CN102122385A

CN102122385A - 一种能同时抵抗多种攻击的数字水印方法

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Publication number: CN102122385A
Application number: CN 201110048613
Authority: CN
Inventors: 姜楠; 朱小陆; 郝利刚
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102122385B

Abstract

一种能同时抵抗多种攻击的数字水印方法属于数字水印领域，具体涉及一种能同时抵抗裁剪、缩放、滤波、噪声等攻击的数字水印方法。目前已公开的大部分数字水印技术都是只能抵抗一些普通几何攻击、噪声攻击、滤波攻击，其中几何攻击并不包含裁剪攻击，而且一次只能抵抗一种攻击，不能抵抗多种攻击的联合攻击。本发明涉及到把不同类型的水印信息嵌入到载体图像中，包括水印的嵌入和水印的提取，其中水印是可以转变为具体长度的二值信息，要把其经过编码纠错加水印头变成一种“伪水印”，然后将得到的伪水印嵌入到载体图像中，在提取过程中，会先得到伪水印，进而得到原水印。此方法可以有效地抵抗裁剪攻击和图像缩放攻击。

Description

一种能同时抵抗多种攻击的数字水印方法

技术领域：

本发明属于数字水印领域，具体涉及一种能同时抵抗裁剪、缩放、滤波、噪声等攻击的数字水印方法。

背景技术：

目前已公开的大部分数字水印技术都是只能抵抗一些普通几何攻击、噪声攻击、滤波攻击，其中几何攻击并不包含裁剪攻击，而且一次只能抵抗一种攻击，不能抵抗多种攻击的联合攻击。有人曾经提出过抗裁剪的一些水印技术，但是这些技术中涉及到的水印信息都是一幅图片，并没有人提出针对水印信息是二值(01)的技术。如果水印信息是一幅图片的话，提取出来的水印可能是不完整的，只要恢复出一个大致的构型，确定出图像的版权所有就行了。所以，对于具体长度二值比特位的水印信息的研究迫在眉睫，本发明所涉及到的水印信息类型不限，可以是图片，文字等任何可转变为二值01串的信息。

发明内容：

本发明的目的是研究出一种方案，能够对具体长度的水印信息进行嵌入和提取，并且提取出来的水印信息和嵌入的原水印误码率为0，即：提取的水印要和原水印相同，无误差。其原理就是首先将载体图像重定位为一个固定大小的图像，原水印信息经过纠错编码加水印头成为一个“伪水印”，根据伪水印的长度将载体图像分块，把伪水印按位嵌入到对应的块中，重复循环，直到将所有的块都嵌入伪水印信息，这样就能得到嵌入水印的带水印图像。在人们的使用过程中，会将图像裁剪掉一部分，把裁剪后的图像按照嵌入时已分块的大小进行分块，从中选取和伪水印信息嵌入时选择的块个数相同的块个数，根据这些水印嵌入块就能提取出伪水印信息，然后根据水印头进行排序，得到水印信息，再经过纠错编码得到原水印信息。这种方案完成了上述过程。

其总体实施过程如下：

水印嵌入过程：

(1)载体图像预处理：载体图像预处理分为三个步骤来完成，分别是：第一步：对原始载体图像大小进行重新调整，转变为大小为M*N的中间载体图像，调整大小有两个优点：一是原始载体图像大小未知，实现了盲嵌入，二是能够更好的抵抗缩放攻击，其中M和N不是固定的；第二步：对中间载体图像进行分块，每个图像块大小为m*n，共计(M/m)*(N/n)块，其中M、N有可以不是m、n的整倍数，行末尾大小不足n的和列末尾大小不足m的均舍去不计；第三步：对(M/m)*(N/n)个图像块进行图像块分割，将图像块分成T1行T2列，其中T1＝M/m，T2＝N/n。这样完成了载体图像的预处理。

(2)水印预处理：水印预处理分为四个步骤来完成，分别是：第一步：对原始水印进行编码，得到L1位二进制水印信息，此二进制水印信息经过纠错编码，得到L2位水印信息，目的就是防止在编码时出现错误，如果出现编码错误，可以检测出错误所在处并且进行纠错；第二步：L2位水印信息经过加水印头，得到WT位伪水印信息，加水印头的作用是确定水印信息的顺序，在实现过程中，水印头长度和L1、L2并没有特殊的关系，水印头是由用户设定不固定长度的二进制信息，一般比较明显，可以很简单的判定出水印头的位置，一般将水印头加在水印信息的头部；第三步：对WT位伪水印信息进行分块，每块大小为a位，共分成WT/a块，此处在选取a的时候，尽量使其满足WT为a的倍数，分块作用是在水印嵌入时将一个水印块对应嵌入到一个图像块中，相当于一个图像块中嵌入a位伪水印信息；第四步：再对水印信息块分割，分成WT1行WT2列，即：WT1*WT2＝WT/a，之所以对水印信息块进行分割，主要是为了在提取水印信息时可以比较方便的去选取固定数量的图像块，亦即是选取WT1行WT2列图像块，从中提取出WT1行WT2列伪水印信息。这样就完成了水印信息预处理。

(3)嵌入：将每一个水印信息块按照一定的嵌入规则嵌入到相应的每个载体图像块中，具体的嵌入规则是：第一行图像块，第一个图像块嵌入第一个水印信息块，随后增加一循环嵌入，直到行末尾；第二行图像块，第一个图像块嵌入第1+WT2个水印信息块，其他同第一行一样增加一循环嵌入，直到行末尾；在随后的每行中首位嵌入的水印信息块初始为前一行首位嵌入的水印信息块加WT2，直到WT1行；第n*WT1+1行和第一行一样，第n*WT1+2行和第二行一样……第n*WT1+WT1-1行和第WT1-1行一样，直到第T1行。循环嵌入直到每个图像块中都嵌入一个水印信息块。另外在嵌入时，嵌入规则是唯一的，必须按照上述规则嵌入，因为在对水印信息处理时在其头部加入了水印头，按照上述规则嵌入，只要能找到水印头就能完整的提取出全部水印信息，其他的水印嵌入规则在这里不适用。另外，嵌入方法随意，可以是DCT、FFT和小波变换等方法，不同的方法的效率也不同，这里就不限定具体的方法。最后将全部图像块按照原来的顺序重新排列组合，得到带水印图像。

水印提取过程：

(1)图像块选取：图像块提取分为三个步骤来完成，分别是：第一步：对经攻击后图像大小进行重新调整，变为M*N，这里对图像大小再次进行重新调整，是为了与之前的载体图像预处理中的重新调整形成对应，二者综合实施可以更有效的抵抗缩放攻击，这里的M、N和之前的M、N大小相同；第二步：对调整后图像进行分块，每个图像块大小为m*n，这里的分块大小m、n与载体图像预处理中的分块大小m、n相等，这样是为了保证从每个图像块中能够提取出嵌入的水印信息；第三步：选择WT/a个图像块，图像块选取规则是：选取连续的未被攻击的WT1行WT2列图像块，共计WT1*WT2＝WT/a个。

(2)提取水印：首先依次从每个图像块中提取出嵌入的一个a位水印信息块，则WT/a个图像块就能得到WT/a个a位的伪水印信息块，将WT/a个伪水印信息块排列在一行上，就能得到WT位乱序的伪水印信息。

(3)水印处理：水印处理分为四个步骤来完成，分别是：第一步：从WT位乱序的伪水印信息中查找水印头，因为水印头信息比较明显，所以很容易找到；第二步：找到水印头以后，按照水印头进行排序，因为加水印头的时候，将其加在了水印信息的头部，所以可以直接将水印头前面的水印信息转移到末尾，从而得到了顺序的伪水印信息；第三步：完成了排序后，将水印头信息去掉，得到L2位水印信息；第四步：纠错编码，因为在提取水印信息时可能出现微量的错误，经过纠错编码可以将错误消除，进而得到L1位二进制水印信息，进行解码后得到原始水印。

本发明是一种解决方案，将具体长度的二值水印信息经过处理变换得到伪水印，将伪水印信息嵌入到载体图像中，完成水印嵌入过程。根据经过攻击后得到的带水印图像从中提取出水印信息，完成水印提取过程。另外，只要在最后得到的带水印图像中能够提取出足够数量的图像块，即可从每个图像块中提取出相应长度的水印信息，进而得到原始水印信息，这样此方案就能很有效的抵抗裁剪攻击。

发明特点：

1.能够抵抗裁剪攻击，裁剪掉的比例可以达到

裁剪位置任意，其中WT、a、M、m、N、n的含义见具体实施例。

2.能够抵抗缩放攻击，而且这种缩放可以是长宽不等比的缩放。

3.能够同时抵抗裁剪和缩放攻击，以及其他常见攻击的复合攻击，这些常见攻击包括滤波、加噪、压缩等。

4.提取出的水印信息误码率为0。

5.可以用图像做水印，也可以用序列号等其他能够二值化的内容做水印。

附图说明：

图1：嵌入过程

图2：载体图像预处理

图3：水印预处理

图4：嵌入规则

图5：提取过程

图6：选取规则

图7：提取水印

图8：水印处理

图9：原始载体图像

图10：带水印图像

图11：裁剪且非等比缩放后带水印图像

具体实施方式

其具体的实施过程如下：

图1是水印的嵌入过程，首先，原始载体图像经过载体预处理得到中间载体图像，原始水印信息经过水印预处理得到伪水印信息，然后再将伪水印信息经过一定的嵌入规则嵌入到中间载体图像中，进而得到带水印图像。其中总体包括载体预处理、水印预处理和水印嵌入规则这三个技术要点。

图2是载体图像预处理，首先，先对原始载体图像进行重新调整，转变为大小为M*N的中间载体图像，然后对中间载体图像进行分块，每个图像块大小为m*n，共计(M/m)*(N/n)块(其中，M、N有可能不是m、n的整倍数，行末尾大小不足n的和列末尾大小不足m的均舍去)，然后对(M/m)*(N/n)个图像块进行图像块分割，将图像块分成T1行T2列，其中T1＝M/m，T2＝N/n。其中总体包括图像大小重新调整、图像分块、图像块分割这三个技术要点。

图3是水印预处理过程，首先对原始水印进行编码，得到L1位二进制水印信息，此二进制水印信息经过纠错编码，得到L2位水印信息(目的就是防止在编码时出现错误，如果出现编码错误，可以检测出错误所在处并且进行纠错)，然后L2位水印信息经过加水印头，得到WT位伪水印信息(加水印头的作用是确定水印信息的顺序，在实现过程中，水印头是由用户设定的固定长度的二进制信息，一般比较明显，可以很简单的判定出水印头的位置，一般将水印头加在水印信息的头部)。然后对WT位伪水印信息进行分块，每块大小为a位，共分成WT/a块(此处在选取a的时候，尽量使其满足WT为a的倍数，分块作用是在水印嵌入时将一个水印块对应嵌入到一个图像块中，相当于一个图像块中嵌入a位伪水印信息)，最后再对水印信息块分割，分成WT1行WT2列，即：WT1*WT2＝WT/a(之所以对水印信息块进行分割，主要是为了在提取水印信息时可以比较方便的去选取一个固定大小的图像块，这里可以选取一个WT1行WT2列的图像块，从中提取出WT1行WT2列的伪水印信息)。

图4是水印嵌入规则，在水印嵌入时，一个水印信息块嵌入到一个图像块中，亦即：一个图像块中嵌入a位伪水印信息。其嵌入规则为：第一行图像块，第一个图像块嵌入第一个水印信息块，随后增加一循环嵌入，直到行末尾；第二行图像块，第一个图像块嵌入第1+WT2个水印信息块，其他同第一行一样增加一循环嵌入，直到行末尾；在随后的每行中首位嵌入的水印信息块初始为前一行首位嵌入的水印信息块加WT2，直到WT1行；第n*WT1+1行和第一行一样，第n*WT1+2行和第二行一样……第n*WT1+WT1-1行和第WT1-1行一样，直到第T1行。循环嵌入直到每个图像块中都嵌入一个水印信息块。伪水印信息嵌入时，嵌入方法任意，可以是FFT、DCT等。最后将分散的图像块按照原来顺序进行重新组合，得到嵌入水印后的带水印图像。其中总体包括水印嵌入规则、图像块组合这两个技术要点。

图5是水印的提取过程，首先从经过攻击后的带水印图像中按照一定的规则提取出伪水印信息，伪水印信息再经过水印处理就能得到原始水印信息。其中总体包括伪水印信息的提取规则、水印信息的处理这两个技术要点。

图6是图像块的选取，首先对经攻击后图像大小进行重新调整，变为M*N，然后对调整后图像进行分块，每个图像块大小为m*n，在提取水印信息前，要先选择WT/a个图像块，图像块选取规则是：选取连续的未被攻击的WT1行WT2列图像块，共计WT1*WT2＝WT/a个。

图7是从图像块中提取出水印信息，首先从每个图像块中提取出a位水印信息，则WT/a个图像块就能得到WT/a个a位的伪水印信息块，将WT/a个伪水印信息块排列在一行上，就能得到WT位乱序的伪水印信息。其中总体包括水印信息提取、水印信息块排列这两个技术要点。

图6和图7实现了从图像块中提取出乱序的伪水印信息。

图八是伪水印信息的处理过程，首先从WT位乱序的伪水印信息中查找水印头，因为水印头信息比较明显，所以很容易找到，找到水印头以后，按照水印头进行排序，因为加水印头的时候，将其加在了水印信息的头部，所以可以直接将水印头前面的水印信息转移到末尾，从而得到了顺序的伪水印信息，然后将水印头信息去掉，得到L2位水印信息，另外在提取水印信息时可能出现微量的错误，经过纠错编码可以将错误消除，进而得到L1位二进制水印信息，进行解码后得到原始水印。其中总体包括伪水印信息排序、纠错编码、解码这三个技术要点。

其中图1、2、3、4实现了水印信息的嵌入，图5、6、7、8实现了水印信息的提取。

图9是原始载体图像，原始大小为600*900，经过重新调整后大小变为M*N＝480*480，对调整后图像进行分块，每块大小为m*n＝8*8，则共计(480/8)*(480/8)＝60*60＝3600个图像块，共T1＝60行T2＝60列个图像块。

图10是带水印图像，此时水印信息已经嵌入到载体图像中了，原始水印信息长度为L1＝32位，经过纠错编码变为L2＝48位，加12位水印头形成WT＝60位伪水印信息，每个图像块中嵌入一位水印信息，即a＝1，则形成了60个水印信息块，水印信息块分割后得到WT1＝6行WT2＝10列，将每个水印信息块按照嵌入规则对应嵌入到相应的载体图像块中，嵌入完成后，将所有的载体图像块按照顺序重新组合，即得到带水印图像。

图11是裁剪且非等比缩放后带水印图像，带水印图像经过裁剪和非等比缩放后就形成经攻击后图像，对攻击后图像进行一些相应的处理，可以从中提取出原水印信息。

案例：

一、水印嵌入过程：

(1)载体图像预处理：原始载体图像大小为600*900，经过重新调整后大小变为M*N＝480*480，这里在选择M、N时没有特殊的要求，对调整后图像进行分块，每块大小为m*n＝8*8，这里在选择m、n时也没有特殊的要求，则共计(480/8)*(480/8)＝60*60＝3600个图像块，共T1＝60行T2＝60列图像块。

(2)水印预处理：水印预处理分为四个步骤来完成，分别是：第一步：原始水印信息为10101100101111001101001000010001，长度为L1＝32位，经过纠错编码变为L2＝48位；第二步：在48位水印信息头部加12位水印头形成WT＝60位伪水印信息，这里水印头长度和L1、L2并没有特殊的关系，但是水印头信息长度不宜过短，如果过短，在后面提取过程查找水印头可能会发生“碰撞”，以至于很难确定水印头的位置。水印头信息只要能够容易识别就可以，由用户完全决定。第三步：嵌入时，这里选择每个图像块中嵌入一位水印信息，即a＝1，则形成了60个水印信息块，当然，a的选择并不是固定的，但必须是60的因子。第四步：水印信息块分割，将水印信息块分成WT1＝6行WT2＝10列，这里WT1和WT2的选择也没有特殊的要求，只要满足WT1*WT2＝WT＝60即可。

(3)嵌入：按照上述嵌入规则，将每一个水印信息块嵌入到相应的每个载体图像块中，嵌入方法任意，可以是FFT、DCT也可是小波变换。这样60个水印信息块就均匀的分布在每个载体图像块中了，最后再将全部图像块按照顺序重新排列组合，得到带水印图像。

二、水印提取过程：

(1)图像块选取：经攻击后图像大小为500*600，大小经重新调整后变为M*N＝480*480，这里M、N的选择是为了和载体图像预处理中的M、N相对应，主要是为了抵抗缩放攻击；将带水印图像进行分块，每块大小为m*n＝8*8，这里的分块大小m、n与载体图像预处理中的分块大小m、n相等，这样是为了保证从每个图像块中能够正确的提取出嵌入的水印信息；最后从中选取连续的未被攻击的WT1＝6行WT2＝10列图像块

(2)提取水印：从每一个选取的图像块中提取出一个水印信息块，就能得到60个水印信息块，将这些水印信息块依次排列在一行上，因为每个水印信息块中包含一位水印信息，即a＝1，因此能得到60位“乱序”的伪水印信息

(3)水印处理：从WT＝60位“乱序”的伪水印信息中找出水印头，因为水印头信息很明显，所以能很容易找到，找到后，将水印头前面的二进制信息码移到水印信息末尾，然后再去掉水印头，得到L2＝48位水印信息。在上述过程中可能会出现一些错误，所以再经过纠错编码，就能得到L1＝32位原水印信息10101100101111001101001000010001。因此，此方法可以完整无误的提取出原水印信息。

在该实施案例中，带水印图像经过裁剪且非等比缩放攻击后，仍可以从中完整的提取出原水印信息，可见，上述方案可以很有效的抵抗裁剪攻击和缩放攻击。另外现有的一些数字水印方案，虽然能够抵抗裁剪攻击，但是存在一定的误码率，并且对原水印信息有一定的要求，比如说原水印信息是一幅图像，提取出来的水印可能是不完整的，提取出来的水印信息只是一个大体的框架构型，确定出图像的版权所有就行了。但是，本方案可以完整的将水印信息全部提取出来，并且误码率为0，另外，对水印信息没有要求，可以是任何能够转变为一定长度的二进制信息的水印信息。

Claims

1.一种能同时抵抗多种攻击的数字水印方法，其特征在于，依次包括水印嵌入过程以及水印提取过程，具体过程如下：

水印嵌入过程：

(1)载体图像预处理：载体图像预处理分为三个步骤来完成，分别是：第一步：对原始载体图像大小进行重新调整，转变为大小为M*N的中间载体图像，其中M和N不是固定的；第二步：对中间载体图像进行分块，每个图像块大小为m*n，共计(M/m)*(N/n)块，其中M、N如果不是m、n的整倍数，行末尾大小不足n的和列末尾大小不足m的均舍去不计；第三步：对(M/m)*(N/n)个图像块进行图像块分割，将图像块分成T1行T2列，其中T1＝M/m，T2＝N/n；

(2)水印预处理：水印预处理分为四个步骤来完成，分别是：第一步：对原始水印进行编码，得到L1位二进制水印信息，此二进制水印信息经过纠错编码，得到L2位水印信息；第二步：L2位水印信息经过加水印头，得到WT位伪水印信息；第三步：对WT位伪水印信息进行分块，每块大小为a位，共分成WT/a块，此处在选取a的时候，尽量使其满足WT为a的倍数，分块作用是在水印嵌入时将一个水印块对应嵌入到一个图像块中，相当于一个图像块中嵌入a位伪水印信息；第四步：再对水印信息块分割，分成WT1行WT2列，即：WT1*WT2＝WT/a，从中提取出WT1行WT2列伪水印信息；

(3)嵌入：将每一个水印信息块按照以下嵌入规则嵌入到相应的每个载体图像块中，具体的嵌入规则是：第一行图像块，第一个图像块嵌入第一个水印信息块，随后增加一循环嵌入，直到行末尾；第二行图像块，第一个图像块嵌入第1+WT2个水印信息块，其他同第一行一样增加一循环嵌入，直到行末尾；在随后的每行中首位嵌入的水印信息块初始为前一行首位嵌入的水印信息块加WT2，直到WT1行；第n*WT1+1行和第一行一样，第n*WT1+2行和第二行一样……第n*WT1+WT1-1行和第WT1-1行一样，直到第T1行；循环嵌入直到每个图像块中都嵌入一个水印信息块；将全部图像块按照原来的顺序重新排列组合，得到带水印图像；

水印提取过程：

(1)图像块选取：图像块提取分为三个步骤来完成，分别是：第一步：对经攻击后图像大小进行重新调整，变为M*N，这里的M、N和之前的M、N大小相同；第二步：对调整后图像进行分块，每个图像块大小为m*n，这里的分块大小m、n与载体图像预处理中的分块大小m、n相等；第三步：选择WT/a个图像块，图像块选取规则是：选取连续的未被攻击的WT1行WT2列图像块，共计WT1*WT2＝WT/a个；

(2)提取水印：依次从每个图像块中提取出嵌入的一个a位水印信息块，则WT/a个图像块就能得到WT/a个a位的伪水印信息块，将WT/a个伪水印信息块排列在一行上，就能得到WT位乱序的伪水印信息；

(3)水印处理：水印处理分为四个步骤来完成，分别是：第一步：从WT位乱序的伪水印信息中查找水印头，；第二步：找到水印头以后，按照水印头进行排序，将水印头前面的水印信息转移到末尾，从而得到了顺序的伪水印信息；第三步：完成了排序后，将水印头信息去掉，得到L2位水印信息；第四步：纠错编码，进而得到L1位二进制水印信息，进行解码后得到原始水印。