x，y)为平行参考光函数，且R(x，y)＝R·e^j2παx；通过此步骤，成功的将原始水印制作成为一个博奇型数字全息图h(x，y)。

3.根据权利要求1所述的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，所述嵌入步骤中，按照嵌入强度0.05将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个子图像块中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，所述原始水印图像为黑白图像。

5.一种基于计算机全息的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，包括：

博奇型全息水印计算模块，用于按照博奇型计算全息的原理，将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印；

载体图像分割及傅里叶变换模块，用于将原始载体图像分成多个互不重叠的子图像块，每个子图像块包括为8×8个像素点，再分别对每个子图像块进行傅里叶变换；

嵌入模块，用于将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个子图像块中，获取嵌入后的频域图像；

逆傅里叶变换模块，用于将嵌入后的频域图像进行逆傅里叶变换得到嵌入水印的图像。

6.根据权利要求5所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述博奇型全息水印计算模块中，所述将原始水印图像制作成博奇型计算全息水印具体包括：

调整单元，用于依据W(p，q)＝W(p，q)·e^j2πφ调整所述原始水印图像，其中，W(p，q)为原始水印图像，φ为均匀分布在(0，1)之间的随机变量，W(p，q)为调整后的水印图像；

记录单元，用于将W(p，q)经过傅里叶变化后转化为O(x，y)；然后，根据博奇型计算全息图的制作原理，

将原始水印记录成为博奇型计算全息图；

式中，

K为一常数，所述常数K代表A(x，y)²+R²的信息；

O(x，y)是W(p，q)经过傅里叶变化后得到的含有原始水印信息的函数，且

R(x，y)为平行参考光函数，且R(x，y)＝R·e^j2παx。

7.根据权利要求5所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述嵌入模块中，按照嵌入强度0.05将所述博奇型计算全息水印嵌入到傅里叶变换后的每个子图像块中。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述原始水印图像为黑白图像。

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