CN103279917A - 变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术 - Google Patents

Abstract

本发明是变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术，可抵抗一般图像处理攻击的同时，有效抵抗图像旋转、等比例缩放攻击的问题，以及嵌入强度过大而影响人眼视觉效果的问题。解决该问的技术方案是结合二维码技术和contourlet变换的特性将二维码嵌入到灰度图像中，同时采用字符串替换和置换相结合的加密方法解决二维码的安全性，采用量化的方式盲提取水印信息，并利用二维码解决图像无法抗任意旋转、等比例缩放问题。该技术不仅可以有效解决图像无法抵抗旋转、等比例缩放攻击的问题，也可以抵抗一定程度的一般图像处理攻击，能够广泛的应用于较大数字图像（不小于1024×1024像素）作品的版权保护。

Description

变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术

技术领域

本发明涉及一种数字水印方法，属于图像处理领域

背景技术

随着网络和通信技术的快速发展，数字产品版权保护问题日益突出。能否有效解决数字产品版权保护问题，直接影响着数字产品的健康快速发展。

虽然数字水印领域的文章很多，但是多数的方法因其效果限制无法投入到实际应用中去。其中限制现有技术走向应用的瓶颈，就是目前很少有数字水印技术能够有效的抵抗旋转攻击和缩放攻击。一些空间域的水印算法能够在一定程度上抵抗旋转和缩放攻击，但是由于其对噪声的敏感，以及对压缩攻击的鲁棒性较差，使得此类方法也无法投入到实际应用中去。所以变换域水印逐渐成为研究热点。

《一种抗几何攻击的小波域盲图像水印算法》一文所提出的变换域水印技术简单，并且可以抵抗旋转和缩放攻击，但是该文章中实验所选用的插值方式是实际操作中不常用的邻近差值方式，并且这种水印技术提取的水印图像只能过人眼主观观察，没有一个客观的标准来判定是否存在水印，这也使得此种方法无法投入到实际应用。

发明内容

针对上述问题，本发明利用QR二维码和contourlet变换的特性,建立了一种可以解决旋转攻击和等比例缩放攻击的数字水印技术，本技术也可抵抗一定程度的一般图像处理攻击，如：JPEG压缩、噪声和滤波攻击。同时获得较好的水印信息不可见性和较强的鲁棒性，具有很强的实用性。为解决水印信息的安全性问题，可将字符串进行加密处理，将加密生成的新字符串编码生成QR二维码作为水印信息。利用分块量化的嵌入方式以实现水印盲提取，从而实现了组织和个人对可疑图像的图片进行版权的保护认证。

为了实现上述目的，可以采取以下方案：

本发明提供了一种变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术，其特征在于，由以下嵌入步骤实现将水印嵌入到灰度载体图像中：(1)对所要嵌入的字符串，包括：英文字母大写或小写、数字、*，长度<=18字节的字符串进行字符串替换和置换加密；(2)对加密后生成的字符串编码，转换为标准QR二维码；(3)将灰度载体图像进行一级contourlet变换，取出其低频图像，采用分块量化嵌入方式，将QR二维码嵌入到低频系数中；(4)进行逆contourlet变换，得到含水印的图像。

本发明涉及的灰度图像数字水印技术，还具有以下提取步骤：(1)将含水印的灰度图进行一级contourlet变换，得到低频图像；(2)采用分块量化提取的方式，将QR二维码，低频图像中提取出；(3)将QR二维码进行解码，对解码后的字符串按字符串置换和替换解密，转换为原始字符串。

附图说明

图1是嵌入水印流程图。

图2是水印提取流程图。

图3是原载体图。

图4是嵌入水印图。

图5是待嵌入的QR二维码。

图6是提取出的二维码。

图7是载体图旋转任意角度。

图8是旋转任意角度的载体图取出的水印图。

图9是任意等比例缩放的载体图。

图10是从任意等比例缩放的载体图中提取的水印图。

图11是高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的图像。

图12是从高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的图像中提取的水印图。

图13是椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的图像。

图14是从椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的图像中提取的水印图。

图15是speckle噪声攻击(方差为0.003)后的图像。

图16是从speckle噪声攻击(方差为0.003)后的图像中提取的水印图。

图17是3*3高斯滤波攻击后的图像。

图18是从3*3高斯滤波攻击后的图像中提取的水印图。

图19是3*3均值滤波攻击后的图像。

图20是从3*3均值滤波攻击后的图像中提取的水印图。

图21是3*3中值滤波攻击后的图像。

图22是从3*3中值滤波攻击后的图像中提取的水印图。

图23是JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的图像。

图24是从JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的图像中提取的水印图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的变换域抗几何变换的灰度图像水印技术的优选实施例做详细阐述，但本发明并不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明的优选实施例中说明了具体细节。

图1为嵌入水印流程图。

如图1所示，将水印嵌入灰度图像包括以下步骤：

步骤S1-1：将所要嵌入的字符串进行替换和置换加密。

步骤S1-101:确定长度为n(n<=18)的待加密字符串。

步骤S1-102:生成随机序列与字符串进行替换加密。

生成一个长度为n、只含数字1到3的随机序列。利用生成的随机序列将待加密字符串中的字符对应替换成该字符之后的第k(k为1、2或3)个字符。例如：待加密的字符串为Tz*9，随机生成的序列为(2，2，1，3)，则替换加密后的字符串为Vb*2(z之后第1个字符为a，9之后第1个字符为0，*不做变化)。替换加密完成。

步骤S1-103：生成随机序列与字符串进行置换加密。

生成一个含数字1到n、长度为n的随机序列，将其作为字符串置换加密的位置索引，进行置换加密。例如：替换加密后的字符串为Vb*2，随机生成的序列为（3，1，4，2），则置换加密后的字符串为*V2b。置换加密完成。

步骤S1-2：将加密后的字符串转化为QR二维码。

将加密后的字符串编码生成二维码，利用photoshop将二维码的白边裁掉，并调整大小至64×64像素。

步骤S1-201:对原载体图像作水印嵌入区域的选择。

若载体图像的尺寸为1024×1024像素，则将其作为水印嵌入区域；若载体图像的尺寸大于1024×1024像素，则取左上角的1024×1024大小的图像作为水印嵌入区域。

步骤S1-3:将QR二维码嵌入到载体图像的低频系数中。

步骤S1-301:将灰度载体图像进行一级contourlet变换并取出低频图像。

对1024×1024像素大小的图像进行一级contourlet变换，得到其尺寸为512×512像素的低频图像。为了使算法具有较高的鲁棒性，将低频图像按照8×8大小分块，低频图像被分为64×64块。

步骤S1-302：采用分块量化方式，将QR二维码嵌入到低频系数中。对每一块以量化的方式对应嵌入一个水印信息位。

嵌入方式如下：

当嵌入的水印信息位为0时：

$I(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}I(i,j)-\mathrm{mod}(I(i,j),S)+\frac{S}{4},& \mathrm{if}& 0\&le;\mathrm{mod}(I(i,j),S)<3\&times;S/4\\ I(i,j)-\mathrm{mod}(I(i,j),S)+5\&times;\frac{S}{4},& \mathrm{if}& 3\&times;S/4\&le;\mathrm{mod}(I(i,j),S)<S\end{array}\right.$

当嵌入的水印信息位为1时：

$I(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}I(i,j)=-\mathrm{mod}\left(I\right(i,j),S)-\frac{S}{4}& \mathrm{if}& 0\&le;\mathrm{mod}\left(I\right(i,j),S)<S/4\\ I(i,j)-\mathrm{mod}\left(I\right(i,j),S)+3\&times;\frac{S}{4}& \mathrm{if}& S/4\&le;\mathrm{mod}\left(I\right(i,j),S)<S\end{array}\right.$

I(i,j)表示8×8大小的块的第i行第j列的像素值，S为水印信息的嵌入强度，mod为求余操作。

步骤S1-4:采用逆contourlet变换得到含水印的图像。

对嵌入后的低频图像进行逆contourlet变换，得到含水印的原始大小图像。

图2为水印提取流程图。

如图2所示，将水印从嵌有水印的灰度图中实现盲提取包括以下步骤：

步骤S2-1:将含有水印的灰度图进行一级Contourlet变换得到低频图像。

步骤S2-2:从低频图像中提取出QR二维码。

步骤S2-201:对低频图像进行8×8分块。

步骤S2-202:采用分块量化提取的方式提取QR二维码。对每块按如下方式提取水印。

$W=\left\{\begin{array}{ccc}1,& \mathrm{if}& S/2\&le;\mathrm{mod}(I^{\&prime;}(i,j),S)<S\\ 0,& \mathrm{if}& 0\&le;\mathrm{mod}(I^{\&prime;}(i,j),S)<S/2\end{array}\right.$

对于每一8×8大小的块按0或1的多数原则确定提取的水印信息位。

步骤S2-3:对提取的二维码解码。

步骤S2-4:对解码得到的字符串按加密的逆过程进行解密，得到原始字符串。

实施例1

图3为原载体图。

如图3所示，原载体图是一个标准的1024×1024像素的灰度图。

图4为嵌入水印图。

如图4所示，此时已经根据步骤S1-1到S1-4的步骤将一个QR二维码嵌入到标准的1024×1024像素的灰度图。

图5为待嵌入的QR二维码。

如图5所示，为待嵌入的QR二维码。

图6为提取出的二维码。

如图6所示，根据步骤S2-1到S2-2的步骤将已嵌入的QR二维码从标准的1024×1024像素的灰度图中提取出来。

实施例2

图7为含水印图旋转任意角度。

如图7所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图旋转任意角度。

图8为旋转任意角度的含水印图取出的水印图。

如图8所示，将QR二维码水印从旋转任意角度的含水印图中按照S2-1到S2-2的步骤将提取出来，仍然可以解码。

实施例3

图9为任意等比例缩放的含水印图。

如图9所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图按任意等比例缩放后的效果图。

图10为从任意等比例缩放的含水印图中提取的水印图。

如图10所示，将QR二维码水印从任意等比例缩放的含水印图中按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例4

图11为高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的图像。

如图11所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的图像。

图12为从高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的图像中提取的水印图。

如图12所示，将QR二维码水印从高斯噪声攻击(方差为0.0008)后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例5

图13为椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的图像。

如图13所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的图像。

图14为从椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的图像中提取的水印图。

如图14所示，将QR二维码水印从椒盐噪声攻击(方差为0.06)后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例6

图15为speckle噪声攻击(方差为0.003)后的图像。

如图15所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行speckle噪声攻击(方差为0.003)后的图像。

图16为从speckle噪声攻击(方差为0.003)后的图像中提取的水印图。

如图16所示，将QR二维码水印从speckle噪声攻击(方差为0.003)后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例7

图17为3*3高斯滤波攻击后的图像。

如图17所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行3*3高斯滤波攻击后的图像。

图18为从3*3高斯滤波攻击后的图像中提取的水印图。

如图18所示，将QR二维码水印从3*3高斯滤波攻击后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例8

图19为3*3均值滤波攻击后的图像。

如图19所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行3*3均值滤波攻击后的图像。

图20是从3*3均值滤波攻击后的图像中提取的水印图。

如图20所示，将QR二维码水印从3*3均值滤波攻击后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例9

图21是3*3中值滤波攻击后的图像。

如图21所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行3*3中值滤波攻击后的图像。

图22是从3*3中值滤波攻击后的图像中提取的水印图。

如图22所示，将QR二维码水印从3*3中值滤波攻击后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例10

图23是JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的图像。

如图23所示，将载有QR二维码水印的标准的1024×1024像素的灰度图进行JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的图像。

图24是从JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的图像中提取的水印图。

如图24所示，将QR二维码水印从JPEG压缩(压缩因子为30%)攻击后的灰度图像按照S2-1到S2-2的步骤提取出来，仍然可以解码。

实施例的作用与效果

根据实施例所涉及的变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术，由于结合了二维码技术和contourlet变换的特性将QR二维码分块量化嵌入到灰度图像中，不仅可以有效解决图像抵抗旋转攻击、等比例缩放攻击的问题，也可以在一定程度上抵抗包括高斯噪声攻击、椒盐噪声攻击、speckle噪声攻击、高斯滤波攻击、均值滤波攻击、中值滤波攻击、JPEG压缩攻击在内的一般图像处理攻击。能够广泛的应用于较大数字图像作品的版权保护。

Claims (2)

1.一种变换域抗几何攻击灰度图像数字水印技术，其特征在于，由以下水印嵌入步骤实现将水印嵌入到灰度载体图像中：

(1)对所要嵌入的字符串，包括：英文字母大写或小写、数字、*，长度<=18字节的所述字符串进行字符串替换和置换加密；

(2)对所述加密后生成的字符串编码，转换为标准QR二维码；

(3)将所述灰度载体图像进行一级contourlet变换，取出其低频图像，采用分块量化嵌入方式，将所述QR二维码嵌入到低频系数中；

(4)采用逆contourlet变换，得到含水印的图像。

2.根据权利要求1所述的灰度图像数字水印技术，其特征在于，还具有以下步骤实现盲提取，用于验证所述水印信息的真伪：

(1)将含水印的灰度图进行一级contourlet变换，得到低频图像；

(2)采用分块量化提取的方式，将所述QR二维码，低频图像中提取出；

(3)将所述QR二维码进行解码，对解码后的字符串按字符串置换和替换解密，转换为原始字符串。

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