CN102930498A - 一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法 - Google Patents

一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，待嵌入水印的图像进行提升小波分解后，将二值水印按重要性系数关系嵌入图像中，并且在嵌入图像的同时增加一个记忆矩阵。在提取水印时，通过比较原图与嵌入水印的重构图像的矩阵每个坐标的大小并且联系记忆矩阵，能够很好的提取水印，可以同时满足鲁棒性与不可见性。对于加强数字水印以及有损压缩、局部剪裁和滤波攻击等具有非常强的鲁棒性。从水印可见性的角度，本方法也以一种更好可视效果出现。因此，本方法能够应对日常对图像操作所产生的影响，不但可以应用数字图像的保护，也可以推广至包含声音、视频在内的各种数字媒体保护，具有较好的现实意义。

Description

一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法
技术领域
本发明涉及一种数字水印技术，特别涉及一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法。
背景技术
互联网与数字媒体技术飞速发展，信息媒体的数字化对传统的媒体传播产生了很大的影响。数字技术的发展弊益皆有，在信息提速的同时，媒体信息安全性保障面临尖锐课题——数字产品的侵权、盗版和随意篡改。与普通媒体相比，数字媒体更加便捷，开放，因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字技术的信息安全受到了严峻的考验，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。
数字水印技术通过在原始媒体数据中嵌入秘密信息——水印来证实该数据的所有权归属。水印可以是代表所有权的文字、产品或所有二维图像、视频或音频数据、随机序列等。从图像处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号，只要迭加的水印信号强度低于人类视觉系统的对比度门限，人凭肉眼就无法感到信号的存在。因此可以将具有特定意义的、与载体内容相关或不相关的标记(水印)，利用数字嵌入的方法，隐藏在载体，即数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字水印的研究涉及信息论、编码理论、通信原理、信号处理、信息安全等多学科多门类。近年来数字水印技术在数字信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛发展，具有良好的应用前景。
数字水印技术作为一个跨多领域、多学科(数字信号处理、图像处理、模式识别、数字通信、多媒体技术、密码学、语音处理等)的技术体系，由于它与具体的应用密切相关，因此每个研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特征进行设计，这也决定了数字水印技术研究成果的多样性以及数字水印技术研究的不完善性。
发明内容
本发明是针对现在数字水印技术缺乏多样性和不完善性的问题，提出了一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，通过研究提升小波变换在数字图像中的嵌入及提取方法，使该水印方法在鲁棒性和不可察觉性之间取得最佳平衡，并尽可能实现较低的算法复杂度以满足实际应用的要求。
本发明的技术方案为：一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，包括如下具体步骤：
1）水印图像的构造：任意选择水印图像后，采用图像处理中的置乱技术对水印图像进行进一步的处理，通过对水印图像进行置乱处理，实现了对其进行加密，置乱后的水印图像用表示，水印大小为                                                \ ，并将水印按列展开成行向量
Figure 237871DEST_PATH_IMAGE004
  ；
2）数字水印的嵌入：得到构造好的水印图像后，按以下步骤将水印嵌入待保护的数字图像中，
A：对宿主图像进行小波的s级提升分解，得到一个低频子带图
Figure 988396DEST_PATH_IMAGE006
  ，
Figure 888218DEST_PATH_IMAGE006
  子带小波系数矩阵
Figure 454329DEST_PATH_IMAGE008
  尺寸要大于嵌入水印的尺寸；
B：确定一个阈值T，寻找满足
Figure 755997DEST_PATH_IMAGE010
  的重要性系数，并用建立的矩阵  来记录重要性系数的位置，如果
Figure 566007DEST_PATH_IMAGE014
  是重要性系数，则在
Figure 935809DEST_PATH_IMAGE012
  矩阵相应位置记录1，反之则为0；
C：按照
Figure 826405DEST_PATH_IMAGE015
  矩阵记录的重要性系数的位置，按列循环，一次嵌入水印信息  ，采用下述嵌入公式：
Figure 294612DEST_PATH_IMAGE017
 　,并且当嵌入的二值水印信息
Figure 468104DEST_PATH_IMAGE019
  为1时，将
Figure 541103DEST_PATH_IMAGE021
  矩阵记录为2，产生一个记忆矩阵，式中，
Figure 509059DEST_PATH_IMAGE023
  为水印的嵌入强度；
D：按照修改后的低频子带系数和其他高频子带系数，进行s级逆向提升小波变换，得到嵌入水印的重构图像；
3）数字水印的提取：在数字图像中嵌入数字水印后，水印图像的提取步骤如下所示：
a：对含水印的载体图像进行s级提升小波变换，得到低频子带系数矩阵
Figure 605191DEST_PATH_IMAGE025
  ,与低频子带相对应，同样的方法形成组合高频子带系数矩阵
Figure 316795DEST_PATH_IMAGE027
  ；
b：根据
Figure 181982DEST_PATH_IMAGE012
 记忆矩阵所记录的重要性系数的位置，按列循环根据下式进行处理：
Figure 884622DEST_PATH_IMAGE029
 　　　　　 
式中，
Figure 468050DEST_PATH_IMAGE031
 为提取的可能含有水印的向量；
c：水印存在性判断，设定一个阈值T，计算归一化互相关系  ：
                         
式中，
Figure 12797DEST_PATH_IMAGE004
  为原始的置乱后的水印向量，将
Figure 145839DEST_PATH_IMAGE033
  与设定的阈值进行比较，判断水印是否存在，若存在则进行步骤d，若不存在则停止水印的提取过程；
d：将
Figure 199245DEST_PATH_IMAGE031
  按列的方式恢复成
Figure DEST_PATH_IMAGE036
  的矩阵，根据水印图像构造中保留的密钥，进行反置乱，恢复水印图像。
所述步骤1）中的置乱过程可以在数字图像的空间域上进行，也可以在图像的频率域上进行。
所述
Figure 39025DEST_PATH_IMAGE037
  值的大小控制着水印的不可见性和鲁棒性，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
  值越大，则嵌入水印能量越大，水印的鲁棒性越好，但其不可见性变差，为了保证嵌入水印后原图像的不可见性及从数字图像中提取水印的效果，水印的嵌入强度
Figure 582002DEST_PATH_IMAGE037
  值的范围在2-50之间进行选择。
本发明的有益效果在于：本发明基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，对于加强数字水印以及有损压缩、局部剪裁和滤波攻击等具有非常强的鲁棒性。从水印可见性的角度，本方法也以一种更好可视效果出现。因此，本方法能够应对日常对图像操作所产生的影响，不但可以应用数字图像的保护，也可以推广至包含声音、视频在内的各种数字媒体保护，具有较好的现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例水印图像；
图2为本发明实施例进行Arnold置乱后的图像；
图3为本发明实施例嵌入数字水印后的图像；
图4为本发明实施例从图3中提取出的水印图像；
图5为本发明实施例中值滤波对图像的影响；
图6为本发明实施例均值滤波对图像的影响；
图7为本发明实施例平滑滤波对图像的影响；
图8为本发明实施例高斯噪音对图像的影响；
图9为本发明实施例剪切对图像的影响；
图10为本发明实施例JPEG压缩对图像的影响。
具体实施方式
本发明主要以提升小波为变换核心。提升小波是第二代的小波变化，在原有基础上，加快了运算速度，直接在空间域进行运算。
一、      水印图像的构造：
水印图像的选择是任意的，一般选择有明显意义的水印，这样，即使图像经过篡改或其他操作后，水印虽然遭到一定程度的破坏，但仍可以通过直观的观察方法来确认水印的存在与否。
对于建立的水印图像，可以采用图像处理中的置乱技术进行进一步的处理。置乱过程不仅可以在数字图像的空间域上进行，还可以在图像的频率域上进行。通过对水印图像进行置乱处理，实现了对其进行加密，增强了水印图像的安全性。
置乱后的水印图像用
Figure DEST_PATH_IMAGE040
  表示，水印大小为
Figure 874443DEST_PATH_IMAGE002
  ，并将水印按列展开成行向量
Figure 731541DEST_PATH_IMAGE004
  。
二、      数字水印的嵌入：
在得到构造好的水印图像后，按以下步骤将水印嵌入待保护的数字图像中，步骤如下：
步骤1：对宿主图像进行小波的s级提升分解，得到一个低频子带图
Figure 425827DEST_PATH_IMAGE006
  ，  子带小波系数矩阵
Figure 185022DEST_PATH_IMAGE008
  尺寸要大于嵌入水印的尺寸。
步骤2：确定一个阈值T，寻找满足
Figure 580231DEST_PATH_IMAGE041
  的重要性系数，并用建立的矩阵
Figure 129024DEST_PATH_IMAGE012
  来记录这些重要性系数的位置，如果
Figure 217066DEST_PATH_IMAGE014
  是重要性系数，则在
Figure 44951DEST_PATH_IMAGE012
  矩阵相应位置记录1，反之则为0。
步骤3：按照  矩阵记录的重要性系数的位置，按列循环，一次嵌入水印信息
Figure 647151DEST_PATH_IMAGE004
  ，采用下述嵌入公式：
 　　　　　　　　　　   （1）
并且当嵌入的二值水印信息  为1时，将
Figure DEST_PATH_IMAGE042
  矩阵记录为2，产生一个记忆矩阵。式中，
Figure 459752DEST_PATH_IMAGE043
  为水印的嵌入强度。
Figure 983137DEST_PATH_IMAGE023
  值得大小控制着水印的不可见性和鲁棒性，
Figure 412981DEST_PATH_IMAGE038
  值越大，则嵌入水印能量就越大，水印的鲁棒性越好，但其不可见性变差。因此，需要根据实际的效果对比来选择合适的
Figure 389028DEST_PATH_IMAGE043
  值。
步骤4：按照修改后的低频子带系数和其他高频子带系数，进行s级逆向提升小波变换，得到嵌入水印的重构图像。
三、      数字水印的提取
在数字图像中嵌入数字水印后，水印图像的提取步骤如下所示：
步骤1：对含水印的载体图像进行s级提升小波变换，得到低频子带系数矩阵
Figure 992047DEST_PATH_IMAGE025
  。与低频子带相对应，同样的方法形成组合高频子带系数矩阵
Figure 635518DEST_PATH_IMAGE027
  。
步骤2：根据
Figure 970685DEST_PATH_IMAGE012
  记忆矩阵所记录的重要性系数的位置，按列循环根据式（2）进行处理：
 　　　　　 （2）
式中，
Figure 699606DEST_PATH_IMAGE031
  为提取的可能含有水印的向量。
步骤3：水印存在性判断，设定一个阈值T，计算归一化互相关系  ：
Figure 338715DEST_PATH_IMAGE035
                           （3）
式中，
Figure 844783DEST_PATH_IMAGE004
  为原始的置乱后的水印向量。将  与设定的阈值进行比较，判断水印是否存在，若存在则进行步骤4，若不存在则停止水印的提取过程。
步骤4：将
Figure 507288DEST_PATH_IMAGE031
  按列的方式恢复成
Figure 859771DEST_PATH_IMAGE002
  的矩阵，根据水印图像构造中保留的密钥，进行反置乱，恢复水印图像。
四、数字水印的评价：
对于数字水印的嵌入及提取效果，主要通过不可见性与鲁棒性进行评价。不可见性，即嵌入水印图像后的数字图像是否对其原有质量产生了影响，可用峰值信噪比表示。
峰值信噪比是指可以定量刻画未嵌入水印信息的原始信号和嵌入水印信息后的含有水印信息信号的相似度，能较好的评价系统性能。在具体的应用中，峰值信噪比PSNR可以作为度量图像质量的标准之一。其公式定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
\ 　　　　       （4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
  分别表示原始图像和待测图像的像素。
鲁棒性，即含有水印图像的数字图像在受到各种攻击后，提取出的水印图像与原水印图像之间的相似度，可用相似度系数进行表示。
对于鲁棒水印来说，相似系数越大越好。对水印图像进行多种攻击后，通过比较相似度系数NC的值，可以得到数字水印算法抵抗恶意攻击的能力，由NC系数值得变化给出一个标胶客观的评价准则。这里用
Figure DEST_PATH_IMAGE050
  代表原始水印信息，用
Figure DEST_PATH_IMAGE052
  表示提取的水印信息。相似度系数的公式定义如下：
 　　　　　　　　　　　　　（5）
常用的有明显意义的水印有两类：一类为二值图像；另一类为灰度图像。相比而言，二值图像信息量小，很容易嵌入原始图像中，本发明选用二值图像，如图1所示水印图像。
对于得到的水印图像采用Arnold变换进行置乱，它的定义如下：
对于一幅N*N的图像，对任意像素点  进行一次Arnold变换后，像素点
Figure DEST_PATH_IMAGE058
  的坐标变为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
 （6）
其中，N是图像矩阵的阶数。
但在实际应用中，只进行一次Arnold变换并不能达到预期的置乱效果。所以，这时候就需要进行多次Arnold变换。变换周期N值，可以作为一个密钥。
这里对水印图像进行Arnold置乱，置乱周期为5，如图2所示进行Arnold置乱后的图像。周期
Figure DEST_PATH_IMAGE062
  满足要求并且周期可以提供一个合适的密钥。
接下来，按照发明内容中的数字水印嵌入步骤，可以将水印图像嵌入待保护的数字图像中。嵌入图1所示的数字水印后的数字图像如图3所示。然后，按照数字水印提取步骤可以得到从嵌入水印图像的数字图像中提取出的水印图像，如图4所示。为了保证嵌入水印后原图像的不可见性及从数字图像中提取水印的效果，嵌入强度的范围应在2-50之间进行选择。
为了验证本发明提出方法的鲁棒性，对嵌入水印图像的数字图像进行了以下各种攻击后再从中提取数字水印，其效果如图5-图10所示。其中图5为采用3*3中值滤波对嵌入水印的图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=35.5927,NC=0.8485; 图6为采用均值滤波对嵌入水印的图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=33.7709,NC=0.7672;图7为采用3*3平滑滤波对嵌入水印的图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=31.6531,NC=0.7597; 图8为采用高斯噪声对嵌入水印的图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=26.1787,NC=0.6845; 图9为采用剪切方式对嵌入水印的256*256图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=12.0098,NC=0.880;  图10为采用品质因子为60的JPEG压缩对嵌入水印的图像攻击后,提取出的水印效果,PSNR=36.4538,NC=0.8177。
从图5到图10可以看出，利用本发明提出的数字水印嵌入与提取方法可以较好地抵抗各类攻击，具有较好的鲁棒性。
本发明基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，待嵌入水印的图像进行提升小波分解后，将二值水印按重要性系数关系嵌入图像中，并且在嵌入图像的同时增加一个记忆矩阵。在提取水印时，通过比较原图与嵌入水印的重构图像的矩阵每个坐标的大小并且联系记忆矩阵，能够很好的提取水印，可以同时满足鲁棒性与不可见性。
对此方法得到的数字图像进行了滤波、剪切、压缩、噪音等攻击，从提取水印的质量上，也可以说明此方法具有一定的鲁棒性，本发明不但可以应用数字图像的保护，也可以推广至包含声音、视频在内的各种数字媒体保护，具有较好的现实意义。

Claims (3)

1.一种基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1）水印图像的构造：任意选择水印图像后，采用图像处理中的置乱技术对水印图像进行进一步的处理，通过对水印图像进行置乱处理，实现了对其进行加密，置乱后的水印图像用 表示，水印大小为                                               
Figure 2012104511401100001DEST_PATH_IMAGE001
，并将水印按列展开成行向量；
2）数字水印的嵌入：得到构造好的水印图像后，按以下步骤将水印嵌入待保护的数字图像中，
A：对宿主图像进行小波的s级提升分解，得到一个低频子带图
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 273772DEST_PATH_IMAGE003
子带小波系数矩阵
Figure 515397DEST_PATH_IMAGE004
尺寸要大于嵌入水印的尺寸；
B：确定一个阈值T，寻找满足的重要性系数，并用建立的矩阵来记录重要性系数的位置，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE007
是重要性系数，则在
Figure 496309DEST_PATH_IMAGE006
矩阵相应位置记录1，反之则为0；
C：按照
Figure 831475DEST_PATH_IMAGE006
矩阵记录的重要性系数的位置，按列循环，一次嵌入水印信息，采用下述嵌入公式：
　,并且当嵌入的二值水印信息
Figure 701528DEST_PATH_IMAGE008
为1时，将
Figure 199505DEST_PATH_IMAGE010
  矩阵记录为2，产生一个记忆矩阵，式中，
Figure 971152DEST_PATH_IMAGE012
为水印的嵌入强度；
D：按照修改后的低频子带系数和其他高频子带系数，进行s级逆向提升小波变换，得到嵌入水印的重构图像；
3）数字水印的提取：在数字图像中嵌入数字水印后，水印图像的提取步骤如下所示：
a：对含水印的载体图像进行s级提升小波变换，得到低频子带系数矩阵
Figure 921791DEST_PATH_IMAGE014
  ,与低频子带相对应，同样的方法形成组合高频子带系数矩阵  ；
b：根据
Figure 219097DEST_PATH_IMAGE018
  记忆矩阵所记录的重要性系数的位置，按列循环根据下式进行处理：
Figure 161645DEST_PATH_IMAGE020
 　　　　　 
式中，
Figure 160432DEST_PATH_IMAGE022
  为提取的可能含有水印的向量；
c：水印存在性判断，设定一个阈值T，计算归一化互相关系
Figure 581049DEST_PATH_IMAGE024
  ：
Figure 53618DEST_PATH_IMAGE026
                        
式中，
Figure 229385DEST_PATH_IMAGE028
 为原始的置乱后的水印向量，将
Figure 154615DEST_PATH_IMAGE024
与设定的阈值进行比较，判断水印是否存在，若存在则进行步骤d，若不存在则停止水印的提取过程；
d：将
Figure 378923DEST_PATH_IMAGE022
  按列的方式恢复成
Figure 440420DEST_PATH_IMAGE030
的矩阵，根据水印图像构造中保留的密钥，进行反置乱，恢复水印图像。
2.根据权利要求1所述基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，其特征在于，所述步骤1）中的置乱过程可以在数字图像的空间域上进行，也可以在图像的频率域上进行。
3.根据权利要求1所述基于提升小波的数字水印嵌入及提取方法，其特征在于，所述
Figure 724771DEST_PATH_IMAGE012
 值的大小控制着水印的不可见性和鲁棒性，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
值越大，则嵌入水印能量越大，水印的鲁棒性越好，但其不可见性变差，为了保证嵌入水印后原图像的不可见性及从数字图像中提取水印的效果，水印的嵌入强度
Figure 199615DEST_PATH_IMAGE012
值的范围在2-50之间进行选择。
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