CN103079066A - 脊波变换与dct变换相结合的图像水印嵌入和提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法，水印嵌入方法包括如下步骤：将图像从RGB空间转换到YIQ空间；对Y分量进行脊波变换；选入嵌入频带并分块；进行DCT变换，添入水印信息，得到含有水印信息的DCT系数矩阵；进行IDCT变换及逆脊波变换；将图像从YIQ空间转换到RGB空间，得到嵌入水印后的图像。水印提取方法包括如下步骤：将图像从RGB空间转换到YIQ空间；对Y分量进行脊波变换；选入嵌入频带并分块；DCT变换；提取水印；计算量化值，得到水印图像。本发明增强了水印算法的健壮性，具有较好的鲁棒性和不可见性。

Description

脊波变换与DCT变换相结合的图像水印嵌入和提取方法

技术领域

本发明涉及一种数字图像水印技术，具体说，涉及一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法。

背景技术

随着我国文化创意产业的快速发展，知识产权保护已成为发展文化创意产业的重要保障。创意产业是以版权为基础衍生发展而形成的产业，创意产业的核心是版权，因此只有做好版权保护才能促进创意产业在中国的腾飞。

每年全球有大量数字信息被侵权盗版，盗版使得数字信息的真实性、完整性受到严重威胁。如果这些信息涉及到政府机要、司法诉讼、医疗记录、电子商务等具有特殊意义应用场合，将会造成巨大的经济损失及严重的社会后果。因此，迫切需要一种新的技术来保护数字产品的版权、真实性和完整性。

数字水印技术已应用到版权保护领域，它将版权所有者的唯一标识嵌入到数字作品中，利用数据隐藏原理使版权标识不可见或不可听，从而既不损害原作品，又达到了版权保护的目的，同时它还可以检测到数据的伪造以及篡改。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来说，水印技术必须具有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的可逆性。

鲁棒性是数字水印技术的一个重要特性，实现版权保护要求数字水印有很高的鲁棒性，鲁棒性保证了当数字信息收到有意或者无意的处理或者攻击时，仍能够通过检测提取到确认版权的水印信息。

脆弱性是数字水印在数字信息完整保护中用到的特性，如果数字信息是一些具有特殊意义的信息，当遭到恶意攻击和篡改伪造时就需要具有良好脆弱性的数字水印验证数字数据的完整性，验证数字数据的真伪，确定数字数据被篡改的位置，避免不必要的损失。

现在绝大多数数字水印算法在功能上是单一的。鲁棒性水印算法对篡改操作不够敏感，篡改检测和定位能力差，很难实现内容认证；脆弱性水印算法不具备抵抗攻击的能力；半脆弱性水印算法很难做到同时具备良好的鲁棒性和敏感的脆弱性。

近年来也有一些研究者提出了在图像中同时嵌入鲁棒性水印和脆弱性水印的双水印方法。但普遍存在不可见性差或不抗JPEG压缩等缺陷。

现有的数字图像水印算法可分为两类：空域法和变换域法。空域法是通过直接改变图像的某些像素的灰度值来加入水印，而变换域法是先对图像作某种变换，然后通过改变某些系数来嵌入水印。

空域法直接修改图像的像素，特点是算法简单、计算复杂度低，但鲁棒性较差，典型的有：最低有效位法（Least Significant Bit，LSB）算法、patchwork算法等。

变换域法的优点是：变换域中嵌入的水印信号能量可分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性；在变换域中，可以更方便地将人类视觉系统（HVS）的某些特性结合到水印算法中；变换域方法可与现有的图像压缩方法兼容，从而实现压缩图像的水印嵌入。

主流的变换域有DCT（离散余弦变换）变换域和DWT（离散小波变换）变换域。目前主要的方法包括基于DCT的数字水印方法、基于DWT的数字水印方法，以及DWT与DCT结合的数字水印方法。

DCT是数字图像处理以及信号处理常用的一种正交变换，是一种特殊的傅里叶变换。DCT图像水印对压缩、滤波具有很强的稳健性，具有压缩比高、误码率小、信息集中能力和计算复杂性综合效果较好等优点，但DCT是从图像空间到频率空间的全局变换而非局部变换，没有保留原图像块的精细结构，从中反映不了原图像块的边缘、轮廓等信息，不能很好地解决突变信号的问题。

DWT是空间和频率的局部变换，在时域和频域均能做到局部化。DWT将水印信号嵌入到小波变换后的数字图像的低频带或高频带系数上时，不仅考虑了对DWT变换系数进行加性、乘性、量化、替换，有时还考虑到人类视觉系统的一些特性，如视觉掩蔽特性、频率敏感性、亮度敏感性等，有利于提高水印的鲁棒性，但在DWT域嵌入水印，抵抗几何形变攻击能力较弱。而对于DWT的二维小波，虽然可以有效处理分离的、不连续的边缘点，但却不能处理光滑的边缘轮廓线，且小波变换只能获得有限的方向信息。因此，在表示图像的边缘轮廓线时，小波变换存在不足，没有考虑现状奇异性的问题。

脊波变换是在Radon域上的小波变换基础上形成的，即线状奇异性的脊波分析可用点状奇异性的小波分析来完成，而小波能很好地处理点状的奇异性，和DWT相比，脊波变换一方面能更完整地保留图像的线性边缘和纹理；另一方面，脊波变换在保留小波变换空/频局部性等重要性质的同时，其多通道分解比小波变换更加匹配人类视觉系统的多通道结构。脊波变换相对于小波变换具有很好的方向识别性。

基于脊波变换的优点，一些研究人员采用脊波变换处理水印，但是同样不能抵抗程度较大的几何攻击。

本发明的图像水印方法属于变换域方法，与本发明最相近似的数字图像水印实现方案是DWT和DCT结合的数字图像水印算法。

DWT与DCT结合的优点在于它充分利用了小波变换的多分辨率特性和离散余弦变换的能量压缩能力，但是并没有考虑线状奇异性的问题。

综上所述，现有技术中对数字图像水印算法存在以下技术问题：

1、单一功能的算法不能同时具备良好的鲁棒性和敏感的脆弱性；

2、双水印法的不可见性差；

3、DCT不能反映原图像的边缘、轮廓信息；DWT没有充分考虑图像边缘的方向性和奇异性，同时抗几何攻击能力差；脊波变换不能抵抗程度较大的几何攻击。

4、DWT和DCT结合的数字图像水印算法，没有考虑线状奇异性的问题，健壮性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提出一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法，将脊波变换与DCT相结合，增强了水印算法的健壮性，并同时具有较好的鲁棒性、脆弱性和不可见性。

具体技术方案如下：

一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法，

所述水印嵌入方法包括如下步骤：

步骤1，读入图像，将图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2，提取图像的Y分量，对其进行正交脊波变换；

步骤3，针对步骤2已经完成正交脊波变换的Y分量，选定Y分量中的嵌入频带并分块；

步骤4，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行DCT变换，添入水印信息W，得到含有水印信息的DCT系数矩阵；

步骤5，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行IDCT变换，然后进行逆脊波变换；

步骤6，针对完成逆脊波变换的图像从YIQ空间转换到RGB空间，得到嵌入水印后的图像。

进一步：水印嵌入方法中，所述步骤5中逆脊波变换随机选择两种变换

模式：

变换模式一：基于公式：

其中，a为脊波尺度参数(a＞0)，b为脊波位置参数(b∈R)，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]；

变换模式二：通过先对信号的脊波系数进行小波反变换，然后再进行Randon反变换得到。

一种脊波变换与DCT相结合的图像水印提取方法，包括如下步骤：

步骤1，读入图像，将图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2，提取图像的Y分量，对其进行正交脊波变换；

步骤3，针对步骤2已经完成正交脊波变换的Y分量，选定Y分量中的嵌入频带并分块；

步骤4，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行DCT变换，

步骤5，针对步骤4已经完成DCT变换的嵌入频带，提取水印；

步骤6，计算量化值；若量化值为奇数，则W′取1，否则，W′取0，得到水印图像；所述W′为提取出的水印图像。

进一步：水印提取方法中，所述步骤2中的脊波变换随机选择两种变换模式：

变换模式一：基于定义：

其中，CRT_f(a,b,θ)表示连续脊波变换，f(x)为R²中的可积函数，R²表示二维；

是由一维小波函数定义的脊波函数，公式为：

其中，a为脊波尺度参数，a＞0，b为脊波位置参数，b∈R，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]，x₁，x₂∈R。

变换模式二：通过先对信号进行Randon变换，再进行小波变换得到。

本发明将脊波变换与DCT相结合，不仅增强了水印算法的健壮性，而且可以在图像遭受攻击时定位篡改位置，在发生版权纠纷时可将水印提取出来作为证据，同时还能抵抗常见攻击，防止图像被篡改，有效保护了图像信息的版权。具有较好的鲁棒性、脆弱性和不可见性。

附图说明

图1是本发明水印嵌入方法的流程图；

图2是本发明水印提取方法的流程图；

图3是本发明中脊波变换与DCT相结合方法嵌入、提取的水印图像；

图4是本发明中DWT与DCT相结合方法嵌入、提取的水印图像；

图5是本发明中脊波变换方法嵌入、提取的水印图像；

图6是本发明中DCT变换方法嵌入、提取的水印图像；

图7是本发明中嵌入水印的图像遭受剪切攻击后四种方法提取的水印图像；

图8是本发明中嵌入水印的图像遭受高斯噪声攻击后四种方法提取的水印图像；

图9是本发明中嵌入水印的图像遭受JPEG压缩攻击后四种方法提取的水印图像。

具体实施方式

本发明将脊波变换与DCT相结合，利用脊波变换充分考虑图像边缘的方向性和奇异性的特点，有效处理在高维情况下的线状奇异性。不仅增强了水印算法的健壮性，而且可以在图像遭受攻击时定位篡改位置，在发生版权纠纷时可将水印提取出来作为证据，同时还能抵抗常见攻击，防止图像被篡改，有效保护了图像信息的版权。具有较好的鲁棒性、脆弱性和不可见性。

下面结合附图1~2对本发明实施步骤作进一步的详细描述。

水印嵌入包括以下步骤：

步骤1：读入图像，将图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2：提取图像的Y分量，对其进行正交脊波变换；

步骤3：选定嵌入频带并分块；

按照频率和方向进行分块，组合成脊波子带，表示为：

$I_{\mathrm{ym}}^k=\left\{I_{\mathrm{ym}}^k(i,j)\right\};$

其中，表示图像I进过脊波变换之后得到的子带，

表示子带中的像素点。

选定待嵌入水印的脊波频带，再将之分成L×L个长度为N的块P₁,P₂,...P_L×L，构成需要嵌入水印的宿主块；

其中，水印为一幅大小为L×L的二值图像，记为W；

步骤4：对各个子块进行DCT变换，记变换后相应的DC分量为d_xy；

计算量化值

修改各块经DCT变换之后的DC分量，添入水印信息W，得到含有水印信息的DCT系数矩阵；

如果λ_xy+W_xy对2取余等于1，则d′_xy＝(λ_xy-0.5)δ；否则d′_xy＝(λ_xy+0.5)δ；用d′_xy代替原来的d_xy；

其中，δ为预先设定的量化步长。

步骤5：对各个子块进行IDCT(逆DCT)变换，然后进行逆脊波变换；

步骤6：将图像从YIQ空间转换到RGB空间，得到嵌入水印后的图像。

水印提取是水印嵌入的逆过程包括以下步骤：

步骤1：将嵌入水印的图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2：对Y分量进行正交脊波变换；

步骤3：选定嵌入频带并分块；

获得嵌入频带，按嵌入过程中的方式进行分块，得到各子块P′₁,P′₂,...P′_L×L；

步骤4：对各个子块进行DCT变换，记变换后的分量为d″_xy；

步骤5：提取水印；

步骤:6：计算量化值若λ″_xy为奇数，则W′取1，否则，W′取0，得到水印图像。所述W′为提取出的水印图像。

由上述步骤可以看出脊波变换在本发明中起了重要作用，下面对其进行重点介绍：

为了有效表示图像中的线状奇异性特征，脊波变换基函数是在小波基函数的基础上增加了一个表示方向的参数，可以表示信号的方向性特征。

R²（二维）中可积函数f(x)的连续脊波变换（Continuous Ridgelet Transform）定义为：

在式(1)中，是由一维小波函数定义的脊波函数：

在式(2)中，a为脊波尺度参数，a＞0，b为脊波位置参数，b∈R，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]，x₁，x₂∈R。

二维数字图像的反变换（逆脊波变换）公式为：

其中，a为脊波尺度参数(a＞0)，b为脊波位置参数(b∈R)，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]。

由式(3)可知，脊波变换与小波变换类似，脊波变换用线参数(b,θ)代替了点参数(b₁,b₂)，可以有效表示图像的直线边缘和轮廓。如果将较大图像分成小块后处理，则图像的曲线边缘在小块中可近似按直线表示。

在二维空间中，点和线可以通过Randon变换相联系，故可通过Randon变换将脊波变换和小波变换联系起来。函数f(x,y)的Randon变换定义为：

R_f(θ,t)＝∫f(x,y)δ(xcosθ+ysinθ-t)dxdy    (4)

在式(4)中，δ为Dirac函数，则二维图像的脊波变换可通过先对信号进行Randon变换，再进行小波变换得到。

同理，脊波反变换（逆脊波变换）则是先对信号的脊波系数进行小波反变换，然后再进行Randon反变换。

为了验证本发明的有效性和可行性，采用了多组图像、多个水印进行了实验，下面结合附图3~6进一步说明：

图3给出了采用脊波变换与DCT相结合的方法嵌入、提取水印的实验结果，3a为原始图像，3b为水印图像，3c为嵌入水印后图像，3d为提取的水印图像；图4给出了采用DWT与DCT相结合的方法嵌入、提取水印的实验结果，4a为原始图像，4b为水印图像，4c为嵌入水印后图像，4d为提取的水印图像；图5给出了采用脊波变换方法嵌入、提取水印的实验结果，5a为原始图像，5b为水印图像，5c为嵌入水印后图像，5d为提取的水印图像；图6给出了采用DCT变换方法嵌入、提取水印的实验结果，6a为原始图像，6b为水印图像，6c为嵌入水印后图像，6d为提取的水印图像。

为验证该水印的稳健性，分析水印图像在受到恶意攻击之后水印的鲁棒性，本发明对含水印图像进行了一系列攻击实验，来检验脊波变换与DCT变换相结合的图像水印嵌入和提取方法在不同情况下的鲁棒性，下面结合附图7~9进一步说明：

图7给出了采用嵌入水印的图像遭受剪切攻击后四种方法提取水印的实验结果,7a为脊波与DCT结合，7b为DWT与DCT结合，7c为脊波变换，7d为DCT变换；图8给出了采用嵌入水印的图像遭受高斯噪声攻击后四种方法提取水印的实验结果，8a为脊波与DCT结合，8b为DWT与DCT结合，8c为脊波变换，8d为DCT变换；图9给出了采用嵌入水印的图像遭受JPEG压缩攻击后四种方法提取水印的实验结果，9a为脊波与DCT结合，9b为DWT与DCT结合，9c为脊波变换，9d为DCT变换。

对水印可感知性进行评估可以通过主观测试或者质量度量来衡量。主观测试对最终的质量评价有一定的使用价值，但在研究和开发情况下并不实用。在这种情况下，量化失真的度量更加有效，并且也使不同方法间的比较趋于合理，因为其结果不依赖于主观评定。一般采用的度量标准是峰值信噪比（PSNR）和归一化相关系数NC。

本发明采用峰值信噪比和归一化相关系数度量嵌入水印视频图像质量和提取水印的质量。峰值信噪比公式如下：

$\mathrm{PSNR}=10\lg \frac{M\×N\×{255}^2}{\underset{1\≤i\≤M}{\mathrm{\Σ}}\underset{1\≤j\≤M}{\mathrm{\Σ}}{[I^{\′\′}(i,j)-I(i,j)]}^2}$

其中，I和I″分别表示原始视频图像和含水印图像，M，N分别表示图像的长和宽。

为定量地评价提取的水印与原始水印之间的相似度，可用归一化互相关系数NC作为恢复水印图像质量的客观评价标准，公式如下：

$\mathrm{NC}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{W}^{\′}(i,j)\⊕\stackrel{\‾}{W}(i,j)}{m\×n}$

其中，表示W的逻辑非运算。

NC越接近于1，说明提取出的水印图像与原始水印图像越相似。

在分析图像受到攻击之后的数字水印时，通常利用含水印图像和原载体图像的峰值信噪比函数来定量地衡量水印的不可见性，一般而言，PSNR值越大，不可见性就越好。采用提取水印与原始水印的归一化相关系数NC（0<NC<=1）来描述水印算法的鲁棒性，NC值越大，水印的鲁棒性越强。

分别计算几组实验的PSNR值和NC值，可以看出脊波变换与DCT结合的方法明显优于其它方法。实验数据如表1、2、3和表4所示。

表1各种方法水印的评价指标

表2遭受剪切攻击后的评价指标

表3遭受噪声攻击后的评价指标

表4遭受JPEG压缩攻击后的评价指标

由以上实验结果可以看出，脊波变换与DCT结合具备抵抗对图像加噪、剪切、JPEG压缩等常见攻击的能力，同时可以对遭受攻击的位置进行定位，具有较强的鲁棒性。

综上所述，本发明将脊波变换与DCT相结合，不仅增强了水印算法的健壮性，而且可以在图像遭受攻击时定位篡改位置，在发生版权纠纷时可将水印提取出来作为证据，同时还能抵抗常见攻击，防止图像被篡改，有效保护了图像信息的版权。具有较好的鲁棒性、脆弱性和不可见性。

Claims (4)

1.一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，读入图像，将图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2，提取图像的Y分量，对其进行正交脊波变换；

步骤3，针对步骤2已经完成正交脊波变换的Y分量，选定Y分量中的嵌入频带并分块；

步骤4，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行DCT变换，添入水印信息W，得到含有水印信息的DCT系数矩阵；

步骤5，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行IDCT变换，然后进行逆脊波变换；

步骤6，针对完成逆脊波变换的图像从YIQ空间转换到RGB空间，得到嵌入水印后的图像。

2.如权利要求1所述的脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入方法，其特征在于，所述步骤5中逆脊波变换随机选择两种变换模式：

变换模式一：基于公式：

其中，a为脊波尺度参数(a＞0)，b为脊波位置参数(b∈R)，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]；

变换模式二：通过先对信号的脊波系数进行小波反变换，然后再进行Randon反变换得到。

3.一种脊波变换与DCT相结合的图像水印提取方法，其特征在于，

包括如下步骤：

步骤1，读入图像，将图像从RGB空间转换到YIQ空间；

步骤2，提取图像的Y分量，对其进行正交脊波变换；

步骤3，针对步骤2已经完成正交脊波变换的Y分量，选定Y分量中的嵌入频带并分块；

步骤4，对步骤3中已经分块的嵌入频带的每一块进行DCT变换，

步骤5，针对步骤4已经完成DCT变换的嵌入频带，提取水印；

步骤6，计算量化值；若量化值为奇数，则W′取1，否则，W′取0，得到水印图像；所述W′为提取出的水印图像。

4.如权利要求1和3所述的脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述步骤2中的脊波变换随机选择两种变换模式：

变换模式一：基于定义：

其中，CRT_f(a,b,θ)表示连续脊波变换，f(x)为R²中的可积函数，R²表示二维；

是由一维小波函数

定义的脊波函数，公式为：

其中，a为脊波尺度参数，a＞0，b为脊波位置参数，b∈R，θ为脊波方向参数，θ∈[0,2π]，x₁，x₂∈R；

变换模式二：通过先对信号进行Randon变换，再进行小波变换得到。

Images