CN103956173A - 基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法 - Google Patents

Abstract

基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，先将水印信息进行加密，将水印信息分成多元数组生成的数字序列，按照对应关系组成数据库；然后将水印信息制成计算全息图，并在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中，进而生成载体图像；最后应用与嵌入算法相对应的提取算法，从载体图像中提取出水印信息，对提取出的水印信息进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当水印信息中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印信息唯一对应的数字编码；检索数字编码是否存在于数据库中，完成水印的提取和鉴别。

Description

基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法

技术领域

本发明涉及数字水印技术领域，尤其涉及一种基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法。 

背景技术

随着信息技术与计算机网络的发展，越来越多的信息通过网络进行传输，而且数字信息的复制变得越来越简单。这一方面促进了社会的进步与发展，另一方面又带来了新的问题，即版权保护的问题，因此如何在数字作品中加入版权信息就是目前急需解决的问题。数字水印技术就是为了解决这一问题而提出来的。通常，数字水印技术是通过一定的算法把人类视觉不易觉察的标志性信息嵌入到多媒体信息当中，但不影响原内容的价值与使用。 

孙刘杰在中国专利0610025625.9中揭示了一种印刷光学全息水印证件防伪方法，该方法尚未涉及对提取出的水印信息进行分类和判定真伪的过程；李建中在中国专利0910111199.4中提出的“一种应用计算机生成全息图的数字水印方法”，该方法同样可完成水印的嵌入、检测和提取过程，其中检测过程为判断一幅图像中是否包含水印信息，但未涉及水印提取后分类和真伪判定的过程。 

通常采用相关检测的方法判定水印的真伪，由水印检测器将提取出的数据同指定的水印数据进行相关系数计算，再根据计算值与某个预先设定的阈值进行比较。相关系数值大于阈值时，可以判定待测图像中加入了水印数据，受版权保护；若相关系数值小于阈值时，则可说明待测图像中未含有水印信息，不受版权保护。 

采用相关检测器作检测时，关键问题是如何确定一个合理的检测阈值。彭静在“数字水印算法检测标准的研究”一文中，推导出误码率与错误概率之间的关系式，能够直接通过控制关系式中的误码率取值来确定检测阈值与错误概率值。Li-Chien Lin在“Statistical detection of digital holographic watermarking system”一文中提出了一种用于确定阈值的方法。 

张登银、杨海云和邓兰兰在“抗几何失真的数字水印检测算法”一文中，利用傅里叶-梅林变换的特性与相位相关性来估计水印图像的几何变化，根据评估结果对水印图像进行修正后，最后应用相关检测判断是否存在水印信息。 

俞玉莲在“数字水印双门限检测研究”一文中提出了一种新的基于序列假设检验的数字水印双门限检测算法，即使图像在经过压缩、平滑、切割等各种有意或无意的攻击后丢失了部分水印信息，该算法还能检测出是否存在水印信息。 

以上数字水印检测算法的研究主要集中在判断水印信息是否存在。然而，如果需要认证的数字图像量很大，对原图像的检索工作也是困难的。孙刘杰、王子煜在“一种新的安全鲁棒全息数字水印技术”一文中将二维条码作为水印信息，虽然可以顺利将水印信息分类，但是二维条码已经实现了广泛应用，一旦仿造者通过图像分离技术获得了水印信息，即使是不完整的、模糊的水印信息也可以仿制该水印信息。 

综上所述，现有算法中不乏检测算法，但是研究主要集中在将提取出的水印与原始水印作比较来判别真伪，而对水印信息进行分类的研究尚未得到充分研究。虽然已有研究尝试将现有条码技术与数字水印技术相结合，可以完成水印信息的分类工作，但条码技术通用，易仿制，不适合应用到防伪领域中。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有水印信息分类尚未得到充分研究，无法应用到防伪领域中的不足，提供一种利用特殊的水印信息编码方法，即实现了水印信息的加密，又可简化水印信息检索过程，进而提高数字水印系统的实用性。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的，一种基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，首先将水印信息进行加密，将水印信息分成多元数组生成的数字序列，并按照对应关系组成数据库；然后将水印信息制成计算全息图，并在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中，进而生成载体图像；最后应用与嵌入算法相对应的提取算法，从载体图像中提取出水印信息，对提取出的水印信息进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当水印信息中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印信息唯一对应的数字编码；检索数字编码是否存在于数据库中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码相对应的水印信息，完成水印的提取和鉴别。 

进一步地，所述的以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中是采取代换嵌入或线性嵌入将全息图嵌入至宿主图像中。 

进一步地，所述的最后应用与嵌入算法相对应的提取算法中的提取算法是指采用嵌入算法的逆运算。 

进一步地，所述的水印信息的加密是一个由多元数组生成的数字序列，该数字序列的构造方法如下： 

第一步预先设定水印图像的形状为正方形，边长为L像素(L≥100)，以正方形左下角角点为原点建立x-y坐标系，四个顶点坐标分别为(0,0)，(L,0)，(0,L)，(L,L)，以黑色为背景色，白色为前景色构造水印信息(或者以白色为背景色，黑色为前景色构造水印信息)，将 其记为w(x,y)，x,y为坐标值； 

第二步统计0.1L～0.4L包含的正整数序列，将其记为集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}，其中a₁<a₂<K<a_i<K<a_p； 

第三步从0.015L～0.02L所包含的正整数序列中任取一个正整数m，在集合A中任意取m个相异的元素，组成N个相异的m元数组B＝{b₁,b₂,K,b_m}，其中b₁≤b₂≤...≤b_m，N＝p×(p-1)×...×(p-m+1)，进而构成集合C＝{B₁,B₂,...,B_i,...,B_N}，且每个元素具有唯一性； 

第四步在所有N个w(x,y)中均绘制一个边长为l像素(l＝a_N/2)的等边三角形，该三角形在坐标系中具有相同的几何位置关系D。 

第五步在w_i(x,y)(i＝1,2,…,N)中，绘制m个正n边形(n>3)，其中正n边形边长依次取自集合C中m元数组B_i＝{b₁,b₂,K,b_m}的元素，单位为像素，要求正n边形彼此之间不重叠，且相邻两个正n边形最邻近的两个像素的距离不小于0.08L； 

第六步对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素(根据数学形态学运算常识，数学形态学开、闭运算中结构元素S由特定形状S_x及其尺寸S_c组成)的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i； 

第七步由N个w_i(x,y)，N个E_i及其对应关系组成数据库K。 

进一步地，所述的水印信息的嵌入是： 

第一步将水印w_i(x,y)制成计算全息图h_i，如傅里叶全息图、菲涅尔全息图等； 

第二步在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式(代换嵌入或线性嵌入)将h_i嵌入至宿主图像H中，进而生成载体图像H_i。 

进步地，所述的水印信息的鉴别是： 

第一步水印的提取：应用与嵌入算法相对应的提取算法(提取算法也就是采用嵌入算法的逆运算)，从载体图像H_i中提取出水印W_i(x,y)； 

第二步对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印W_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'； 

第三步检索数字编码E_i'是否存在于数据库K中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码E_i'相对应的w_i(x,y)，完成水印的提取和鉴别。 

进一步地，所述的对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形个数的减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i，包括步骤如下： 

(1)在w_i(x,y)中应用边缘检测技术(如Hough变换线检测法)找到三角形，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T(x,y)； 

(2)在集合(表示集合T在集合w_i(x,y)中的补集)中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i，由这m个e_i依次组成数组E_i＝{e₁,e₂,...,e_i,...,e_m}。 

进一步地，所述的对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'；包括以下步骤： 

(1)预处理：将W_i(x,y)转为二值图像，在W_i(x,y)中应用边缘检测工具，若未检测到三角形，则不受版权保护，若检测到三角形，根据三角形以及权利要求1中记录的D建立坐标系，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T'； 

(2)在集合中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i'，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i'，由这m个e_i'依次组成数组E_i'＝{e₁',e₂',...,e_i',...,e_m'}。 

本发明可达到的有益技术效果如下： 

(1)本发明和文字类、条码类水印信息相比，虽然水印信息均为二值图像，都可快速完成水印信息的检测工作，但本发明提供的数字水印方法对水印信息尺寸要求较严格，即使通过图像分离技术获得了模糊的或部分水印信息，也不能将水印信息精确地仿造。 

(2)本发明的数字水印分类方法可移植到其他数字水印方案中，普适性好。 

(3)本发明将水印信息制为全息图，提高了水印信息抗剪切的鲁棒性。 

附图说明

图1为本发明基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法流程图； 

图2为本发明实施例一的构成二值图像、扩频二值图像、生成数字编码E_i与全息图h_i的制作过程实例；图中：(a)、(b)水印信息w_i(x,y)；(c)、(d)扩频后的水印信息；(e)、(f)数字编码E_i；(g)、(h)全息图； 

图3为本发明实施例一的数字水印嵌入与提取过程实例；图中：(a)、(b)宿主图像H；(c)、(d)载体图像H_i；(e)、(f)提取出的水印W_i(x,y)； 

图4为本发明实施例一的预处理与生成数字编码E_i'的过程实例；图中：(a)、(b)预处理后的水印信息W_i(x,y)；(c)、(d)数字编码E_i'。 

具体实施方式

通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。 

实施例一 

(1)水印信息的构造： 

第一步：设定水印信息形状为正方形，边长L为256像素，以正方形左下角角点为原点建立x-y坐标系，四个顶点坐标分别为(0,0)，(256,0)，(0,256)，(256,256)，以黑色为背景色，白色为前景色构造水印信息，将其记为w(x,y)，x,y为坐标值； 

第二步：在0.1×256～0.4×256中包含77个正整数，将其记为集合A＝{26,27,...,102}； 

第三步：建立三元数组B＝(A_a,A_b,A_c)，其中A_a，A_b，A_c取值为集合A中任意三个相异的元素，例如B₁＝(26,27,28)或B₂＝(26,27,29)，设N＝77×(77-1)×(77-2)＝438900进而建立集合C＝{B₁,B₂,...,B_i,...,B_N}； 

第四步：设定最多可构造N个二值水印，将其记为w_i(x,y)，其中(i＝1,2,…,N)，本例以其中的2个水印w₁(x,y)、w₂(x,y)进行阐释，在w₁(x,y)、w₂(x,y)中分别绘制一个边长为64像素的等边三角形，该三角形的几何中心在(64,64)，且有一边和x轴平行，点(64,64)到 该边距离为像素； 

第五步：在w₁(x,y)、w₂(x,y)中，各以(64,192)，(192,64)，(192,192)为中心绘制三个正方形，其中正方形边长分别依次取自集合C中3元数组B₁＝(26,27,28)，B₂＝(26,27,29)的元素，单位为像素； 

第六步： 

(1)在w₁(x,y)、w₂(x,y)中应用边缘检测技术(如Hough变换线检测法)找到三角形，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T(x,y)； 

(2)在集合(表示集合T在集合w₁(x,y)中的补集)中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合{26,27,28,29}中的元素，每当经过数学形态学运算后正方形的个数减少一个时，将该S_c-1的数值记录到数组E₁中，当集合中3个正方形全部消失时，得到E₁＝{26,27,28}，同理得到E₂＝{26,27,29}。 

第七步：由w₁(x,y)、w₂(x,y)、E₁、E₂及其对应关系组成数据库K； 

(1)水印信息的嵌入： 

第一步：将水印w₁(x,y)、w₂(x,y)制成傅里叶计算全息图h₁、h₂： 

对w₁(x,y)、w₂(x,y)(如图2(a、b))进行扩频处理，结果如图2(c、d)，将图2(c、d)制为全息图。本实施例采用博奇编码的傅里叶全息图，如图2(g、h)所示。本发明仅以博奇编码的傅里叶全息图为例说明本发明的具体实施方式，但本发明并不限定全息图的类别。计算全息图生成过程如下： 

①首先将待记录编码的数字图像w₁(x,y)计算输入，并归一化得到f(x,y)，这样原始图像就以离散数据形式保存在一个二值矩阵中； 

②为了降低全息图的动态范围，将f(x,y)乘以一个随机相位以模拟光学全息中毛玻璃漫射光的作用。然后对其进行傅里叶变换得到傅里叶频谱F(x,y): 

③由傅里叶频谱F(x,y)，可以得到振幅信息A(x,y)和相位信息

$A(x,y)=\sqrt{\mathrm{real}{\left[F(x,y)\right]}^2+\mathrm{imag}{\left[F(x,y)\right]}^2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&phi;}(x,y)=\arctan \left\{\frac{\mathrm{real}\left[F(x,y)\right]}{\mathrm{imag}\left[F(x,y)\right]}\right\}---\left(3\right)$

其中和分别为取复波面的实部与虚部操作。 

④在线性记录条件下，光学离轴全息图的透过率函数h(x,y)为： 

h(x,y)＝|f(x,y)+R(x,y)|²＝|A(x,y)exp[jφ(x,y)+R(x,y)exp[i2παx]]|²＝|A(x,y)|²+R₀ ²+2R₀A(x,y)cos[2παx-φ(x,y)]                 (4) 

其中，f(x,y)表示物光波的复振幅，R(x,y)表示离轴平面参考光波，A(x,y)和R₀分别表示物光波和参考光波的振幅信息。和2παx分别表示相位信息。 

式(4)中只有第三项通过振幅和相位记录了物波的全部信息，而第一、二项分别表示物光波的自相关信息和直透参考光信息，没有包含物光波信息，这些冗余的信息增加了带宽的要求，同时在再现时还会出现图像的衍生像。Burch将第一、二项替换成直流偏置量得到修正离轴全息函数h′(x,y)。取归一化A(x,y)使|A(x,y)|_max＝1，再令参考光波|R(x,y)|＝1，则有： 

h′(x,y)＝0.5{1+A(x,y)cos[2παx-φ(x,y)]}             (5) 

式(5)则为博奇编码算法。 

最后，利用(5)式博奇编码算法将离散傅里叶变换编码得到傅里叶计算全息图h₁。w₂(x,y)的计算全息图h₂生成过程同理。 

第二步：将h₁、h₂以代换嵌入方式嵌入宿主图像离散小波域中，生成载体图像H₁、H₂： 

①对宿主图像(如图3(a、b))进行两层小波分解。 

②对图2(c、d)两幅全息图进行一层小波分解。 

③将图2(c、d)两幅全息图的一层小波分解的对角高频嵌入宿主图像二层小波分解的对角高频区。嵌入方程如下： 

M'(i,j)＝am(i,j)                    (6) 

其中，M'(i,j)表示水印嵌入后的小波系数值；a为强度因子，本例选取强度因子为1.0，m(i,j)为全息图一层小波分解的对角高频。 

图3(c、d)为嵌入水印后的载体图像H₁、H₂。 

(2)水印信息的鉴别： 

第一步：水印的提取：与嵌入算法相对应的提取算法如下：对载体图像做二层小波变换 抽取对角高频分量，再对其进行逆快速傅里叶变换(IFFT)可以得到再现图像如图3(e、f)所示，以“田”字形将每个再现像分为四块，并截取左上角一块，记为W₁(x,y)、W₂(x,y)，W₁(x,y)、W₂(x,y)即为提取出的水印，如图3(g)、(h)所示； 

第二步：对提取出的水印W₁(x,y)、W₂(x,y)进行预处理后，应用数学形态学开、闭运算生成与水印W₁(x,y)、W₂(x,y)各自对应的数字编码E₁、E₂： 

①预处理：将W₁(x,y)、W₂(x,y)转为二值图像； 

②在W₁(x,y)中应用边缘检测工具，检测到三角形，且该三角形存在一边与W₁(x,y)的边平行，将三角形该边记为P，以三角形重心作为(64,64)点，以W₁(x,y)中与P平行，且与点(64,64)距离最短的边为x轴，以W₁(x,y)中与P垂直，且与点(64,64)距离最短的边为y轴建立坐标系，同理在W₂(x,y)中建立坐标系； 

③在集合CW₁(x,y)T(表示集合T在集合W₁(x,y)中的补集)中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合{26,27,28,29}中的元素，每当经过数学形态学运算后正方形的个数减少一个时，将该S_c-1的数值记录到数组E₁'中，当集合CW₁(x,y)T中3个正方形全部消失时，得到E₁'＝{26,27,28}，同理得到E₂'＝{26,27,29}。 

第三步：在数据库K中，可以检索到数字编码E₁'，找到与数字编码E₁'相对应的W₁(x,y)，完成分类检测工作，同理可通过E₂'找到W₂(x,y)。 

通过上述实施例可以看出，本发明涉及一种基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，首先将水印信息进行加密，将水印信息分成多元数组生成的数字序列，并按照对应关系组成数据库；然后将水印信息制成计算全息图，并在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中，进而生成载体图像；最后应用与嵌入算法相对应的提取算法，从载体图像中提取出水印信息，对提取出的水印信息进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当水印信息中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印信息唯一对应的数字编码；检索数字编码是否存在于数据库中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码相对应的水印信息，完成水印的提取和鉴别。 

进一步地，所述的以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中是采取代换嵌入或线性嵌入将 全息图嵌入至宿主图像中。 

进一步地，所述的最后应用与嵌入算法相对应的提取算法中的提取算法是指采用嵌入算法的逆运算。 

进一步地，所述的水印信息的加密是一个由多元数组生成的数字序列，该数字序列的构造方法如下： 

第一步预先设定水印图像的形状为正方形，边长为L像素(L≥100)，以正方形左下角角点为原点建立x-y坐标系，四个顶点坐标分别为(0,0)，(L,0)，(0,L)，(L,L)，以黑色为背景色，白色为前景色构造水印信息(或者以白色为背景色，黑色为前景色构造水印信息)，将其记为w(x,y)，x,y为坐标值； 

第二步统计0.1L～0.4L包含的正整数序列，将其记为集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}，其中a₁<a₂<K<a_i<K<a_p； 

第三步从0.015L～0.02L所包含的正整数序列中任取一个正整数m，在集合A中任意取m个相异的元素，组成N个相异的m元数组B＝{b₁,b₂,K,b_m}，其中b₁≤b₂≤...≤b_m，N＝p×(p-1)×...×(p-m+1)，进而构成集合C＝{B₁,B₂,...,B_i,...,B_N}，且每个元素具有唯一性； 

第四步在所有N个w(x,y)中均绘制一个边长为l像素(l＝a_N/2)的等边三角形，该三角形在坐标系中具有相同的几何位置关系D。 

第五步在w_i(x,y)(i＝1,2,…,N)中，绘制m个正n边形(n>3)，其中正n边形边长依次取自集合C中m元数组B_i＝{b₁,b₂,K,b_m}的元素，单位为像素，要求正n边形彼此之间不重叠，且相邻两个正n边形最邻近的两个像素的距离不小于0.08L； 

第六步对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素(根据数学形态学运算常识，数学形态学开、闭运算中结构元素S由特定形状S_x及其尺寸S_c组成)的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i； 

第七步由N个w_i(x,y)，N个E_i及其对应关系组成数据库K。 

进一步地，所述的水印信息的嵌入是： 

第一步将水印w_i(x,y)制成计算全息图h_i，如傅里叶全息图、菲涅尔全息图等； 

第二步在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式(代换嵌入或线性嵌 入)将h_i嵌入至宿主图像H中，进而生成载体图像H_i。 

进步地，所述的水印信息的鉴别是： 

第一步水印的提取：应用与嵌入算法相对应的提取算法(提取算法也就是采用嵌入算法的逆运算)，从载体图像H_i中提取出水印W_i(x,y)； 

第二步对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印W_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'； 

第三步检索数字编码E_i'是否存在于数据库K中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码E_i'相对应的w_i(x,y)，完成水印的提取和鉴别。 

进一步地，所述的对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形个数的减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i，包括步骤如下： 

(1)在w_i(x,y)中应用边缘检测技术(如Hough变换线检测法)找到三角形，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T(x,y)； 

(2)在集合(表示集合T在集合w_i(x,y)中的补集)中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i，由这m个e_i依次组成数组E_i＝{e₁,e₂,...,e_i,...,e_m}。 

进一步地，所述的对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'；包括以下步骤： 

(1)预处理：将W_i(x,y)转为二值图像，在W_i(x,y)中应用边缘检测工具，若未检测到三角形，则不受版权保护，若检测到三角形，根据三角形以及权利要求1中记录的D建立坐标系，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T'； 

(2)在集合中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n 边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i'，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i'，由这m个e_i'依次组成数组E_i'＝{e₁',e₂',...,e_i',...,e_m'}。 

本发明可达到的有益技术效果如下： 

(4)本发明和文字类、条码类水印信息相比，虽然水印信息均为二值图像，都可快速完成水印信息的检测工作，但本发明提供的数字水印方法对水印信息尺寸要求较严格，即使通过图像分离技术获得了模糊的或部分水印信息，也不能将水印信息精确地仿造。 

(5)本发明的数字水印分类方法可移植到其他数字水印方案中，普适性好。 

本发明将水印信息制为全息图，提高了水印信息抗剪切的鲁棒性。 

本发明提供的一种基于数学形态学和全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，可移植到其他数字水印方案中，普适性好，不仅适用于在数字版权保护领域中对数字水印信息进行分类检测，还可适用于印刷品防伪领域中的数字水印信息分类，应用前景广阔。 

Claims (7)

1.一种基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，首先将水印信息进行加密，将水印信息分成多元数组生成的数字序列，并按照对应关系组成数据库；然后将水印信息制成计算全息图，并在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中，进而生成载体图像；最后应用与嵌入算法相对应的提取算法，从载体图像中提取出水印信息，对提取出的水印信息进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当水印信息中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印信息唯一对应的数字编码；检索数字编码是否存在于数据库中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码相对应的水印信息，完成水印的提取和鉴别。

2.如权利要求1所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的以常用方式将全息图嵌入至宿主图像中是采取代换嵌入或线性嵌入将全息图嵌入至宿主图像中。

3.如权利要求1所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的最后应用与嵌入算法相对应的提取算法中的提取算法是指采用嵌入算法的逆运算。

4.如权利要求2或3所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的水印信息的加密是一个由多元数组生成的数字序列，该数字序列的构造方法如下：

第一步预先设定水印图像的形状为正方形，边长为L像素(L≥100)，以正方形左下角角点为原点建立x-y坐标系，四个顶点坐标分别为(0,0)，(L,0)，(0,L)，(L,L)，以黑色为背景色，白色为前景色构造水印信息(或者以白色为背景色，黑色为前景色构造水印信息)，将其记为w(x,y)，x,y为坐标值；

第二步统计0.1L～0.4L包含的正整数序列，将其记为集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}，其中a₁<a₂<K<a_i<K<a_p；

第三步从0.015L～0.02L所包含的正整数序列中任取一个正整数m，在集合A中任意取m个相异的元素，组成N个相异的m元数组B＝{b₁,b₂,K,b_m}，其中b₁≤b₂≤...≤b_m，N＝p×(p-1)×...×(p-m+1)，进而构成集合C＝{B₁,B₂,...,B_i,...,B_N}，且每个元素具有唯一性；

第四步在所有N个w(x,y)中均绘制一个边长为l像素(l＝a_N/2)的等边三角形，该三角形在坐标系中具有相同的几何位置关系D。

第五步在w_i(x,y)(i＝1,2,…,N)中，绘制m个正n边形(n>3)，其中正n边形边长依次取自集合C中m元数组B_i＝{b₁,b₂,K,b_m}的元素，单位为像素，要求正n边形彼此之间不重叠，且相邻两个正n边形最邻近的两个像素的距离不小于0.08L；

第六步对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素(根据数学形态学运算常识，数学形态学开、闭运算中结构元素S由特定形状S_x及其尺寸S_c组成)的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i；

第七步由N个w_i(x,y)，N个E_i及其对应关系组成数据库K。

5.如权利要求4所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的水印信息的嵌入是：

第一步将水印w_i(x,y)制成计算全息图h_i，如傅里叶全息图、菲涅尔全息图等；

第二步在图像的空间域或离散小波域或离散余弦域内，以常用方式(代换嵌入或线性嵌入)将h_i嵌入至宿主图像H中，进而生成载体图像H_i。

进步地，所述的水印信息的鉴别是：

第一步水印的提取：应用与嵌入算法相对应的提取算法(提取算法也就是采用嵌入算法的逆运算)，从载体图像H_i中提取出水印W_i(x,y)；

第二步对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印W_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'；

第三步检索数字编码E_i'是否存在于数据库K中；若不存在，则不受版权保护；若存在，找到与数字编码E_i'相对应的w_i(x,y)，完成水印的提取和鉴别。

6.如权利要求5所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的对w_i(x,y)应用数学形态学开、闭运算，每当w_i(x,y)中正n边形个数的减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i，包括步骤如下：

(1)在w_i(x,y)中应用边缘检测技术(如Hough变换线检测法)找到三角形，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T(x,y)；

(2)在集合(表示集合T在集合w_i(x,y)中的补集)中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i，由这m个e_i依次组成数组E_i＝{e₁,e₂,...,e_i,...,e_m}。

7.如权利要求6所述的基于数学形态学与全息图的数字水印信息编码与鉴别方法，其特征在于，所述的对提取出的水印W_i(x,y)进行改善图像质量的预处理后，应用数学形态学开、闭运算，每当W_i(x,y)中正n边形的个数减少一个时，记录该结构元素的尺寸大小，由此生成与二值水印w_i(x,y)唯一对应的数字编码E_i'；包括以下步骤：

(1)预处理：将W_i(x,y)转为二值图像，在W_i(x,y)中应用边缘检测工具，若未检测到三角形，则不受版权保护，若检测到三角形，根据三角形以及权利要求1中记录的D建立坐标系，并将三角形中所包含像素的坐标记作集合T'；

(2)在集合中，应用形态学开、闭运算，在形态学开、闭运算中，S_x均为正n边形，S_c依次取集合A＝{a₁,a₂,...,a_i,...,a_p}中的元素，每当经过数学形态学运算后正n边形的个数减少一个时，将该a_i-1的数值记为e_i'，当集合中m个正n边形全部消失时，记录了m个e_i'，由这m个e_i'依次组成数组E_i'＝{e₁',e₂',...,e_i',...,e_m'}。