CN101751655A - 数字水印的嵌入方法、提取方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字水印的嵌入方法、提取方法及装置，包括：嵌入水印时，根据分块规则将图像划分并组成第一矩阵，进行离散余弦变换得到第二矩阵，替换第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵，进行离散余弦逆变换得到第四矩阵，根据第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改图像。提取水印时，根据与嵌入水印时相同的分块规则将图像划分并组成第一矩阵，进行离散余弦变换得到第二矩阵，根据第二矩阵确定对图像嵌入水印时用于替换指定特征值的阈值，进而提取数字水印。根据该方案，提高了图像中数字水印信息的隐藏性和鲁棒性，以及提高了图像中提取数字水印信息的准确度。

Description

数字水印的嵌入方法、提取方法及其装置

技术领域

本发明涉及数字水印信息技术领域，尤其涉及数字水印的嵌入方法、提取方法及其装置。

背景技术

在全球信息数字化进程的推动下，二值图像作为信息流通的一种重要方式，广泛的分布于各种应用环节。我们平时接触最多的图像、文字等一般都需要通过印刷到纸质媒体上输出，如：个人档案、学历证书、专利证件、商标、产品包装、护照等等。而随着信息技术的发展和高质量图像输入输出设备的进步，数码相机、录像机、扫描仪和打印机等设备和功能强大的软件，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和高精度扫描仪的普及，为人们的工作和生活带来了许多便利，但同时也使各种二值图像的伪造及篡改变得非常容易。出于版权保护、数据完整和数据隐写的考虑，对二值图像数字水印技术的研究提出了更为严峻的要求。

由于二值图像本身的特殊性，即能够利用的图像信息仅由黑白两种像素点构成，随意改变其中任何一种像素点都会造成比较明显的视觉影响，因此在二值图像中实施数字水印技术存在一定的难度。目前，针对二值图像提出的数字水印技术中，主要有如下几种：

现有技术一提出了一种基于像素游程的水印嵌入方法，主要用于传真文件的信息隐藏，该方法的具体技术原理是：通过修改游程边缘的像素点，即修改游程的长度，将游程加1或减1，最终用游程的奇偶性来携带信息。该方法在游程较多时会出现较大的失真，很容易引起视觉上的感知，产生明显的凹凸不平。并且。该方法嵌入的水印信息对打印、扫描等抵抗能力很差，很容易由于打印、扫描之类的攻击而改变游程的奇偶性，对水印信息的提取造成一定的困难，无法准确地检测出携带的水印信息。

现有技术二提出了一种调制行间距的数字水印嵌入方法，类似地也可以通过调制字间距实现数字水印的嵌入，但是这种方法在提取数字水印信息时需要原始文档的参与，即通过与原始文档的行间距或字间距进行对比，确定文档中行间距或字间距的变化，进而根据确定结果提取水印信息，这种方法最大的缺点是在提取水印信息时需要原始文档参与，无法实现盲检测。并且，在水印信息嵌入过程中，若对行间距或字间距改变较多，则容易引起视觉上的感知，若对行间距或字间距改变较少，则不易检测出来。

现有技术三提出了一种基于文字特征的信息隐藏方法，该方法通过改变文字的局部特征以嵌入水印信息，例如，对文字中个别笔画进行上移、下移或伸缩等形成不同的变形字，并通过这些变形字携带水印信息。由于需要对文字之间的笔画连接关系做变形，因此容易引起视觉上的感知，并且该方法嵌入的水印信息对打印、扫描等抵抗能力较差，很容易由于打印、扫描之类的攻击而改变笔画的连接关系，因此无法准确地检测出变形字。

综上所述，现有二值图像的数字水印嵌入技术，容易引起视觉上的感知，对视觉效果影响明显，使通过对原始文档的修改或变形而携带的数字水印容易被发现，导致数字水印的隐藏性差；并且，基于上述现有技术嵌入的数字水印抵抗打印、扫描等攻击的能力差，使得嵌入的数字水印的鲁棒性差，进而给提取数字水印信息带来困难。

发明内容

本发明提供一种数字水印的嵌入方法及其装置，以提高图像中数字水印信息的隐藏性以及鲁棒性。

本发明提供一种数字水印的提取方法及其装置，以提高图像中提取数字水印信息的准确度。

本发明实施例通过如下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种数字水印的嵌入方法，包括如下步骤：

根据分块规则将图像划分为设定数目的图像块，统计每个图像块的特征值，并根据排列规则将统计出的特征值组成第一矩阵；

将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，并根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换所述第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵；

将所述第三矩阵进行离散余弦逆变换得到第四矩阵；

根据所述第四矩阵中的特征值相对于所述第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改所述图像。

本发明实施例还提供了一种数据水印的提取方法，包括如下步骤：

根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则将所述图像划分为设定数目的图像块，统计每个图像块的特征值，并根据与对所述图像嵌入数字水印时相同的排列规则将统计出的特征值组成第一矩阵；

将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，并根据所述第二矩阵中的特征值确定对所述图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值；

根据确定的所述阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，提取嵌入的数字水印。

本发明实施例还提供了一种数字水印的嵌入装置，包括：

图像划分单元，用于根据分块规则将图像划分为设定数目的图像块；

特征值统计单元，用于统计图像划分单元划分得到的每个图像块的特征值；

矩阵处理单元，用于根据排列规则将特征值统计单元统计出的特征值组成第一矩阵，将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换所述第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵，并将所述第三矩阵进行离散余弦逆变换得到第四矩阵；

水印嵌入单元，用于根据矩阵处理单元得到的第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改所述图像。

本发明实施例还提供了一种数字水印的提取装置，包括：

图像划分单元，用于根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则将所述图像划分为设定数目的图像块；

特征值统计单元，用于统计图像划分单元划分得到的每个图像块的特征值；

矩阵处理单元，用于根据与对所述图像嵌入数字水印时相同的排列规则将特征值统计单元统计出的特征值组成第一矩阵，将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵；

水印提取单元，用于根据矩阵处理单元得到的第二矩阵中的特征值确定对所述图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值，并根据确定的所述阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，提取嵌入的数字水印。

通过上述技术方案，本发明实施例能够产生如下有益效果：

在对图像嵌入数字水印时，首先在空域上对该图像划分并组织成空域特征值矩阵(即第一矩阵)，进一步进行离散余弦变换得到频域特征值矩阵(即第二矩阵)，修改该频域特征值矩阵中的指定特征值后，进行离散余弦逆变换得到空域特征值矩阵(即第四矩阵)，并根据经过上述变化的空域特征值矩阵中的特征值相对于变化前的空域特征值矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并基于该确定结果修改图像。该方案充分利用图像在空域和频域上的转换关系，将图像的空域特征和频域特征相结合，使得嵌入的数字水印的视觉隐藏效果好，并且抵抗打印、扫描等攻击的鲁棒性高。

在对图像提取数字水印时，根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则以及排列规则，对图像划分并组织成空域特征值矩阵(即第一矩阵)，进一步进行离散余弦变换得到频域特征值矩阵(即第二矩阵)，并根据该频域特征值矩阵中的特征值确定对图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值，从而根据确定出的阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，提取嵌入的数字水印。该方案充分利用频域特征值矩阵相对稳定的特征，根据频域特征值矩阵中的特征值提取嵌入的数字水印，准确度高。

附图说明

图1为本发明实施例中对图像嵌入数字水印的方法流程图；

图2为本发明实施例中对图像进行分块的示意图一；

图3为本发明实施例中各个矩阵的关系示意图；

图4为本发明实施例中对图像提取数字水印的方法流程图；

图5为本发明实施例中对图像进行分块的示意图二；

图6为本发明实施例中对图5所示图像嵌入数字水印后的图像示意图；

图7为本发明实施例中数字水印的嵌入装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中数字水印的提取装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明基于大量图像在打印过程中呈现的基本规律，结合频域DCT(Discrete Cosine Transformation，离散余弦变换)的系数特征，提出数字水印的嵌入方法、提取方法及其装置，以提高图像中嵌入的数字水印的视觉隐藏效果和鲁棒性，以及提高数字水印提取的准确度。

通过大量的试验，本发明实施例总结出图像在打印过程中呈现的基本规律，以及频域DCT的系数特征，具体如下：

1、图像在打印过程中呈现的基本规律：

在相同环境下采用高质量的打印机输出，分别对中文楷体、中文宋体、中文黑体以及英文、日文等做了大量的测试，发现打印前后，图像中每个区域的黑点数变化量是随机的，是不可预见的，但是在每个区域范围内，黑点数的变化方向是一定的，要么增加要么减少，也就是说，打印对整个图像中的黑像素点数目的影响趋势是一致的。

2、频域DCT的系数特征：

针对一个实数矩阵，变化该矩阵中的一个固定值后进行DCT，经过多次试验表明：在DCT系数上反映的仅仅是直流分量的变换，而交流系数基本不变。进一步地，对该实数矩阵进行DCT后，对DCT系数的低频、中频和高频部分分别做相应的修改，然后进行IDCT(Inverse Discrete Consine Transform，离散余弦逆变换)，经过多次试验表明：修改高频系数对原实数矩阵(即进行DCT前的实数矩阵)产生的影响要远远小于修改低频系数对原实数矩阵产生的影响，影响程度分别按照低、中、高频的顺序依次降低。并且，影响会因为被修改系数的个数增加而增加，被修改的系数越多，原实数矩阵变化越大。最后，固定待修改系数位置，并用不同的阈值替换待修改系数，发现该阈值的取值直接关系着原实数矩阵的变化，阈值的取值越大，对原实数矩阵产生的影响越明显，反之越小。

基于上述试验结论，本发明实施例提出了在图像中嵌入数字水印和提取数字水印的方法，其主要思想包括：在对图像嵌入数字水印的过程中，首先在空域上对图像划分并组织成空域特征值矩阵，通过DCT将该空域特征值矩阵转换为频域特征值矩阵，修改该频域特征值矩阵中的指定特征值后，进行IDCT返回空域特征值矩阵，并根据经过上述变化的空域特征值矩阵中的特征值相对于变化前的空域特征值矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并基于该确定结果修改图像，从而完成了数字水印的嵌入。在提取过程中，统计相对应嵌入数字水印时划分的各个图像块的特征值，组成特征值矩阵并进行DCT得到频域特征值矩阵，根据该频域特征值矩阵中的特征值，即可提取出数字水印。

下面结合说明书附图对本发明实施例的主要实现原理、具体实施过程及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述：

如图1所示，本发明一个实施例中，对图像嵌入数字水印时，执行如下步骤：

步骤101、根据设定分块规则，将待嵌入数字水印的图像划分为设定数目的图像块。

该步骤中，分块规则可以根据实际需要灵活设定，例如分块规则中可以包括：要将图像划分的图像块数目以及每个图像块的大小。对于要将图像划分的图像块数目，一般以能组成一个矩阵并且该矩阵为方阵为最佳，即将图像划分为N×S块，其中N等于S为最佳，在N不等于S的情况下，N和S越接近越好。对于每个图像块的大小，一般以在提取数字水印时划分的图像块的边界区域能够和嵌入数字水印时划分的图像块的边界区域吻合为最佳，如图2所示，为一种以文字边界划分图像块的方法示例。

步骤102、统计待嵌入数字水印的图像中每个图像块的特征值Ei.。

该步骤中，统计图像块的特征值即统计该图像块中的黑像素点数在该待嵌入数字水印的图像包含的总像素点数中所占的比例，具体过程为：

统计每个图像块包含的黑像素点数和待嵌入数字水印的图像中包含的总像素点数；

将统计得到的各个图像块中的黑像素点数与总像素点数的比值确定为各个图像块的特征值。

步骤103、根据设定排列规则将统计出的特征值组成特征值矩阵M。

该步骤中，排列规则表示图像块在待嵌入数字水印的图像中的位置与该图像块的特征值在特征值矩阵M中的位置之间的对应关系，具体可以根据需要灵活设定，例如，可以根据图像块在图像中从左到右以及从上到下的顺序，将各个图像块对应的特征值从矩阵的第一行第一列开始按照从左到右以及从上到下的顺序依次排列，形成特征值矩阵。

步骤104、对特征值矩阵M进行DCT得到频域特征值矩阵C。

步骤105、根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换频域特征值矩阵C中的指定特征值得到频域特征值矩阵C′。

该步骤中，预先定义与数字水印对应的阈值的过程为：

首先，确定一个理想的阈值K，该阈值K是根据经验而设定的，具体地，要保证视觉效果和鲁棒性之间的平衡，即：为了保证视觉效果，根据阈值K影响的待翻转像素点要尽量少，但也不能太少，否则会给数字水印的提取带来困难。

其次，设定待嵌入数字水印与阈值K的对应关系，例如，需要嵌入的二进制序列由{0，1}组成，则用K代表0，用-K代表1；或者，用K代表1，用-K代表0。

步骤106、将频域特征值矩阵C′进行IDCT得到新的特征值矩阵M′。

为了使上述矩阵间的转换关系更加明确，如图3所述，列出了特征值矩阵M、M′和经过DCT的频域特征值矩阵C、C′的关系示意图。

步骤107、根据特征值矩阵M′中的特征值相对于特征值矩阵M中的相应特征值的差值X_(j，k)，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式。

该步骤中，差值X_(j，k)的计算公式如下：

X_(j，k)＝M′_(j，k)-M_(j，k)

其中，j表示该特征值在特征值矩阵M′以及在特征值矩阵M中所在的行数，k表示该特征值在特征值矩阵M′以及在特征值矩阵M中所在的列数。

确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式的具体过程视X_(j，k)的正负而有所不同，具体地：

当差值X_(j，k)为正数时，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定该图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点，即将X_(j，k)个白像素点翻转为黑像素点；

当差值X_(j，k)为负数时，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定该图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点，即将|X_(j，k)|个黑像素点翻转为白像素点。

步骤108、根据确定出的待修改图像块以及每个待修改图像块的修改方式，修改该待嵌入数字水印的图像中的像素点。

该步骤中，根据待修改的图像块以及该图像块的修改方式，修改该图像块中的像素点时，像素点的翻转优先级可以参考Min Wu[2004]提出的翻转图像中黑白像素点的方法，该方法首先通过对局部光滑行和局部连通性的考察，确定出图像中的可修改点，并为每一个可修改点给出了一个评分标准，修改分数越高的点对图像的视觉影响就越小；通过置乱、分块等方法均匀分布每个块中的可修改点，采用奇偶量化的方法来嵌入数字水印信息。

进一步地，上述流程中的步骤105中，频域特征值矩阵C中的指定特征值是根据实际效果预先确定的，具体确定过程包括：

首先，确定特征值矩阵C中要被替换的特征值的数目T，具体如下：

特征值矩阵C中要修改的特征值的个数T，决定了信息量嵌入的多少，同时也影响着视觉效果。修改的个数越多，嵌入的信息量(即数据的bit容量)越大，但需翻转的像素点越多，对图像的破坏也越大。T的取值主要依据源图像和修改后图像的相关度(即图像的相似度)以及变化的总像素点数目决定，假设修改T个，即意味着嵌入了T个bit数据。

其中，源图像和修改后图像的相关度可以通过如下公式得到：

$r=\frac{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(A_{\mathrm{mn}}-\stackrel{\‾}{A})(B_{\mathrm{mn}}-\stackrel{\‾}{B})}{\sqrt{\left(\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(A_{\mathrm{mn}}-\stackrel{\‾}{A})}^2\right)\left(\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(B_{\mathrm{mn}}-\stackrel{\‾}{B})}^2\right)}}$

源图像和修改后图像中变化的总像素点数目，可以通过如下公式得到：

X_(j，k)＝M′_(j，k)-M_(j，k)(j，k＝1，2...8)

$x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|X_{(j,k)}\right|$

根据得到的变化前后两个矩阵的相关度以及变化的总点数，选取合适的T值，具体地，两个矩阵的相关度越大，变化的总点数越少，则K的取值越佳。

确定出特征值矩阵C中要被替换的特征值的数目T后，在具体替换时，需要对要替换的特征值定位，根据上述总结出的频域DCT系数的特征，即修改高频系数对原实数矩阵产生的影响相对最小，本实施例采用逆Zig-Zag的顺序，从矩阵的最右下角的特征值开始依次修改。

本发明又一实施例中，对应于上述流程，在步骤102中，统计图像块的特征值的方法还可以包括：

统计每个图像块包含的白像素点数和待嵌入数字水印的图像包含的总像素点数，并将统计得到的各个图像块中的白像素点数与总像素点数的比值确定为各个图像块的特征值。

相应地，对应于上述流程，在步骤107中，根据特征值矩阵M′中的特征值相对于特征值矩阵M中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式的过程包括：

当差值X_(j，k)为正数时，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定该图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点，即将X_(j，k)个黑像素点翻转为白像素点；

当差值X_(j，k)为负数时，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定该图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点，即将|X_(j，k)|个白像素点翻转为黑像素点。

如图4所示，本发明一个实施例中，对图像提取数字水印时，执行如下步骤：

步骤401、根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则，将该图像划分为设定数目的图像块。

该步骤中，图像可以为扫描得到的图像，所采用的分块规则与对该图像嵌入数字水印时采用的分块规则相同，即要将图像划分的图像块数目与对该图像嵌入数字水印时划分的图像块数目相同，并且每个图像块的大小与对该图像嵌入数字水印时划分的相应图像块的大小统一，这样可以提高提取数字水印的精度。

步骤402、统计划分后得到的每个图像块的特征值E_i′。

该步骤统计特征值的方法与对图像嵌入数字水印时统计特征值的方法一致，即与上述步骤102中统计每个图像块所采用的方法一致，此处不再详细描述。

步骤403、根据与对图像嵌入数字水印时相同的排列规则，将统计出的特征值组成特征值矩阵M″。

该步骤与上述步骤103所采用的排列规则一致，此处不再详细描述。

步骤404、将征值矩阵M″进行DCT得到频域特征值矩阵C″。

步骤405、根据得到的频域特征值矩阵C″中的特征值，确定对该图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值。

该步骤中，得到频域特征值矩阵C″后，根据对图像嵌入数字水印时修改的特征值的数目和修改顺序，依次确定所选用的阈值。例如，嵌入数字水印时，采用逆Zig-Zag的顺序，从矩阵最右下角的特征值开始依次修改了T个特征值，则提取数字水印时，也采用逆Zig-Zag的顺序，从频域特征值矩阵C″最右下角的特征值开始确定阈值。

步骤406、根据确定出的阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，确定嵌入的数字水印。

该步骤中，若设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系为：用K代表0，用-K代表1，并且确定出的阈值依次为：K、K、-K、K、-K、K，则据此确定出的数字水印即为{0，0，1，0，1，0}。

通过上述过程可以准确地提取出数字水印，进一步地，本发明又一实施例中，在得到频域特征值矩阵C″后，以及在根据该矩阵中的特征值提取数字水印之前，可以对该矩阵的可靠性进行验证，具体地：

对照得到的频域特征值矩阵C″与对该图像嵌入数字水印时得到频域特征值矩阵C′(即上述步骤105中得到的得到频域特征值矩阵C′)，按照约定好的被替换特征值的位置，检查C″中被替换的特征值与C′相应特征值的符号是否一致。通常具体的值会有不同程度的改变，但是正负号会保持相对的稳定。即当C′中某特征值被修改为K，那么C″中相应位置的符号应该保持不变，仍为“+”；相反的，若C′中某系数被修改为-K，那么对应的C″中相应位置的符号应该保持“-”，允许值在一定程度上变化，但不会发生正负号翻转。

根据上述过程，若被修改的所有特征值或大于设定阈值个特征值在C″和C′中的符号一致，则确定得到频域特征值矩阵C″可靠，可以根据该矩阵中的特征值提取数字水印；若被修改的所有特征值或大于设定阈值个特征值在C″和C′中的符号不一致，则确定得到频域特征值矩阵C″不可靠，需要重新提取。其中，阈值可以根据被修改的特征值的总数以及要达到的精度灵活设定。

根据上述过程提供的方法，一个具体实施例如下：

A、参见图5，要对该图所示的二值文本图像嵌入数字水印时，将该图像划分为64块，其中图像块的边界如虚线框所示(图中仅示出了两个图像块的边界)。

B、统计每个图像块的特征值Ei(i＝1、2......64)，具体公式为：

Ei＝(NBi/NF)×T；

其中，Ei为第i个图像块的特征值；NBi为第i个图像块包含的黑像素点数；NF为图5所示的图像包含的所有像素点数；T是比例精度，根据希望达到的精度取值，例如可以取100或100000(本实施例中取T＝100000)。

C、按照图像块从左到右从上到下的顺序，将统计得到的64个特征值依次排列成矩阵M。

该步骤得到的矩阵M如下：

1.0e+004*

0.9653    1.0033    1.1165    0.9975    1.0440    1.0637    0.9340    1.0897

1.0413    1.0650    1.0722    1.1263    1.1518    1.1201    0.8423    1.1603

1.0038    0.9845    1.0731    1.1983    1.0615    0.8611    0.9729    1.0163

1.1066    0.7797    1.2475    0.9483    1.0753    0.7376    0.7130    0.9995

0.8633    0.9809    0.9152    1.0185    1.1147    1.1290    0.7814    1.2052

0.9877    1.2967    1.0342    1.0606    1.1371    1.0306    1.0887    1.0308

1.0029    1.0328    1.0713    1.0047    1.1022    1.0172    1.2135    0.9995

1.1606    1.0271    1.2468    0.9686    1.0054    0.9109    0.9836    0.9582

D、对得到的矩阵M进行DCT，得到矩阵C。

该步骤得到的矩阵C如下：

1.0e+004*

8.2440     0.1136   -0.1333    -0.1913     0.1574   -0.1663     0.1260     0.1230

-0.0507   -0.0377   -0.0895    -0.0738     0.1685   -0.0708     0.1438    -0.1087

0.1529     0.0253    0.0677     0.0560    -0.1868    0.1009    -0.0193     0.0287

0.1135    -0.2104    0.0081     0.1115    -0.1460   -0.2091    -0.1091    -0.1731

-0.2213    0.0568    0.0333    -0.0582     0.0802   -0.0388     0.2781     0.0993

-0.1041    0.0460    0.0165    -0.0432    -0.0404    0.1902    -0.0332     0.2255

0.0278     0.1075    0.0173    -0.0558    -0.0775    0.0560    -0.1504    -0.0132

-0.0182   -0.2193   -0.0366     0.0351    -0.0107    0.0131    -0.0657    -0.1369

E、修改矩阵C中的指定特征值，取阈值K＝500，修改个数T＝10。

修改后的矩阵C′如下：

1.0e+004*

8.2440     0.1136   -0.1333    -0.1913     0.1574   -0.1663     0.1260    0.1230

-0.0507   -0.0377   -0.0895    -0.0738     0.1685   -0.0708     0.1438   -0.1087

0.1529     0.0253    0.0677     0.0560    -0.1868    0.1009    -0.0193    0.0287

0.1135    -0.2104    0.0081     0.1115    -0.1460   -0.2091    -0.1091   -0.1731

-0.2213    0.0568    0.0333    -0.0582     0.0802   -0.0388     0.2781   -0.0500

-0.1041    0.0460    0.0165    -0.0432    -0.0404    0.1902     0.0500    0.0500

0.0278     0.1075    0.0173    -0.0558    -0.0775    0.0500    -0.0500    0.0500

-0.0182   -0.2193   -0.0366     0.0351    -0.0500    0.0500    -0.0500    0.0500

F、对矩阵C′进行IDCT，得到矩阵M’。

修改后的矩阵M’如下：

1.0e+004*

0.9661    1.0030    1.1087    1.0237    0.9983    1.1147    0.8965    1.1030

1.0312    1.0911    1.0493    1.1163    1.2046    1.0506    0.8931    1.1431

1.0270    0.9164    1.1675    1.1162    1.1087    0.8345    0.9963    1.0048

1.0878    0.8413    1.1472    1.0591    0.9752    0.8314    0.6306    1.0349

0.8627    0.9719    0.9441    0.9796    1.1576    1.0712    0.8467    1.1745

0.9966    1.2792    1.0502    1.0423    1.1548    1.0323    1.0654    1.0456

1.0013    1.0338    1.0715    1.0116    1.0879    1.0236    1.2214    0.9929

1.1586    1.0334    1.2383    0.9740    1.0047    0.9118    0.9796    0.9608

G、根据矩阵M’中特征值与矩阵M中相应特征值的差值，确定每个图像块中需要翻转的像素点。

确定结果如下：

2     -1     -17    59     -102    114     -84    29

-23   58     -51    -22    118     -155    114    -38

52    -152   211    -184   106     -59     52     -25

-42   138    -224   248    -224    210     -184   78

-1    -20    65     -87    96      -129    146    -68

20    -39    36     -41    40      4       -52    33

-3    2      0      16     -32     14      18     -15

-4    14     -19    12     -1      2       -9     6

H、根据上述确定结果，翻转每个图像块中的像素点，其中：

若差值为正数，则将该图像块中相应数目的白像素点翻转为黑像素点，若差值为负数，则将该图像块中相应数目的黑像素点翻转为白像素点。

根据上述过程嵌入数字水印后得到的二值文本图像如图6所示。

基于上述流程，本发明实施例还提供了一种数字水印的嵌入装置，其结构如图7所示，包括：

图像划分单元701、特征值统计单元702、矩阵处理单元703以及水印嵌入单元704。具体地：

图像划分单元701，用于根据设定分块规则将图像划分为设定数目的图像块.

特征值统计单元702，用于统计图像划分单元701划分得到的每个图像块的特征值。

矩阵处理单元703，用于根据设定排列规则将特征值统计单元702统计出的特征值组成第一矩阵，将该第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换得到的第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵，并将得到的第三矩阵进行离散余弦逆变换得到第四矩阵。

水印嵌入单元704，用于根据矩阵处理单元703得到的第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改图像。

进一步地，一个实施例中，上述特征值统计单元702可以包括：

第一统计模块，用于统计图像块包含的黑像素点数和图像包含的总像素点数，并将统计出的图像块的黑像素点数与总像素点数的比值确定为该图像块的特征值；

或者，第二统计模块，用于统计图像块包含的白像素点数和图像包含的总像素点数，并将统计得到的白像素点数与总像素点数的比值确定为该图像块的特征值。

相应地，若图像块的特征值由上述第一统计模块统计得到，则水印嵌入单元704进一步用于：

若第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值为正数，则确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点；

若第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值为负数，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点。

若图像块的特征值由上述第二统计模块统计得到，则水印嵌入单元704进一步用于：

若第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值为正数，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点；

若第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值为负数，确定存在该差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据该差值确定图像块的修改方式为：将与该差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点。

基于上述流程，本发明实施例提供了一种数字水印的提取装置，如图8所示，该装置包括：

图像划分单元801、特征值统计单元802、矩阵处理单元803以及水印提取单元804。具体地：

图像划分单元801，用于根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则将图像划分为设定数目的图像块。

特征值统计单元802，用于统计图像划分单元801划分得到的每个图像块的特征值。

矩阵处理单元803，用于根据与对图像嵌入数字水印时相同的排列规则将特征值统计单元802统计出的特征值组成第一矩阵，将组成的第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵。

水印提取单元804，用于根据矩阵处理单元803得到的第二矩阵中的特征值确定对图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值，并根据确定出的阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，确定嵌入的数字水印。

进一步地，一个实施例中，上述特征值统计单元802可以包括：

第一统计模块，用于统计图像块包含的黑像素点数和图像包含的总像素点数，并将统计出的图像块的黑像素点数与总像素点数的比值确定为该图像块的特征值；

或者，第二统计模块，用于统计图像块包含的白像素点数和图像包含的总像素点数，并将统计得到的白像素点数与总像素点数的比值确定为该图像块的特征值。

在对图像嵌入数字水印时，首先在空域上对该图像划分并组织成空域特征值矩阵(即第一矩阵)，进一步进行DCT得到频域特征值矩阵(即第二矩阵)，修改该频域特征值矩阵中的指定特征值后，进行IDCT得到空域特征值矩阵(即第四矩阵)，并根据经过上述变化的空域特征值矩阵中的特征值相对于变化前的空域特征值矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并基于该确定结果修改图像。该方案充分利用图像在空域和频域上的转换关系，将图像的空域特征和频域特征相结合，使得嵌入的数字水印的视觉隐藏效果好，并且抵抗打印、扫描等攻击的鲁棒性高。

在对图像提取数字水印时，根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则以及排列规则，对图像划分并组织成空域特征值矩阵(即第一矩阵)，进一步进行DCT得到频域特征值矩阵(即第二矩阵)，并根据该频域特征值矩阵中的特征值确定对图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值，从而根据确定出的阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，确定嵌入的数字水印。该方案充分考虑到频域特征值矩阵相对稳定的特征，根据频域特征值矩阵中的特征值提取嵌入的数字水印，准确度高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种数字水印的嵌入方法，其特征在于，包括：

根据分块规则将图像划分为设定数目的图像块，统计每个图像块的特征值，并根据排列规则将统计出的特征值组成第一矩阵；

将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，并根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换所述第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵；

将所述第三矩阵进行离散余弦逆变换得到第四矩阵；

根据所述第四矩阵中的特征值相对于所述第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改所述图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，统计图像块的特征值，包括：

统计所述图像块包含的黑像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述黑像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述差值为正数时，所述确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，包括：

确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点；

当所述差值为负数时，所述确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，包括：

确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，统计图像块的特征值，包括：

统计所述图像块包含的白像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述白像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述差值为正数时，所述确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，包括：

确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点；

当所述差值为负数时，所述确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，包括：

确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排列规则包括：

所述图像块在所述图像中的位置与所述图像块的特征值在所述第一矩阵中的位置之间的对应关系。

7.一种数字水印的提取方法，其特征在于，包括：

根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则将所述图像划分为设定数目的图像块，统计每个图像块的特征值，并根据与对所述图像嵌入数字水印时相同的排列规则将统计出的特征值组成第一矩阵；

将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，并根据所述第二矩阵中的特征值确定对所述图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值；

根据确定的所述阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，提取嵌入的数字水印。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，统计图像块的特征值，包括：

统计所述图像块包含的黑像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述黑像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值；

或者，统计所述图像块包含的白像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述白像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值。

9.一种数字水印的嵌入装置，其特征在于，包括：

图像划分单元，用于根据分块规则将图像划分为设定数目的图像块；

特征值统计单元，用于统计图像划分单元划分得到的每个图像块的特征值；

矩阵处理单元，用于根据排列规则将特征值统计单元统计出的特征值组成第一矩阵，将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵，根据预先定义的与数字水印对应的阈值替换所述第二矩阵中的指定特征值得到第三矩阵，并将所述第三矩阵进行离散余弦逆变换得到第四矩阵；

水印嵌入单元，用于根据矩阵处理单元得到的第四矩阵中的特征值相对于第一矩阵中的相应特征值的差值，确定待修改的图像块以及该图像块的修改方式，并根据确定结果修改所述图像。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述特征值统计单元，包括：

第一统计模块，用于统计所述图像块包含的黑像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述黑像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值；

或者，第二统计模块，用于统计所述图像块包含的白像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述白像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，若所述图像块的特征值由所述第一统计模块统计得到，所述水印嵌入单元进一步用于：

若所述差值为正数，确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点；

若所述差值为负数，确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，若所述图像块的特征值由所述第二统计模块统计得到，所述水印嵌入单元进一步用于：

若所述差值为正数，确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的黑像素点翻转为白像素点；

若所述差值为负数，确定存在所述差值的特征值对应的图像块为待修改的图像块，并根据所述差值确定所述图像块的修改方式为：将与所述差值相应数目的白像素点翻转为黑像素点。

13.一种数字水印的提取装置，其特征在于，包括：

图像划分单元，用于根据与对图像嵌入数字水印时相同的分块规则将所述图像划分为设定数目的图像块；

特征值统计单元，用于统计图像划分单元划分得到的每个图像块的特征值；

矩阵处理单元，用于根据与对所述图像嵌入数字水印时相同的排列规则将特征值统计单元统计出的特征值组成第一矩阵，将所述第一矩阵进行离散余弦变换得到第二矩阵；

水印提取单元，用于根据矩阵处理单元得到的第二矩阵中的特征值确定对所述图像嵌入数字水印时用于替换指定特征值的阈值，并根据确定的所述阈值以及设定的待嵌入数字水印与阈值的对应关系，提取嵌入的数字水印。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述特征值统计单元，包括：

第一统计模块，用于统计所述图像块包含的黑像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述黑像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值；

或者，第二统计模块，用于统计所述图像块包含的白像素点数和所述图像包含的总像素点数，并将所述白像素点数与所述总像素点数的比值确定为所述图像块的特征值。

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