CN104408684A - 一种高鲁棒性的数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为：一种高鲁棒性的数字水印方法。本专利属于数字图像处理技术范畴。本发明方法的实现分为水印嵌入和水印提取两个过程。水印嵌入过程主要完成将数字水印嵌入到载体图像内，水印提取过程用于实现将水印从载体图像内提取出来。水印嵌入过程中，首先将载体图像经过提升小波变换、奇异值分解，将得到的值作为水印载体保证水印能够嵌入到图像的高能区。接着，采用二维码编码方法对水印信息进行编码以进一步提高原始水印信息编码的可靠性。完成上述步骤后，对图像进行复原，得到含水印载体图像。水印提取过程，按照水印嵌入过程相同的算法提取特征信息，与原始信息进行算数运算后得到水印信息。将该水印信息进行解密、解码得到原始水印信息。

Description

一种高鲁棒性的数字水印方法

技术领域

本专利属于数字图像处理技术范畴。

具体涉及信号处理、信息隐藏、模式识别、信息安全、电子政务、电子商务、计算机应用等相关的技术领域。

背景技术

数字水印技术是指在数字图像内嵌入信息以达到信息隐藏的目的。被隐藏的信息具有多种用途，该信息可以是用来保密的秘密信息，也可以是用来证明版权的版权信息，还可以被用来实现篡改定位、有效性认证等不同的目的。

数字水印根据其鲁棒性可以分为脆弱水印、半脆弱水印、鲁棒水印。脆弱水印主要用来对图像是否被篡改进行证明；半脆弱水印能够地方非恶意的修改，能够对恶意的修改进行判断识别；鲁棒水印不容易去除主要用于版权保护，信息隐藏等目的。

发明内容

本发明专利提出了一种鲁棒水印，该方法将水印在载体图像经过提升小波变换、奇异值分解后嵌入到载体图像内，保证了水印能够嵌入到图像的高能区。为了进一步提升图像的可靠性，采用二维码编码方法对水印信息进行编码以进一步提高原始水印信息编码的可靠性。

水印的实现分为水印嵌入和水印提取两个过程。水印嵌入过程主要完成将数字水印嵌入到载体图像内，水印提取过程用于实现将水印从载体图像内提取出来。水印嵌入过程主要有以下过程，具体为：载体图像预处理、水印信息二维码处理、嵌入水印、恢复载体图像。水印提取是按照水印嵌入过程相同的算法对原始载体图像和嵌入水印的载体图像分别进行图像预处理，然后对得到的奇异值分解值进行减法运算，得到水印信息。将该信息使用混沌算法进行逆置乱，得到二维码信息，将得到的二维码信息进行解码得到原始水印信息。

具体实施方式

水印的实现分为水印嵌入和水印提取两个过程。

水印嵌入过程主要完成将数字水印嵌入到载体图像内，水印提取过程用于实现将水印从载体图像内提取出来。

水印嵌入过程主要有以下过程，具体为：载体图像预处理、水印信息二维码处理、嵌入水印、恢复载体图像。

1.载体图像预处理

载体图像预处理包括：载体图像分块、提升小波变换、奇异值分解。

1.1载体图像分块

将原始大小为M*N的载体图像O进行划分，将其划分为m*n大小互不相交的子块。此时载体图像被划分为M1*N1块，具体为：

$M1*N1=\frac{M*N}{m*n}$

式中M1*N1是子块的个数。

1.2提升小波变换

根据情况，对当前图像内的每个子块进行独立的提升小波分解。提升小波分解的形式为，

(W_LL,W_HL,W_LH,W_HH)＝LFT(O_i,j)

式中W_LL是提升小波分解后得到的低频子带，该子带是原始载体图像能量的主要体现。

1.3奇异值分解

针对每个子块内的W_LL进行奇异值分解，分解公式如下：

W_LL＝UΣV^T

式中，Σ是对角矩阵，对角线的元素是矩阵W_LL的奇异值。U和V是height(W_LL)*height(W_LL)和width(W_LL)*width(W_LL)大小的正交矩阵。

对角矩阵可以表示为

d(σ₁,σ₂,σ₃,...,σ_r,0,...0)

式中r是矩阵W_LL的奇异值。

2.水印信息二维码处理

水印信息二维码处理是指将水印信息转换为二维码并进行加密处理。主要包括：二维码生成、二维码加密处理。

2.1二维码生成

该信息的处理可以采用第三方工具生成，也可以根据需要按照相关标准自定义完成。

2.2二维码加密

使用Logistic生成混沌序列L，生成方程式为：

$x_{n+1}=1-2x_n^2,x_n\∈[-\mathrm{1,1}]$

混沌序列的初始值为x₁，该值作为秘钥的一部分。

将两个混沌序列L进行排序。假定对某个序列进行排序从而得到一个升序数列CIS。通过计算数列CIS中的每个数据在数列CI中的下标，得到一个数列I。应用公式为：

I(i)＝FI(CIS(i)),(1≤i≤n)

式中，函数FI(parameter)的功能为找出参数parameter在数列CI中的下标。

经过上述步骤，得到排序后的序列Ls。

将得到的二维码进行转置，将其转置为一个序列，然后按照Ls进行置乱，得到Lsz。

将Lsz进行转置，将其转置为原始矩阵大小，得到矩阵Lr。将该矩阵Lr作为加密后的水印信息。

3.嵌入水印信息

将水印矩阵Lr嵌入到对角矩阵Σ中，得到载体对角矩阵ΣW。具体为，

ΣW＝Σ+a*Lr

水印矩阵和对角矩阵的大小不一致性，将水印信息冗余嵌入到对角矩阵内，进一步增加水印嵌入的鲁棒性。

4.恢复载体图像

恢复载体图像，需要对当前嵌入了水印信息的对角矩阵进行恢复。具体包括：逆奇异值分解、逆提升小波变换。

4.1逆奇异值分解

采用对角矩阵ΣW与步骤1.3内奇异值得到的U、V^T进行逆奇异值分解运算，得到一个新的矩阵WN_LL，具体计算方式为，

WN_LL＝U(ΣW)V^T

式中，WN_LL为逆奇异值分解运算结果。

4.2逆提升小波

将上述步骤得到的WN_LL与步骤1.2得到的提升小波各个子带进行逆提升小波运算，得到含水印载体图像OW。具体实现形式为，

OW_ij＝ILFT(W_LL,W_HL,W_LH,W_HH)

上式中OW是含水印载体图像，ij是标示当前所在子块位置。

水印嵌入过程完毕。

水印提取是按照水印嵌入过程相同的算法对原始载体图像和嵌入水印的载体图像分别进行图像预处理，然后对得到的奇异值分解值进行减法运算，得到水印信息。将该信息使用混沌算法进行逆置乱，得到二维码信息，将得到的二维码信息进行解码得到原始水印信息。

具体过程如下：

1.原始载体图像预处理

该处理过程与嵌入水印过程的预处理步骤相同，得到对角矩阵Σ。

2.含水印载体图像预处理

该处理过程与嵌入水印过程的预处理步骤相同，得到对角矩阵ΣWN。

3.水印信息提取

将得到的对角矩阵Σ、ΣWN进行运算，得到水印信息。具体实现为，

Le＝(ΣWN-Σ)/a

式中Le是提取出来的水印信息。

4.水印信息逆置乱

使用数列I实现对Le的置乱，得到新的数列LEO，应用公式为：

LEO(i)＝Le(I(i)),(1＜＝i＜＝n)

按照嵌入时的冗余，对LEO进行冗余恢复，得到冗余恢复的水印LR。

5.水印信息转置

对水印信息LR进行转置，转置为二维码。

6.水印信息解码

将水印信息解码为原始信息。

Claims (2)

1.一种高鲁棒性的数字水印方法，其特征在于他的处理过程为，水印的实现分为水印嵌入和水印提取两个过程；水印嵌入过程主要有实现为：载体图像预处理、水印信息二维码处理、嵌入水印、恢复载体图像；其中，水印信息二维码处理是指将水印信息转换为二维码并进行加密处理；主要包括：二维码生成、二维码加密处理。

2.权利要求1所述一种高鲁棒性的数字水印方法，其特征在于根据水印矩阵和对角矩阵的大小不一致性，将水印信息重复嵌入到对角矩阵内，同时将重复次数多次嵌入到载体内，此处的N值取值为5。