CN104978706B - 基于傅里叶描述子的水印嵌入与提取方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于傅里叶描述子的水印嵌入与提取方法、装置及系统，所述方法包括：提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。采用本发明，能在不影响载体图像的质量和水印不可见性的前提之下，让水印嵌入容量有了一个突破性的提升。

Description

基于傅里叶描述子的水印嵌入与提取方法、装置及系统

技术领域

本发明属于多媒体信息安全领域，具体而言，涉及一种基于傅里叶描述子的水印嵌入与提取方法、装置及系统。

背景技术

数字水印技术是一种版权保护技术，它是利用人类的听觉、视觉系统的特点，在图像、音频、视频等载体中加入一定的标识信息（数字水印），使人们很难分辨出加水印后的数字作品与原始数字作品的区别，之后通过专门的检测方法又能提取出所加标识信息，以此用于数字产品版权保护、原始数据的真伪鉴别、数据侦测与版权跟踪等。

传统的水印技术多是向载体中嵌入比特位，即嵌入“0”或“1”，很多数字水印的最终表达形式就是一维比特流。例如，当嵌入的内容为序列号的时候，这些序列号被转换成比特流；当嵌入的内容为文字或图像标志的时候，首先将文字或图像标志制作成一幅二值图像，然后将二值图像转换成比特流。这种基于比特位的水印嵌入方法在嵌入容量的突破上存在较大瓶颈，即在确保水印不可见性的情况下，很难做到每个载体的每个像素中均嵌入一个比特位。

例如，在公开号为CN103295180A、发明名称为“鲁棒性与透明性最佳平衡的数字水印方法”的中国专利文献中，其二值图像水印嵌入由原始载体图像的预处理、二值图像水印的预处理、水印信息比特流的嵌入、3级Harr小波逆变换步骤组成。其二值图像水印提取由含水印载体图像的预处理、水印信息比特流的提取、重构二值图像水印步骤组成。采用该方法具有较好的鲁棒性，并且嵌入水印后具有较好的透明性。但是该技术方案中，其二值图像水印是以比特流的形式嵌入的，该方法嵌入容量十分有限，不能做到每个载体像素中嵌入一个比特位。

水印嵌入容量是指在确保水印不可见性的前提下，单位大小的载体图像中最多能嵌入多大的水印图像，例如大小为512×512的载体图像中，嵌入512×512大小的水印图像，其水印嵌入容量就是1:1，即一个载体像素能够嵌入一个水印像素，则表明在某种程度上具有较高的嵌入容量，在确保水印不可见性和一定鲁棒性的情况下是很难做到的。

在公开号为CN102142131B、专利名称为“基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及系统”的专利文献中，其对原始水印图像进行变换预处理获取加密后的相息图，然后将相息图作为灰度图嵌入到载体图像中。该方法通过水印预处理一定程度上提高了水印的安全性，但是在水印的嵌入容量上没有取得质的突破，尽管通过预处理得到的灰度图比原始水印图像要小，但是众所周知地，在基于离散小波变换的水印嵌入方式中是无法实现1:1的水印嵌入容量的，一旦以1:1方式嵌入水印，将会对离散小波系数造成较大面积的修改，则会严重影响载体图像的质量和水印不可见性。

在发明名称为“水印嵌入与提取方法、装置及其系统”、中国专利申请号为CN201310535907.3的专利方案中，其水印的嵌入方法是：将二值水印图像解析成若干个个具有一定几何规则的离散点集，然后将这些离散点集嵌入到宿主图像中，采用该方案，能较少的引入冗余嵌入，在一定程度上减少了对原始多媒体载体的修改量，提高了水印信息的嵌入容量，但这种方法仅适合应用在那些水印内容是比较简单的几何形状的场合，当欲嵌入的水印内容复杂多样，无固定几何规则可循的时候，此时该水印内容不能被很好地解析成具有一定几何规则的离散点集，于是这种基于形状的水印嵌入与提取方法就具有了一定的局限性。

发明内容

为了在不影响载体图像的质量和水印不可见性的前提之下，提高水印的嵌入容量，本发明实施例提供了一种基于傅里叶描述子的水印嵌入与提取方法、装置及系统。

为了达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案实现：

一种基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其包括：

提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；

对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

优选地，所述边界包括图像水印的外边界以及内边界；

所述图像水印为二值图像或灰度图像。

优选地，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数的步骤包括：

计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

优选地，将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

一种基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其包括：

提取模块，用于提取图像水印的边界坐标点；

构造模块，用于基于所述边界坐标点构造复数序列；

第一计算模块，用于对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子；

获取模块，用于获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

第二计算模块，用于对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数；

融合模块，用于将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数；

第三计算模块，用于对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

优选地，所述边界包括图像水印的外边界以及内边界；

所述图像水印为二值图像或灰度图像。

优选地，所述获取模块包括：

幅值计算单元，用于计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

统计分析单元，用于统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

系数获取单元，用于获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

优选地，所述融合模块将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

一种基于傅里叶描述子的水印提取方法，包括：

对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

一种基于傅里叶描述子的水印提取装置，其包括：

第四计算模块，用于对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

第五计算模块，用于对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

一种系统，包括发送端以及接收端，其中：

在所述发送端：

提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像；

在所述接收端：

对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

与现有的水印嵌入与提取方法相比，本发明所述的方法弥补了现有传统方法在水印嵌入容量性能上存在的瓶颈，在不影响载体图像的质量和水印不可见性的前提之下，让水印嵌入容量有了一个突破性的提升。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于傅里叶描述子的水印嵌入方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于傅里叶描述子的水印嵌入装置功能结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于傅里叶描述子的水印提取方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于傅里叶描述子的水印提取装置功能结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优异效果，下面将结合具体实施例以及附图做进一步的说明。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其包括如下步骤：

S10、提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；

在该步骤中，所述图像水印为二值图像或灰度图像，所述边界包括图像水印的外边界以及内边界。

例如，提取二值图像水印的边界坐标点，设提取有N个边界坐标点，每个边界坐标点由二维坐标(x,y)表达，用每个边界坐标点(x,y)构造一个复数C：

C=x+j^*y；

依次类推，从而得到N个复数，将N个复数组成一个复数序列。

S20、对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

在本步骤中，对所述复数序列做离散傅里叶变换，得到的变换结果就是对应图像水印边界的傅里叶描述子。

在本发明实施例中，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数的步骤包括：

S201、计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

S202、统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

S203、获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

在所述步骤S203中，获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数的依据是：

前M个傅里叶描述子系数对应的幅值占整个幅值总和的某一预设值，例如所述预设值为80%，在具体实施时，所述M一般为较小的数字，因为具有较大幅值的傅里叶描述子系数通常都分布在描述子的前几个点。

S30、对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

在该步骤中，对宿主图像做分块的离散余弦变换，分块大小可自定义，例如对宿主图像作8×8分块，对每个8×8分块作离散余弦变换，得到8×8分块的离散余弦变换系数分块。

在本实施例中，将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

在此之前，优选地，还可以对M个傅里叶描述子系数作归一化操作，使每个系数的实部值和虚部值都处在0到1的范围内，之后，将归一化后的M个离散傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

本方法引入傅里叶描述子对图像水印作预处理，通过预处理大大缩减了水印的数据量，其数据量仅仅跟傅里叶描述子低频系数和/或中频系数选取相关，在具体实施时，所述选取的低频系数和/或中频系数个数一般不大于64，所以数据量一般不大于128个浮点数。无论水印图像有多大，最多只需要采用64个傅里叶描述子的低频系数和/或中频系数来表达，从而使数字水印的嵌入容量有了一个质地提升：能达到每个载体像素中嵌入一个比特位，甚至更高。

相应地，如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其包括：

提取模块10，用于提取图像水印的边界坐标点；

构造模块20，用于基于所述边界坐标点构造复数序列；

第一计算模块30，用于对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子；

获取模块40，用于获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

第二计算模块50，用于对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数；

融合模块60，用于将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数；

第三计算模块70，用于对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

优选地，所述边界包括图像水印的外边界以及内边界；

所述图像水印为二值图像或灰度图像。

优选地，所述获取模块包括：

幅值计算单元401，用于计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

统计分析单元402，用于统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

系数获取单元403，用于获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

优选地，所述融合模块将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于傅里叶描述子的水印提取方法，其用于对依据上述基于傅里叶描述子的水印嵌入方法而嵌入图像水印内容的水印信息提取，包括如下具体步骤：

S40、对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

S50、对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

例如，一种具体实施方式中，所述提取流程包括：

1）对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做8×8分块的离散余弦变换；

2）按照对应的嵌入准则（加性嵌入或乘性嵌入）从离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

3）对M个傅里叶描述子系数做周期为N的离散傅里叶逆变换得到N个复数值，用这N个复数值构造N个坐标点，这N个坐标点构成一个边界轮廓，该边界轮廓即为图像水印边界的一个近似，通过这个近似的边界轮廓可得到水印信息。

相应地，如图4所示，本发明实施例还提供了一种基于傅里叶描述子的水印提取装置，其包括：

第四计算模块80，用于对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

第五计算模块90，用于对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

相应地，本发明实施例还提供了一种系统，该系统可应用于数字产品版权保护、原始数据的真伪鉴别、数据侦测与版权跟踪等，包括发送端以及接收端，其中：

在所述发送端：

提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像；

在所述接收端：

对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

对于所述发送端以及接收端的具体描述可参见上文记载，此处不再赘述。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其特征在于，包括：

提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；

对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

2.如权利要求1所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其特征在于，

所述边界包括图像水印的外边界以及内边界；

所述图像水印为二值图像或灰度图像。

3.如权利要求1所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其特征在于，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数的步骤包括：

计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

4.如权利要求1所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入方法，其特征在于，将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

5.一种基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其特征在于，包括：

提取模块，用于提取图像水印的边界坐标点；

构造模块，用于基于所述边界坐标点构造复数序列；

第一计算模块，用于对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子；

获取模块，用于获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；

第二计算模块，用于对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数；

融合模块，用于将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数；

第三计算模块，用于对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像。

6.如权利要求5所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其特征在于，

所述边界包括图像水印的外边界以及内边界；

所述图像水印为二值图像或灰度图像。

7.如权利要求5所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其特征在于，所述获取模块包括：

幅值计算单元，用于计算傅里叶描述子每个系数的幅值；

统计分析单元，用于统计傅里叶描述子系数的幅值分布；

系数获取单元，用于获取幅值靠前的前M个傅里叶描述子系数。

8.如权利要求5所述的基于傅里叶描述子的水印嵌入装置，其特征在于，所述融合模块将所述M个傅里叶描述子系数以加性嵌入或乘性嵌入方法分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中。

9.一种基于傅里叶描述子的水印提取方法，其特征在于，包括：

对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

10.一种基于傅里叶描述子的水印提取装置，其特征在于，包括：

第四计算模块，用于对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；

第五计算模块，用于对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。

11.一种系统，包括发送端以及接收端，其特征在于：

在所述发送端：

提取图像水印的边界坐标点，基于所述边界坐标点构造复数序列；对该复数序列进行离散傅里叶变换得到边界坐标点的傅里叶描述子，获取傅里叶描述子的前M个傅里叶描述子系数；对宿主图像做分块的离散余弦变换得到初始离散余弦变换系数，将所述M个傅里叶描述子系数分别嵌入到初始离散余弦变换域的低频系数和/或中频系数中，得到已嵌入傅里叶描述子系数的当前离散余弦变换系数，对所述当前离散余弦变换系数做离散余弦逆变换得到嵌入水印信息的宿主图像；

在所述接收端：

对已嵌入M个傅里叶描述子系数的宿主图像做分块的离散余弦变换，并从得到的离散余弦变换系数中提取出M个傅里叶描述子系数；对M个傅里叶描述子系数做离散傅里叶逆变换得到复数序列，用该复数序列构造多个用于描述图像水印的边界轮廓的坐标点，以此提取出图像水印。