CN105869104B - 基于图片内容的对jpeg压缩稳定的数字水印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法及系统，所述方法是基于图片JPEG压缩中离散余弦变换子过程中的某些不变性质提出的，如直流分量的高位不变和某些纯色情况下对嵌入水印能保持绝对稳定，其中直流分量的高位不变的性质能保证在嵌入水印后提取出的原图特征保持不变，某些纯色情况下嵌入水印信息保持稳定能保证水印本身的信息绝对稳定，该方法包括两个部分：水印信息嵌入部分、水印信息提取与检测图片是否修改部分。本发明方法及系统可以保留原图的所有细节信息，使原图不会由于水印嵌入而改变，并能在提取水印信息后的图片与原图保持完全一致，能够保证水印要保护的信息和水印信息本身能抵抗JPEG压缩。

Description

基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法及系统

技术领域

本发明涉及一种数字水印方法及系统，尤其是一种基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法及系统，属于图片处理领域。

背景技术

随着移动互联网和数字图像处理技术的飞速发展，移动终端(手机、智能平板等)用户随手拍照并通过图片美化编辑软件修改后进行保存、上传到网络成为一种常见的大众行为。这些图片美化处理技术方便了人们的日常生活，满足了很多用户(特别是女性用户)对美的追求，却满足不了证件照片(如身份证、护照、香港通行证、澳门通行证、台湾通行证、出国签证、居住证、社保卡等法定证件制作使用的照片)的要求。公安部门要求证件照片保留照片中人的所有特征信息，不允许有任何人为修改与美化图片上的人像生物特征信息(例如通过Photoshop等软件把脸上的痣替换为普通皮肤颜色)。因此，如何保证所得到的图片是原始拍摄的图片，即保证图片的真实性，成为证件照片拍摄需要解决的关键问题。

传统的脆弱水印能够在一定程度上判断图片是否有过修改，但这些技术大都是将水印信息嵌入到原图中，因此存在下面两个问题：1)在用户没有修改已嵌入水印图片的情况下，不能保证嵌入到原图的水印信息与从已嵌入水印图片中提取出的水印信息保持100％一致。由于不能完全抵抗JPEG的压缩，即JPEG压缩和解压过程本身造成的信息变化，提取出的水印信息有噪点，造成用户没有修改图片，却因为压缩和解压误判为修改了图片；这时设计者会想办法采用放宽检测条件来规避误判问题，但又会产生被修改过的图片误判为没有被修改过；2)不能100％保证嵌入水印信息后原图的所有细节特征得以保留，使得在提取水印信息后的图片还与嵌入水印信息之前的原图保持一致。因为将水印信息嵌入到原图中，水印信息可能会造成原图特征修改。

综上所述，保证所得到的JPEG图片为原图的核心主要解决三个问题：1)如何100％保留原图的所有细节信息，使其不会由于水印嵌入而改变，并能在提取水印信息后的图片与原图保持完全一致；2)如何100％保证水印要保护的信息能抵抗JPEG压缩：3)如何保证水印信息本身100％抵抗JPEG压缩。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，该方法利用直流分量的高位不变的性质能保证在嵌入水印后提取出的原图特征保持不变，某些纯色情况下嵌入水印信息保持稳定能保证水印本身的信息绝对稳定。

本发明的另一目的在于提供一种基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，所述方法包括水印信息嵌入部分；

所述水印信息嵌入部分包括：

计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，将扩充部分作为水印部分；

将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色；

计算原图在嵌入水印后的原图位置信息，将该原图位置信息保存到待嵌入的水印信息WM1中；

将原图分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

将矩阵M0_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待嵌入的水印信息WM2中；

将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分；

将嵌入水印信息的8*8像素的小块进行离散余弦反变换；

将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存。

进一步的，所述方法还包括水印信息提取与检测图片是否修改部分；

所述水印信息提取与检测图片是否修改部分包括：

将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

提取水印图片的原图位置信息；

判断提取的原图位置信息是否合法，若不合法，则该图片被修改过；若合法，根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待比较的原图提取信息ORG中；

根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX；

将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束。

进一步的，所述将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分，具体包括：

将水印部分分为K个8*8像素的小块；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，且第1至第L个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息MW2；

对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

通过设定矩阵M_1b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息。

进一步的，所述通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息，具体为：

取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2+2；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述提取水印图片的原图位置信息，具体包括：

对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息；

将得到的L个4bit组拼接成4个整数点。

进一步的，所述通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，具体为：

依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述判断提取的原图位置信息是否合法，具体为：

判断所提取的原图位置所在的矩阵开始点和结束点这两个点中任意一个点是否在整个水印图片矩阵外，若是，则提取的水印位置信息不合法，若否，则提取的水印位置信息合法。

进一步的，所述根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX，具体包括：

对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX。

进一步的，所述通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，具体为：

依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存，具体为：

将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述方法包括水印信息嵌入模块；

所述水印信息嵌入模块包括：

原图面积计算单元，用于计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，将扩充部分作为水印部分；

色彩设置单元，用于将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色；

位置信息计算单元，用于计算原图在嵌入水印后的原图位置信息，将该原图位置信息保存到待嵌入水印信息WM1中；

分块与变换单元，用于将原图分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

第一转换单元，用于将每一小块的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待嵌入的水印信息WM2中；

嵌入单元，用于将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分；

第一反变换单元，用于将嵌入水印信息的8*8像素的小块进行离散余弦反变换；

压缩单元，用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存。

进一步的，所述系统还包括水印信息提取与检测图片是否修改模块；

所述水印信息提取与检测图片是否修改模块包括：

解压缩单元，用于将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

第一提取单元，用于提取水印图片的原图位置信息；

第一判断单元，用于判断提取的原图位置信息是否合法，若不合法，则该图片被修改过；若合法，根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

第二转换单元，用于将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待比较的原图提取信息ORG中；

第二提取单元，用于根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX；

组成单元，用于将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

第二判断单元，用于计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束。

进一步的，所述嵌入单元，具体包括：

分块子单元，用于将水印部分分为K个8*8像素的小块；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，且第1至第L个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息MW2；

第一变换子单元，用于对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

水印信息保存子单元，用于通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息。

进一步的，所述水印信息保存子单元，具体为：

用于取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2+2；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述第一提取单元，具体包括：

第二变换子单元，用于对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

第一水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息；

拼接子单元，用于将得到的L个4bit组拼接成4个整数点。

进一步的，所述第一水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述第一判断单元中，判断提取的原图位置信息是否合法，具体为：

判断所提取的原图位置所在的矩阵开始点和结束点这两个点中任意一个点是否在整个水印图片矩阵外，若是，则提取的水印位置信息不合法，若否，则提取的水印位置信息合法。

进一步的，所述第二提取单元，具体包括：

第三变换子单元，用于对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

第二水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX。

进一步的，所述第二水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

进一步的，所述压缩单元，具体为：

用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明方法及系统是基于图片JPEG压缩中离散余弦变换子过程中的某些不变性质提出的，水印保护区域无修改，能够100％保留原图的所有细节信息，使原图不会由于水印嵌入而改变，并能在提取水印信息后的图片与原图保持完全一致，即可以保证通过嵌入水印后的图片中提取原图的所有细节特征信息。

2、本发明方法及系统将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色，可以完全抵抗JPEG压缩，使得水印信息和水印要保护的信息都能抵抗JPEG压缩，即对JPEG压缩绝对鲁棒，对图片篡改十分脆弱，能保证100％无误判，即用户无修改而判为图片已修改的情况的概率为0。

3、本发明方法及系统在嵌入水印后的图片有修改的情况下，通过计算原图提取信息ORG所组成的整数int_org和图片特征的水印信息EX所组成的整数int_ex之差的绝对值，能检测出是否有篡改以及篡改的位置信息，具体可以定位到8*8像素的小块。

附图说明

图1为本发明实施例1的数字水印方法的组成部分示意图。

图2为本发明实施例1的数字水印方法中水印信息嵌入部分的流程图。

图3为本发明实施例1的数字水印方法中水印信息提取与检测图片是否修改部分的流程图。

图4a为本发明实施例1在水印嵌入前的原图。

图4b为本发明实施例1在嵌入水印后的图片。

图5为本发明实施例1检测到篡改的图片。

图6为本发明实施例2的数字水印系统的结构框图。

图7为本发明实施例2的数字水印系统中嵌入单元的结构框图。

图8为本发明实施例2的数字水印系统中第一提取单元的结构框图。

图9为本发明实施例2的数字水印系统中第二提取单元的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例的数字水印方法是基于图片JPEG压缩中离散余弦变换(DiscreteCosine Transform，即DCT变换)子过程中的某些不变性质(直流分量的高位不变和某些纯色情况下对嵌入水印能保持绝对稳定)提出的，其中直流分量(DC分量)的高位不变的性质能保证在嵌入水印后提取出的原图特征保持不变，某些纯色情况下嵌入水印信息保持稳定能保证水印本身的信息绝对稳定；

本实施例的数字水印方法包括两个部分：水印信息嵌入部分、水印信息提取与检测图片是否修改部分，如图1所示；

所述水印信息嵌入部分如图2所示，包括以下步骤：

S1、计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，其中扩充面积略大于原图面积(例如与原图比例为105：100，可依据不同情况设定该比例)，将扩充部分作为水印部分；

S2、将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色，例如(R,G,B)＝(46,46,46)，实验表明，这个R/G/B值能保证嵌入水印信息绝对稳定；

S3、计算原图在嵌入水印后的原图位置信息(4个整数，代表原始图片位置矩阵的两个点：始末对角点坐标，如左上角坐标和右下角坐标，或左下角坐标和右上角坐标)，将该原图位置信息作为第一部分水印信息，保存到待嵌入的水印信息中，该待嵌入的水印信息用变量WM1表示；

S4、将原图分为N个8*8像素的小块，对于边界不足8*8像素的小块，由于此边界信息并不重要，且此边界信息量很小，不会影响图片中对象的视觉特征，故可不对其进行水印信息提取与嵌入保护；若此边界信息也需要保护，则可对不足部分以制定纯色(如(R,G,B)＝(0,0,0))拓展，只要与水印信息提取与检测图片是否修改部分保持一致即可，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

S5、将矩阵M0_a直流分量(即矩阵M0_a的第一行第一列元素M0_a(1,1))转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息(取4～7位二进制信息，之所以选择4～7位，是因为实验表明直流分量的第4位开始稳定，考虑到对修改的敏感性和水印位置空间限制，故选择这4个bit原图的特征信息作为水印信息)作为第二部分水印信息，保存到待嵌入的水印信息中，该待嵌入的水印信息用变量WM2表示；

S6、将步骤S3得到的水印信息WM1和步骤S5得到的水印信息WM2逐字节嵌入到水印部分，具体包括：

S61、将水印部分分为K个8*8像素的小块；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，第1至第L(可以是16)个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息WM2；

S62、对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

S63、通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息，具体为：

取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对(四个点对轮流选取，一个点对存放1bit水印信息，这八个点为DCT变换后得到的中频信息，对这些点的微小修改既不影响直流分量又不会造成水印部分产生肉眼可见的变化，使得水印嵌入前后水印部分视觉上没有变化)的一对满足V1≥V2+2，选择数值2既保证了水印对JPEG压缩足够稳定(如果这个值太小就保证不了水印对JPEG压缩足够稳定)，即大小关系不会在JPEG压缩/解压缩过程中发生变化，又保证了直流分量DC不会因此参数影响，同时不会造成水印部分因此产生肉眼可见的变化(如果这个值太大就会造成水印部分因此产生肉眼可见的变化)；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对；

S7、将嵌入水印信息的K个8*8像素的小块进行离散余弦反变换(IDCT变换)；

S8、将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存，具体为：

将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存，其中上传到网络服务器更安全；

在水印嵌入前的原图如图4a所示，该图嵌入水印后如图4b所示(注：本发明技术主要针对彩色图片，本发明中的黑白图片只为专利申请展示使用)。

所述水印信息提取与检测图片是否修改部分如图3所示，包括以下步骤：

S1’、将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

S2’、提取水印图片的原图位置信息，具体包括：

S21’、对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

S22’、通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，具体为：

依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对(四个点对轮流提取，一个点对存放1bit水印信息)的一对满足V1≥V2(一般不会出现等号成立的情况，纯色水印区域保证了大小的不变性)，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

S23’、将得到的L个4bit组拼接成4个整数点(拼接方式与嵌入时分段的方式相对应，可通过移位操作高效的实现)，代表原始图片位置矩阵的两个点：始末对角点坐标；

S3’、判断提取的原图位置信息是否合法，例如判断所提取的原图位置所在的矩阵开始点和结束点这两个点中任意一个点是否在整个水印图片矩阵外，若是，则提取的水印位置信息不合法，说明该图片被修改过，停止后续的水印信息提取、比对步骤；若否，则提取的水印位置信息合法，执行步骤S4’；

S4’、根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

S5’、将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息(如上所述，同样是4～7位二进制信息)保存到待比较的原图提取信息中，该原图提取信息用变量ORG表示；

S6’、根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息，该水印信息用变量EX表示，具体包括：

S61’、对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

S62’、通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，具体为：

依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对(四个点对轮流提取，一个点对存放1bit水印信息)的一对满足V1≥V2(一般不会出现等号成立的情况，纯色水印区域保证了大小的不变性)，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对；

S63’、所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX。

S7’、将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

S8’、计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值(该预设值为0、1或15)，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束，结束位可通过之前获得的原图位置信息获得；其中，预设值为0、1或15，之所以选取0、1或15，是因为图片JPEG压缩、解压本身造成DCT变换后的直流分量低位(1～3位)不稳定，造成高位会进1或减1的偏差，这个处理保证了水印的绝对稳定。

本实施例检测到篡改的图片如图5所示，从图中可以看到篡改位置，检测到的篡改结果(x,y)分别是像素点的列坐标、行坐标，表示以(x,y)和(x+7,y+7)为对角的矩形区域内有修改：

modified positions:(552,288)

modified positions:(560,288)

modified positions:(568,296)

modified positions:(576,304)

modified positions:(584,304)

modified positions:(584,312)

modified positions:(592,312)

modified positions:(592,320)

modified positions:(600,320)

modified positions:(600,328)

modified positions:(608,328)

modified positions:(616,328)

modified positions:(616,336)

modified positions:(624,344)

modified positions:(624,352)

modified positions:(632,352)

modified positions:(632,360)

modified！

通过上述水印信息嵌入部分和以及水印信息提取与检测图片是否修改部分，能够保证在完全抵抗JPEG压缩的情况下对原图修改进行有效检测，且提取的图片经裁剪后与原图一致。

实施例2：

如图6所示，本实施例的数字水印系统包括水印信息嵌入模块以及水印信息提取与检测图片是否修改模块；

所述水印信息嵌入模块包括：

原图面积计算单元，用于计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，将扩充部分作为水印部分；

色彩设置单元，用于将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色；

位置信息计算单元，用于计算原图在嵌入水印后的原图位置信息，将该原图位置信息保存到待嵌入水印信息WM1中；

分块与变换单元，用于将原图分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

第一转换单元，用于将每一小块的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待嵌入的水印信息WM2中；

嵌入单元，用于将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分；

第一反变换单元，用于将嵌入水印信息的8*8像素的小块进行离散余弦反变换；

压缩单元，用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存；该压缩单元，具体为：

用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存。

所述水印信息提取与检测图片是否修改模块包括：

解压缩单元，用于将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

第一提取单元，用于提取水印图片的原图位置信息；

第一判断单元，用于判断提取的原图位置信息是否合法，若不合法，则该图片被修改过；若合法，根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

第二转换单元，用于将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待比较的原图提取信息ORG中；

第二提取单元，用于根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX；

组成单元，用于将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

第二判断单元，用于计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束。

所述嵌入单元如图7所示，具体包括：

分块子单元，用于将水印部分分为K个8*8像素的小块；

第一变换子单元，用于对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

水印信息保存子单元，用于通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，且第1至第L个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息MW2；该水印信息保存子单元，具体为：

用于取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2+2；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

所述第一提取单元如图8所示，具体包括：

第二变换子单元，用于对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

第一水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息；该第一水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

拼接子单元，用于将得到的L个4bit组拼接成4个整数点。

所述第二提取单元如图9所示，具体包括：

第三变换子单元，用于对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

第二水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX；该第二水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

在此需要说明的是，上述实施例提供的移动终端仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

综上所述，本发明方法及系统可以保留原图的所有细节信息，使原图不会由于水印嵌入而改变，并能在提取水印信息后的图片与原图保持完全一致，能够保证水印要保护的信息和水印信息本身能抵抗JPEG压缩。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (20)

1.基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述方法包括水印信息嵌入部分；

所述水印信息嵌入部分包括：

计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，将扩充部分作为水印部分；

将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色；

计算原图在嵌入水印后的原图位置信息，将该原图位置信息保存到待嵌入的水印信息WM1中；

将原图分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

将矩阵M0_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待嵌入的水印信息WM2中；

将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分；

将嵌入水印信息的8*8像素的小块进行离散余弦反变换；

将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存。

2.根据权利要求1所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述方法还包括水印信息提取与检测图片是否修改部分；

所述水印信息提取与检测图片是否修改部分包括：

将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

提取水印图片的原图位置信息；

判断提取的原图位置信息是否合法，若不合法，则该图片被修改过；若合法，根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待比较的原图提取信息ORG中；

根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX；

将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束。

3.根据权利要求2所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分，具体包括：

将水印部分分为K个8*8像素的小块；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，且第1至第L个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息MW2；

对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息。

4.根据权利要求3所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息，具体为：

取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2+2；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

5.根据权利要求3所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述提取水印图片的原图位置信息，具体包括：

对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息；

将得到的L个4bit组拼接成4个整数点。

6.根据权利要求5所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，具体为：

依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

7.根据权利要求2所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述判断提取的原图位置信息是否合法，具体为：

判断所提取的原图位置所在的矩阵开始点和结束点这两个点中任意一个点是否在整个水印图片矩阵外，若是，则提取的水印信息不合法，若否，则提取的水印信息合法。

8.根据权利要求2所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX，具体包括：

对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX。

9.根据权利要求8所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息，具体为：

依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

10.根据权利要求1所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印方法，其特征在于：所述将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存，具体为：

将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存。

11.基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述系统包括水印信息嵌入模块；

所述水印信息嵌入模块包括：

原图面积计算单元，用于计算原图面积，根据原图面积对原图进行扩充，将扩充部分作为水印部分；

色彩设置单元，用于将水印部分设为对JPEG压缩保持水印稳定的纯色；

位置信息计算单元，用于计算原图在嵌入水印后的原图位置信息，将该原图位置信息保存到待嵌入水印信息WM1中；

分块与变换单元，用于将原图分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M0_a；其中，a从0到N；

第一转换单元，用于将每一小块的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待嵌入的水印信息WM2中；

嵌入单元，用于将水印信息WM1和WM2逐字节嵌入到水印部分；

第一反变换单元，用于将嵌入水印信息的8*8像素的小块进行离散余弦反变换；

压缩单元，用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并进行保存。

12.根据权利要求11所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述系统还包括水印信息提取与检测图片是否修改模块；

所述水印信息提取与检测图片是否修改模块包括：

解压缩单元，用于将得到的水印图片进行JPEG解压缩；

第一提取单元，用于提取水印图片的原图位置信息；

第一判断单元，用于判断提取的原图位置信息是否合法，若不合法，则该图片被修改过；若合法，根据原图位置信息，将原图位置所在的矩阵分为N个8*8像素的小块，对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M3_a；其中，a从0到N；

第二转换单元，用于将矩阵M3_a的直流分量转换为二进制信息，并将所有N个矩阵的二进制信息保存到待比较的原图提取信息ORG中；

第二提取单元，用于根据原图位置信息，得到水印部分，在水印部分提取嵌入的图片特征的水印信息EX；

组成单元，用于将原图提取信息ORG和图片特征的水印信息EX的每4字节组成一个整数，分别记为int_org和int_ex；

第二判断单元，用于计算int_org和int_ex之差的绝对值，记为abs，若abs的值为预设值，则当前8*8像素的小块无修改；否则，则当前8*8像素的小块有篡改；循环比较每个8*8像素的小块，直到图片结束。

13.根据权利要求12所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述嵌入单元，具体包括：

分块子单元，用于将水印部分分为K个8*8像素的小块；其中，每个8*8像素的小块水印区域保存4bit水印信息，且第1至第L个小块用于保存水印信息WM1，第L+1至第K个小块用于保存水印信息MW2；

第一变换子单元，用于对每个8*8像素的小块分别进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M1_b；其中，b从0到K；

水印信息保存子单元，用于通过设定矩阵M1_b的中频信息的指定点对的大小关系来保存水印信息。

14.根据权利要求13所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述水印信息保存子单元，具体为：

用于取水印信息中的一个bit位i，若i为0，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2+2；若i为1，则使矩阵M1_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≤V2-2；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

15.根据权利要求13所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述第一提取单元，具体包括：

第二变换子单元，用于对水印图片中水印部分的第1至第L个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M2_b；其中，b从1到L；

第一水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M2_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息；

拼接子单元，用于将得到的L个4bit组拼接成4个整数点。

16.根据权利要求15所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述第一水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取原图位置信息中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M2_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

17.根据权利要求12所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述第一判断单元中，判断提取的原图位置信息是否合法，具体为：

判断所提取的原图位置所在的矩阵开始点和结束点这两个点中任意一个点是否在整个水印图片矩阵外，若是，则提取的水印位置信息不合法，若否，则提取的水印位置信息合法。

18.根据权利要求12所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述第二提取单元，具体包括：

第三变换子单元，用于对根据原图位置信息得到的水印部分的第L+1至第K个8*8像素的小块依次进行离散余弦变换，得到变换后的矩阵M4_b；其中，b从L+1到K；

第二水印信息提取子单元，用于通过设定矩阵M4_b的中频信息点对的大小关系来提取水印信息；其中，每个8*8像素的小块水印区域提取4bit水印信息，所有K-L个矩阵提取到的信息为嵌入的图片特征的水印信息EX。

19.根据权利要求18所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述第二水印信息提取子单元，具体为：

用于依次提取根据原图位置信息得到的水印部分中的4bit，记单次提取的水印信息为i，若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1≥V2，则相应的i为0；若矩阵M4_b的{(8,1),(7,2)}/{(6,3),(5,4)}/{(4,5),(3,6)}/{(2,7),(1,8)}中四个点对的一对满足V1<V2，则相应的i为1；其中，V1和V2是指四个点对中的任意一对。

20.根据权利要求11所述的基于图片内容的对JPEG压缩稳定的数字水印系统，其特征在于：所述压缩单元，具体为：

用于将嵌入水印信息后的图片信息进行JPEG压缩，并保存到本地文件，或通过以字节流的形式上传到网络服务器保存。