CN102609889A

CN102609889A - 一种图像数字水印嵌入方法及其检测方法

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Publication number: CN102609889A
Application number: CN2011100233243A
Authority: CN
Inventors: 余伟华; 刘泽; 吴龙为
Original assignee: BEIJING ZHONGYING XIN'AN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: BEIJING ZHONGYING XIN'AN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-01-20

Abstract

本发明提供一种图像数字水印嵌入方法及其检测方法。嵌入水印的方法包括将源图像分成中心圆块和多个环带块，然后对各组数据进行变换域水印算法变换并将图像数字水印嵌入到源图像中；检测水印的方法包括对待检测的图像进行与嵌入过程相同的分块步骤，并进行相同的变换域水印算法变换，实现对水印的提取和比较步骤。应用本发明的水印嵌入及其检测可以解决现有技术中普通图像数字水印抗攻击鲁棒性能差以及水印信息容量小的技术问题，能抵抗任何角度的旋转，以及较大倍数缩放，较大边缘裁减的几何变换攻击，并易于其它数字水印技术结合，实现对信道噪声、滤波以及有损压缩等非几何变换攻击的抵抗。

Description

一种图像数字水印嵌入方法及其检测方法

技术领域

本发明涉及图像数字水印的技术领域；更具体的说涉及一种图像数字水印嵌入方法及其检测方法。

背景技术

在数字水印技术领域，旋转、裁减、缩放等几何变换处理是数字图像版权盗用者最常使用的攻击方法，这些攻击方法的直接后果是破坏了数字水印检测器与数字水印的同步性，从而使检测器检测不到图像中的数字水印信号。版权盗用者在进行几何变换攻击的同时，可能还会实施信道噪声、滤波以及有损压缩等攻击。数字图像在进行几何变换时，需要进行大量的插值运算，原始数字图像信息在位置信息改变的同时，数字图像数据信息本身也进行了极大的变化，为了能从变换后的数字图像中提取数字水印信息，就必须使添加进去的数字水印能够抵抗旋转、缩放等变换对数字图像信息的影响。而现有技术中普通数字图像水印技术对抗攻击鲁棒性差以及水印信息容量小，不能很好地抵抗盗用者常用的攻击手段。

为了解决现有技术中存在的上述缺点，本发明的发明人提出的图像数字水印技术可较好的解决上述问题。本发明具有简单、高效，能抵抗几何变换和信道噪声、滤波以及有损压缩攻击的环带数字的优点。本发明基于数字图像的平均统计特征，能几乎抵抗任何角度的旋转，以及较大倍数缩放，较大边缘裁减的几何变换攻击，并易于其它数字水印技术结合，实现对信道噪声、滤波以及有损压缩等非几何变换攻击的抵抗。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的是提供了一种图像数字水印嵌入方法及其检测方法，通过向图像数据中嵌入不可感知的水印信息，可应用于对授权的图像数据进行版权保护，使受保护的数字图像内容不被任意复制、传播，或者其它用途。

为了达到上述目的，本发明是通过下述技术手段来实现的：本发明的发明人采用了一种基于环带的图像数字水印技术，在数字图像进行旋转几何变换时，因为水印环带是到数字图像中心距离为一个固定范围的象素点的集合，单个水印环带中的元素几乎不会变化。同时，在数字图像进行插值运算时，运用的是线性的均值运算，只要水印环带中的元素个数足够多，由统计规律可知，水印环带中所有元素的均值变化范围也非常小。这样，水印环带就可以成为数字水印信息的载体。同时在环带水印嵌入过程中能够真实记录数字图像旋转的角度，缩放比例，进而恢复原始图像。

具体来说本发明采用的技术方案主要包括以下方面，说明如下：

第一方面，本发明提供一种数字图像水印嵌入方法，该方法包括以下步骤：

A.任选源图像中的一点(或者像素)作为圆心形成多个同心圆，将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列；

B.中心块和环带块分别作为一组，对所述第一数字序列分组，对所述每个分组中的数据进行变换域水印算法变换，得到每个分组对应的第二数字序列；

C.获取奇偶量化表中的量化系数，该量化系数为大于零的数；将所述第二数字序列的交流系数中的各个数据进行数值转换，转换方法为：如果与待转换数据对应的水印信号为1，则将所述数据转换为最接近本数据的量化系数的奇数倍；如果与待转换数据对应的水印信号为0，则将所述数据转换为最接近本数据的量化系数的偶数倍；将交流系数进行数值转换后的第二数字序列作为第三数字序列；

D.对所述第三数字序列进行逆变换域水印算法变换得到第四数字序列，根据该第四数字序列确定步骤A中每个图像块中需要改变颜色的像素点，在所述每个块中选择相应个数的像素点，并改变所选择像素点的颜色。

其中，所述的变换域水印算法优选为离散余弦变换(DCT)、离散傅立叶变换(DFT)或者离散小波变换(DWT)等。

其中，源图像是常用图像格式中的任何一种，先将转换成bmp图像，再将各颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列。

其中水印图像为二值水印图像；嵌入前优选对二值水印图像进行RSA加密。

其中的中心圆块和多个环带块可进一步等分成多个扇形块，优选将中心圆和环带等分成10-30份，即形成弧度为12-36度的扇形块；优选分成20等份形成弧度为18度的扇形块。将中心圆块和多个环带块进一步分成多个等分的扇形块能够真实记录数字图像旋转的角度，进而能够恢复原始图像。

第二方面，本发明提供一种数字图像水印的检测方法，该方法包括以下步骤：

A.按照上述源图像中数字水印的嵌入方法嵌入水印信号的二值图像，按照与所述嵌入方法的步骤A中相同的图像划分方式，将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列；

B.将所述第一数字序列，按照与所述水印嵌入相同的方式进行分组，对所述每个分组中的数据进行变换域水印算法变换，得到每个分组对应的第二数字序列；

C.获取所述量化表中的量化系数，该量化系数为大于零的数；计算所述第二数字序列的交流系数中的每个数据与所述量化系数的商并取整；如果计算结果为奇数，则对应的水印信号为1；如果计算结果为偶数，则对应的水印信号为0；

D.将所述提取单元提取到的水印信息与所述合法水印信息相比较，对所述待检测的图像数据的版权信息进行鉴别。

本发明的水印嵌入与检测复杂程度中等，流程少，容易控制，且嵌入的水印本身是图像数据，数据量比较大，与现有的嵌入文本数据的技术相比，更加形象化和更能满足现实的需要。本发明基于环带，特别是扇形的图像水印信息，并且优选其弧度为18度，因而能几乎抵抗任何角度的旋转，以及较大倍数缩放，较大边缘裁减的几何变换攻击，并易于其它数字水印技术结合，实现对信道噪声、滤波以及有损压缩等非几何变换攻击的抵抗。本发明可应用于数字产品的知识产权保护，例如扫描图像、视频、三维动画等的知识产权保护；应用于商务交易中的票据防伪，特别是假币、假支票、假票据的防伪；声像数据的隐藏表示，例如遥感图像的保密。具体来说本发明可实现以下有益的技术效果：

1、由于本发明采用的是基于环带或扇形的图像数字水印，并且结合了离散余弦变换DCT技术来实现水印的嵌入和提取，因而可以有效消除变换、剪切、旋转、镜像等几何攻击等恶意攻击且轻易不容易毁坏；并且所述的环带的图像数字水印对没有授权的第三方绝对保密，并且难以破解。

2、由于水印嵌入与检测复杂程度中等，流程少，容易控制，因而当水印信息存在时系统有很高的检测率；反之，具有很低的误检率。

3、由于水印信息量是图像，数据量非常大，携带的有益信息多，具有更好的现实实用性。

4、数字水印的嵌入、提取检测对比性能比较高，能满足现实使用需要。

5、不需要原始水印信息，能自动进行盲检测。

附图说明

图1是在源图像中嵌入二值水印图像的流程图。

图2是在源图像中提取二值水印图像的流程图。

图3是图像数字水印嵌入的环带计算区域示意图。

具体实施方式

为了能够抵抗盗用者常用的攻击手段，例如旋转、裁减、缩放等，并且使嵌入水印的图像保持良好的视觉效果，以及在水印检测时做到盲提取，本发明提供一种在二值图像数字水印的嵌入方法和一种二值图像中数字水印的提取方法，其中，水印的嵌入方法的具体流程如下，参见图1：

步骤101：获取源图像S1；

步骤102：以源图像S1或其子集的其中一点为圆心形成多个同心圆，从而将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列S2；

步骤103：中心块和环带块分别作为一块，对所述第一数字序列S2分块，对所述每个分组中的数据进行变换域水印算法变换，得到每个分组对应的第二数字序列S2H；

步骤104：使用基于量化表量化的方法，将待嵌入水印信号嵌入到第二数字序列中，即根据待嵌入水印信号和预先设定的量化表，将第二数字序列中的数据进行数值转换，得到第三数字序列S2HW；

步骤105：对所述第三数字序列进行逆变换域水印算法变换得到第四数字序列S2W；

步骤106：根据所述第四数字序列确定步骤102中每个图像块中需要改变颜色的像素点个数；

步骤107：通过在所述每个图像块中选择相应个数的像素点，并改变所选择像素点的颜色，来实现水印嵌入。

数字水印的提取方法的具体流程如下，参见图2：

步骤201：获取嵌入水印信号的待检测图像；

步骤202：将嵌入水印信号的待检测图像，按照与水印嵌入相同的方式，将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列；

步骤203：将第一数字序列，按照与水印嵌入相同的方式进行分组，对每个分组中的数据进行相同的变换域水印算法变换，得到每个分组对应的第二数字序列；

步骤204：根据水印嵌入中使用的基于量化表量化的方法，从第二数字序列中获得水印信号；

步骤205：将提取到的水印信息与所述合法水印信息相比较，对所述待检测的图像数据的版权信息进行鉴别。

下面以DCT算法为例，对本发明作进一步的说明：

水印嵌入过程

1.待嵌入二值水印信息W＝{w_i，j}，其中w_i，j＝0或者1，i∈{1，2，...，M}和j∈{1，2，...，N}；利用RSA不对称密码算法，使用不同的加密密钥(公钥)对二值水印信息进行加密；

2.确定源图像S1的中心点，以该中心点为圆心，首先确定源图像的中心点，以该中心点为圆心，S像素为半径，得到中心圆块。在中心圆外面，以每L像素为直径，环绕中心圆得到一条L像素宽的环带块。依次类推，共划分出K1条环带块；再将中心圆块和各环带块K2等分，共形成K个扇形区域块，将各块的像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列S2；对每一个分块进行DCT变换，得到分块DCT系数矩阵得到第二数字序列S2H；

3.将每一个分块DCT系数矩阵的系数值按Zig-Zag进行排序。

4.在水印嵌入前，本算法先对嵌入范围内幅值较小的系数进行修正，设系数幅值强度为a(a＞0)，将所选系数的幅值的绝对值小于a的修改为a，正负号不变；设系数值按Zig-Zag排序后的一维系数矩阵为P_t1(t2)(t1＝1、2、3...M×N；t2＝1、2、3...K)，把加密后的水印图像灰度值采用加权的方式添加到选取的DCT系数上，实现水印信息的嵌入得到第三数字序列S2HW；

5.对嵌入水印信息后的DCT系数矩阵第三数字序列S2HW进行分块逆DCT变换得到第四数字序列S2W；

6.根据上一步得到的数字序列S2W可以得到原是信号S2所需要的改变量信号ΔS2；

7.根据上一步得到的改变信号来实现源图像S1的水印嵌入。

水印检测过程

对待检测的图像进行上述嵌入过程步骤2相同的分块过程，并对每个分块进行DCT变换，得到分块DCT系数矩阵；将该系数值按Zig-Zag进行排序形成一维系数矩阵为P_t1(t2)(t1＝1、2、3...M×N；t2＝1、2、3...K)，按照嵌入算法的逆过程提取水印信息；对提取的水印信息进行解密计算，得到解密的二值水印图像，比较提取的水印图像和原始水印图像的相似度，对所述待检测的图像数据的版权信息进行鉴别。

除DCT算法外，嵌入和提取过程还可以使用DFT或者离散小波变换DWT算法，本领域的普通技术人员依据本领域的现有技术知识可以很容易实现上述嵌入和检测过程；在此不再具体示例利用DFT、DWT算法实现上述嵌入和检测过程的具体步骤。

如图3所示，该图为图像数字水印嵌入的环带计算区域的一个示意图。

除了前述说明书和附图的所有细节中可能未详细描述但对本领域技术人员而言明显存在的直接、毫无疑义的内容以外，本发明还涉及所附权利要求书中的具体内容。为了清楚、完整的阐述发明的内容而在本发明中详细记载的细节对本发明的保护范围不产生限定作用，本申请的保护范围以限定在权利要求中的技术方案为准。并且权利要求所限定的范围还包括，在本领域的技术人员未经创造性的劳动即可得到的等同的技术方案。

Claims

1.一种数字图像水印嵌入方法，该方法包括以下步骤：

A.任选源图像中的一点作为圆心形成多个同心圆，将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列；

C.获取上述变换域水印算法的奇偶量化表中的量化系数，该量化系数为大于零的数；将所述第二数字序列的交流系数中的各个数据进行数值转换，转换方法为：如果与待转换数据对应的水印信号为1，则将所述数据转换为最接近本数据的量化系数的奇数倍；如果与待转换数据对应的水印信号为0，则将所述数据转换为最接近本数据的量化系数的偶数倍；将交流系数进行数值转换后的第二数字序列作为第三数字序列；

2.权利要求1所述的水印嵌入方法，特征在于其中的中心圆块和多个环带块可进一步等分成多个扇形块。

3.权利要求2所述的水印嵌入方法，特征在于中心圆和环带进一步等分成10-30份，即形成弧度为12-36度的扇形块。

4.权利要求1-3所述之一的水印嵌入方法，特征在于所述的变换域水印算法为离散余弦变换、离散傅立叶变换或离散小波变换。

5.权利要求1-3所述之一的水印嵌入方法，特征在于水印信号为二值图像水印。

6.权利要求1-3所述之一的水印嵌入方法，特征在于水印信号嵌入前对其进行RSA加密。

7.一种数字图像水印的检测方法，该方法包括以下步骤：

A.将待检测的图像，按照与权利要求1的步骤A中相同的图像划分方式，将源图像分成中心圆块和多个环带块，根据中心圆和环带中的各像素颜色分量值存储到矩阵中，得到第一数字序列；

C.获取上述变换域水印算法的所述量化表中的量化系数，该量化系数为大于零的数；计算所述第二数字序列的交流系数中的每个数据与所述量化系数的商并取整；如果计算结果为奇数，则对应的水印信号为1；如果计算结果为偶数，则对应的水印信号为0；

8.权利要求7所述的水印检测方法，特征在于其中的中心圆块和多个环带块可进一步等分成多个扇形块。

9.权利要求8所述的水印检测方法，特征在于中心圆和环带进一步等分成10-30份，即形成弧度为12-36度的扇形块。

10.权利要求7-9所述之一的水印检测方法，特征在于所述的变换域水印算法为离散余弦变换、离散傅立叶变换或离散小波变换。