CN104036449B - 与jpeg2000一体化的可伸缩图像水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，其特征在于，包括：水印嵌入方法；和水印提取方法，其中，水印嵌入方法包括以下步骤：步骤一，整数小波变换；步骤二，Arnold变换；步骤三，排序分层；步骤四，H×H分块；步骤五，奇异值分解；步骤六，强度及差值运算；步骤七，嵌入内嵌水印；步骤八，修改奇异值运算；步骤九，奇异值分解逆运算；步骤十，EBCOT编码。水印提取方法包括以下步骤：步骤一，H×H分块；步骤二，奇异值分解；步骤三，强度运算；步骤四，提取各层次水印信息；步骤五，反置乱；步骤六，逆小波变换。

Description

与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法

技术领域

本发明涉及计算机信息安全领域，具体涉及与图像压缩国际标准JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，用于对JPEG2000格式压缩的图像的数字版权保护。

背景技术

随着网络的普及与多媒体概念的深入人心，多媒体压缩要求更高的性能和新的特征，以实现任何时间、任何地点、任何设备都能访问多媒体的新兴的通信功能，因此高效的可适应多种需求的图像编码技术JPEG2000应运而生。JPEG2000采用了可伸缩(scalable)编码技术和体系结构，可以从单个多媒体编码数据流中提取具有不同码率的多种表现形式，从而在一个很广的范围内对质量和码率实现优化折衷，既可以动态地适配不同的应用需求，又节省了大量的存储空间和传输带宽。多媒体的可伸缩功能由可伸缩编码产生，使得压缩多媒体内容以渐进增强的方式重现。JPEG2000采用内嵌编码方式的可伸缩结构体系，其核心部分包括小波变换和嵌入式优化截断编码(embedded block coding with optimizedtruncation–EBCOT)，其中小波变换形成不同级的分辨率及对应的子带，为JPEG2000的分辨率渐进功能提供了可能，而EBCOT把量化后的小波系数进行有效地组织，并分级分层打包形成按不同渐进顺序(如质量渐进和分辨率渐进)表示的数据单元，实现可伸缩编解码。

多媒体应用中的安全管理和版权保护始终都是非常棘手的问题。一个完善的多媒体解决方案必须综合编码技术和网络传输技术来解决此问题。作为开放的网络环境中一种数据安全工具——信息隐藏技术，将重要信息隐藏在数字媒体中，并且可将这些隐藏的信息部分或全部从多媒体内容中恢复出来，在不影响数字媒体的可用性的情况下，使数字媒体具有可追朔、防篡改、防伪造、可验证等特性，被看作是针对数字媒体的信息安全、版权认证和真伪认证等需求颇具潜力的解决手段，最近几年成为商业界、学术界和国家安全部门共同关注的焦点，具有十分重要的经济意义和社会意义。对传统编码方式进行了重大改革的可伸缩编码技术，给安全技术设计带来了巨大的挑战。可伸缩编码对水印技术的影响主要表现在两个方面：首先，可伸缩编码允许接收者以各种不同的比特率解码，由于有限的带宽等因素，可能不能接收到完整的码流，因而在检测端的水印也是不完整的。若按传统方法：(1)在整个图像中加水印，意味着接收设备将仅能接收插入到编码图像中的一部分水印信息，而导致水印检测失败；(2)若只在数字媒体的最低分辨率中加水印，尽管能检测出水印，但所有高精度级的媒体数据由于没有加入水印信息而得不到保护。

因此，探讨如何设计可伸缩应用友好的信息隐藏技术，使其兼容可伸缩编码标准，使高端新兴的多媒体服务能在安全、高效的环境中提供多重功能，具有重要的理论意义和实用价值。

近年来文献中出现了一些与可伸缩编码标准结合的水印技术，但一般仍试图沿用传统的水印技术来获得水印算法对可伸缩功能的鲁棒性。如基于小波变换的水印技术采用对整幅图像加水印的方法，选择在小波分解系数的中低频子带加水印。算法经过保持分辨率而降低质量的普通压缩模式可检测出水印，但其它压缩模式难以检测水印。大多数常规的水印算法都会遇到经过基于可伸缩结构的压缩使得水印遭受破坏的问题，尤其是对编码标准中所具有的某些可伸缩特性(特别是分辨率可伸缩)失效。Columbia大学的视频与多媒体实验室提出一种用于JPEG2000真伪鉴别的数字签名算法，算法从EBCOT编码位平面产生不变量特征，由发送者用私钥产生数字签名，将数字签名、纠错编码和数字水印等技术结合在一起，与JPEG2000的编解码器一体化。尽管上述算法均以改进对JPEG2000压缩的鲁棒性为主要目标，但算法并未应用JPEG2000标准的质量和分辨率的可伸缩功能。有些算法只是针对预先设定的压缩率具有鲁棒性，而不能适用于进一步的压缩或需要内容调适的情形。已提出的各种基于传统思路的水印技术还远不能解决可伸缩编码标准的实际应用需求。

可伸缩编码已成为当前数据编码领域的主流标准和研究热点，但与可伸缩编码功能兼容的信息隐藏技术的研究相对滞后，理论、方法和技术严重匮乏，妨碍了JPEG2000等可伸缩编码标准的应用。

发明内容

本发明是针对上述课题进行的，目的在于提供一种兼容JPEG2000编码标准、具有分辨率和质量可伸缩性的水印方法。

本发明提供一种与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，其特征在于，包括：水印嵌入方法；和水印提取方法，其中，水印嵌入方法包括以下步骤：步骤一，整数小波变换，读取需要在载体图像中嵌入的水印图像M，对该水印图像M进行三级整数可逆小波分解，得到小波域水印标识符；步骤二，Arnold变换，将小波域水印标识符的三层子带分别进行秘钥为k₁、k₂和k₃的图像二维Arnold变换，得到加密后的小波域水印标识符W，变换公式如下：式中，i＝1、2或3，k_i取正整数，(x,y){x,y∈{0,1,2,......,M-1}}是水印图像M的像素坐标，(x',y')是加密后的小波域水印标识符的像素坐标；步骤三，排序分层，对加密后的小波域水印标识符W进行zigzag扫描，对加密后的小波域水印标识符W构造成按重要性递减排序的内嵌水印W^*，该内嵌水印W^*与JPEG2000分辨率渐进数据单元相对应；步骤四，H×H分块，使用JPEG2000编码器对载体图像进行量化，对量化后的载体图像的三个子带都进行H×H不重复分块，得到相应的若干H×H子块A；步骤五，奇异值分解，对每个H×H子块A进行奇异值分解：

式中，U和V是H阶正交矩阵，S是H阶奇异值矩阵，S上的对角线满足：δ₁≥δ₂≥…δ_r≥δ_r1≥…δ_M≥0，r＝rank(A)；步骤六，强度及差值运算，将奇异值矩阵S进行强度运算Q_ij＝round(S_ij(1,1)/q)，式中S_ij(1,1)是第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算，对奇异值矩阵进行差值运算D_ij＝abs(Q_ij-fix(S_ij(1,1)/q))，式中abs是绝对值运算，fix是向下取整运算；步骤七，嵌入内嵌水印W^*，对于内嵌水印W^*最内的层次l层，若W^*(i×M/2^l+j)＝0，而Q_ij为奇数，式中W^*(i×M/2^l+j)是内嵌水印W^*的第i行第j列的值，或W^*(i×M/2^l+j)＝1，而Q_ij为偶数，按照下列公式修改Q_ij：否则Q'_ij＝Q_ij，重复上述步骤将内嵌水印W^*的其他两个层次也嵌入载体图像相应的子带中；步骤八，修改奇异值运算，计算Δx＝Q'_ij·q-S_ij(1,1)，将计算出的Δx加到第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值S_ij(1,1)上，得到修改后的奇异值矩阵S’；步骤九，奇异值分解逆运算，作变换A'＝US'V^T，得到每个H×H子块A嵌入内嵌水印W^*后所对应的矩阵A’；步骤十，EBCOT编码，将所有的矩阵A’放回原来的码块中对应的位置，用JPEG2000编码器完成EBCOT编码，输出嵌入水印的码流，得到嵌入水印后的JPEG2000图像，

水印提取方法包括以下步骤：步骤一，H×H分块，使用JPEG2000编码器对嵌入水印后的JPEG2000图像进行逆熵解码，将编码后的JPEG2000图像的每个子带都分成H×H子块A^*；步骤二，奇异值分解，将每个H×H子块A^*都进行奇异值分解A^*＝US^*V^T，得到奇异值矩阵S^*；步骤三，强度运算，根据嵌入强度q，进行强度运算步骤四，提取各层次水印信息，对于l层水印，按照下列公式提取水印信息W^*'(i×M/2^l+j)：按照上述方法提取其他两个层次的水印信息；步骤五，反置乱，将步骤四提取的水印信息的三层子带按照秘钥k₁、k₂和k₃进行反置乱；步骤六，逆小波变换，对反置乱后的水印信息进行逆小波变换，得到重构后的水印图像和去除水印的载体图像，完成水印的提取。

本发明所提供的与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，还可以具有这样的特征，还包括：水印检测方法，该水印检测方法包括以下步骤：步骤一，维度提升运算，将提取的水印图像按照下列公式进行双线性内插维度提升运算，将水印图像提升至原始的水印大小M×M，得到升维度水印W'_l：

f(i+u,j+v)＝(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i,j+1)+uvf(i+1,j+1)式中，f(i,j)是提取的水印图像在(i,j)处的像素值，像素值f(i,j)的双线性内插值f(i+u,j+u)由提取的水印图像中(i,j)、(i,j+1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)四个像素的值决定；步骤二，相关运算，将升维度水印W'_l与原始水印W作相关运算：步骤三，构造归一化相关值，对于分辨率可伸缩的渐进传输，构造归一化相关值：NC＝α₁NC₁+α₂NC₂+......+α_lNC_l，其中NC_i是根据i级分辨率解码图像检测得到的相关值，α₁+α₂+......+α_l＝1，且α₁＞α₂＞......＞α_l，若相关值大于设定的检测阈值，则认为水印存在。

发明的作用与效果

本发明所提供的与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，由于应用具有内嵌结构的单水印进行全精度信息隐藏，并结合奇异值分解，增强分辨率可伸缩算法的鲁棒性，因此可以很好地兼容JPEG2000标准的可伸缩框架，使得该图像水印方法具有质量和分辨率双重可伸缩性能。该图像水印方法与JPEG2000编解码框架一体化，具有系统性和实用性的特点。

附图说明

图1是水印嵌入流程图；和

图2是水印提取流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所提供的与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法作详细阐述。

<实施例>

与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法包括水印嵌入方法、水印提取方法和水印检测方法。

图1是水印嵌入流程图。

如图1所示，水印嵌入方法包括以下步骤：

S-1，整数小波变换，读取需要在载体图像中嵌入的水印图像M，对该水印图像M进行三级整数可逆小波分解，得到小波域水印标识符；

S-2，Arnold变换，将小波域水印标识符的三层子带分别进行秘钥为k₁、k₂和k₃的图像二维Arnold变换，得到加密后的小波域水印标识符W，变换公式如下：

式中，i＝1、2或3，k_i取正整数，(x,y){x,y∈{0,1,2,......,M-1}}是水印图像M的像素坐标，(x',y')是加密后的小波域水印标识符的像素坐标；

S-3，排序分层，对加密后的小波域水印标识符W进行zigzag扫描，对加密后的小波域水印标识符W构造成按重要性递减排序的内嵌水印W^*，使该内嵌水印W^*与JPEG2000分辨率渐进数据单元数据量比例相对应；

S-4，H×H分块，使用JPEG2000编码器对载体图像进行量化，对量化后的载体图像的三个子带都进行H×H不重复分块，得到相应的若干H×H子块A；

S-5，奇异值分解，对每个H×H子块A进行奇异值分解：

式中，U和V是H阶正交矩阵，S是H阶奇异值矩阵，S上的对角线满足：δ₁≥δ₂≥…δ_r≥δ_r1≥…δ_M≥0，r＝rank(A)；

S-6，强度及差值运算，将奇异值矩阵S进行强度运算Q_ij＝round(S_ij(1,1)/q)，式中S_ij(1,1)是第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算，

对奇异值矩阵进行差值运算D_ij＝abs(Q_ij-fix(S_ij(1,1)/q))，式中abs是绝对值运算，fix是向下取整运算；

S-7，嵌入内嵌水印W^*，对于内嵌水印W^*最内的层次l层，若W^*(i×M/2^l+j)＝0，而Q_ij为奇数，式中W^*(i×M/2^l+j)是内嵌水印W^*的第i行第j列的值，或W^*(i×M/2^l+j)＝1，而Q_ij为偶数，按照下列公式修改Q_ij：

否则Q'_ij＝Q_ij，

重复上述步骤将内嵌水印W^*的其他两个层次也嵌入载体图像相应的子带中；

S-8，修改奇异值运算，计算Δx＝Q'_ij·q-S_ij(1,1)，将计算出的Δx加到第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值S_ij(1,1)上，得到修改后的奇异值矩阵S’；

S-9，奇异值分解逆运算，作变换A'＝US'V^T，得到每个H×H子块A嵌入内嵌水印W^*后所对应的矩阵A’；

S-10，EBCOT编码，将所有的矩阵A’放回原来的码块中对应的位置，用JPEG2000编码器完成EBCOT编码，输出嵌入水印的码流，得到嵌入水印后的JPEG2000图像。

图2是水印提取流程图。

如图2所示，水印提取方法包括以下步骤：

S-11，H×H分块，使用JPEG2000编码器对嵌入水印后的JPEG2000图像进行逆熵解码，将编码后的JPEG2000图像的每个子带都分成H×H子块A^*；

S-12，奇异值分解，将每个H×H子块A^*都进行奇异值分解A^*＝US^*V^T，得到奇异值矩阵S^*；

S-13，强度运算，根据嵌入强度q，进行强度运算

S-14，提取各层次水印信息，对于l层水印，按照下列公式提取水印信息W^*'(i×M/2^l+j)：

按照上述方法提取其他两个层次的水印信息；

S-15，反置乱，将步骤四提取的水印信息的三层子带按照相应的秘钥k₁、k₂和k₃进行反置乱；

S-16，逆小波变换，对反置乱后的水印信息进行逆小波变换，得到重构后的水印图像和去除水印的载体图像，完成水印的提取。

对于用JPEG2000无损压缩模式压缩图像和没有外在附加攻击的情况下，可以无失真地提取出内嵌水印。

对于不完全数据解码的水印，采用归一化加权内插升维度相关运算来进行水印检测。水印检测方法包括以下步骤：

S-17，维度提升运算，将提取的水印图像按照下列公式进行双线性内插维度提升运算，将水印图像提升至原始的水印大小M×M，得到升维度水印W'_l：

f(i+u,j+v)＝(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i,j+1)+uvf(i+1,j+1)

式中，f(i,j)是提取的水印图像在(i,j)处的像素值，像素值f(i,j)的双线性内插值f(i+u,j+u)由提取的水印图像中(i,j)、(i,j+1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)四个像素的值决定；

S-18，相关运算，将升维度水印W'_l与原始水印W作相关运算：

S-19，构造归一化相关值，对于分辨率可伸缩的渐进传输，构造归一化相关值：

NC＝α₁NC₁+α₂NC₂+......+α_lNC_l，其中NC_i是根据i级分辨率解码图像检测得到的相关值，α₁+α₂+......+α_l＝1，且α₁＞α₂＞......＞α_l，

若相关值大于设定的检测阈值，则认为水印存在。

实施例的作用与效果

根据本实施例所提供的与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，由于应用具有内嵌结构的单水印进行全精度信息隐藏，并结合奇异值分解，将水印信息嵌入奇异值矩阵的最大奇异值上，增强了分辨率可伸缩算法的鲁棒性，因此可以很好地兼容JPEG2000标准的可伸缩框架，使得该图像水印方法具有质量和分辨率双重可伸缩性能。该图像水印方法与JPEG2000编解码框架一体化，具有系统性和实用性的特点。

另外，在水印受到攻击无法完整提取的情况下，采用归一化加权内插进行升维度操作，构造归一化相关值来进行水印检测，因此可以实现分辨率可伸缩编解码模式的水印渐进检测。

以上实施例仅为本发明的优选方案，并不用于限制本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，其特征在于，包括：

水印嵌入方法；和

水印提取方法，

其中，所述水印嵌入方法包括以下步骤：

步骤一，整数小波变换，读取需要在载体图像中嵌入的水印图像W_M，对该水印图像W_M进行三级整数可逆小波分解，得到小波域水印标识符W；

步骤二，Arnold变换，将所述小波域水印标识符的三层子带分别进行秘钥为k₁、k₂和k₃的图像二维Arnold变换，得到加密后的小波域水印标识符W_c，变换公式如下：

式中，i＝1、2或3，k_i取正整数，(x,y){x,y∈{0,1,2,......,M-1}}是小波域水印标识符W的像素坐标，(x',y')是加密后的小波域水印标识符W_c的像素坐标，M代表水印图像的行和列的像素的数目；

步骤三，排序分层，对所述加密后的小波域水印标识符W_c进行zigzag扫描，对所述加密后的小波域水印标识符W_c构造成按重要性递减排序的内嵌水印，该内嵌水印与JPEG2000分辨率渐进数据单元相对应；

步骤四，H×H分块，使用JPEG2000编码器对所述载体图像进行量化，对量化后的载体图像的三个子带都进行H×H不重复分块，得到相应的若干H×H子块A；

步骤五，奇异值分解，对每个所述H×H子块A进行奇异值分解：

式中，U和V是H阶正交矩阵，S是H阶奇异值矩阵，S上的对角线满足：δ₁≥δ₂≥…δ_r≥δ_r1≥…δ_H≥0，r＝rank(A)；

步骤六，强度及差值运算，将所述奇异值矩阵S进行强度运算Q_ij＝round(S_ij(1,1)/q)，式中S_ij(1,1)是第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算，

对所述奇异值矩阵进行差值运算D_ij＝abs(Q_ij-fix(S_ij(1,1)/q))，式中abs是绝对值运算，fix是向下取整运算；

步骤七，嵌入所述内嵌水印对于所述内嵌水印最内的层次l层，若(i×M/2^l+j)＝0，而Q_ij为奇数，式中(i×M/2^l+j)是所述内嵌水印的第i行第j列的值，或(i×M/2^l+j)＝1，而Q_ij为偶数，按照下列公式修改Q_ij：

否则Q'_ij＝Q_ij，

重复上述步骤七将所述内嵌水印的其他两个层次也嵌入所述载体图像相应的子带中；

步骤八，修改奇异值运算，计算Δx＝Q'_ij·q-S_ij(1,1)，将计算出的Δx加到所述第(i,j)个选取子块的奇异值矩阵S_ij的第一个奇异值S_ij(1,1)上，得到修改后的奇异值矩阵S’；

步骤九，奇异值分解逆运算，作变换A'＝US'V^T，得到每个所述H×H子块A嵌入所述内嵌水印后所对应的矩阵A’；

步骤十，EBCOT编码，将所有的所述矩阵A’放回原来的码块中对应的位置，用JPEG2000编码器完成EBCOT编码，输出嵌入水印的码流，得到嵌入水印后的JPEG2000图像，

所述水印提取方法包括以下步骤：

步骤一，H×H分块，使用JPEG2000编码器对所述嵌入水印后的JPEG2000图像进行逆熵解码，将编码后的JPEG2000图像的每个子带都分成H×H子块A^*；

步骤二，奇异值分解，将每个所述H×H子块A^*都进行奇异值分解A^*＝US^*V^T，得到奇异值矩阵S^*；

步骤三，强度运算，根据所述嵌入强度q，进行强度运算

步骤四，提取各层次水印信息，对于l层水印，按照下列公式提取水印信息W^*'(i×M/2^l+j)：

按照上述方法提取其他两个层次的水印信息；

步骤五，反置乱，将所述步骤四提取的水印信息的三层子带按照所述秘钥k₁、k₂和k₃进行反置乱；

步骤六，逆小波变换，对所述反置乱后的水印信息进行逆小波变换，得到重构后的水印图像W^* _M和去除水印的所述载体图像，完成水印的提取。

2.根据权利要求1所述的与JPEG2000一体化的可伸缩图像水印方法，其特征在于，还包括：

水印检测方法，

该水印检测方法包括以下步骤：

步骤一，维度提升运算，将所述提取的水印图像W^* _M按照下列公式进行双线性内插维度提升运算，将所述水印图像提升至原始的水印大小M×M，得到升维度水印W^* _MS：

f(i+u,j+v)＝(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i,j+1)+uvf(i+1,j+1)

式中，f(i,j)是所述提取的水印图像在(i,j)处的像素值，像素值f(i,j)的双线性内插值f(i+u,j+v)由所述提取的水印图像中(i,j)、(i,j+1)、(i+1,j)、(i+1,j+1)四个像素的值决定；

步骤二，相关运算，将所述升维度水印W^* _MS与原始水印W_M作相关运算：

步骤三，构造归一化相关值，对于分辨率可伸缩的渐进传输，构造归一化相关值：

NC＝α₁NC₁+α₂NC₂+......+α_lNC_l，其中NC_i是根据i级分辨率解码图像检测得到的相关值，α₁+α₂+......+α_l＝1，且α₁＞α₂＞......＞α_l，

若所述相关值大于设定的检测阈值，则认为水印存在。