CN106373077A - 基于相对比值的数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相对比值的数字水印方法，主要解决现有技术在含水印图像局部失真不一致时稳健性较差的问题。其实现步骤包括：1)从原始图像的变换系数中选出一个系数集合并进行两两组合形成系数对；2)修改一对系数嵌入一个水印比特，直至嵌入所有水印；3)执行1)中相应的逆过程得到含水印图像；4)从原始图像和含水印图像中分别获得对应水印嵌入位置上的两个系数对集合；5)利用相对比值法逐个提取水印比特，直至提取所有水印。本发明能在确保水印不可见性的同时大大增强水印信息的稳健性，可用于版权保护与追踪，秘密通信及真伪鉴别。

Description

基于相对比值的数字水印方法

技术领域

本发明属于信息隐藏技术领域，具体涉及一种数字水印方法，可用于版权保护，秘密通信及真伪鉴别。

背景技术

随着信息技术的发展，多媒体数据的获取、编辑和发布变得十分容易，一些不法分子可以随意复制篡改这些数据内容，因此，迫切需要一种有效的技术来保护这些数据的版权、真实性和完整性。数字水印是近年来出现的数字产品版权保护技术，为上述问题提供了一个潜在的解决方案。所谓水印技术就是将序列、文字或图标等信息隐写到多媒体数据，即视频、音频、图像中，以起到版权保护与追踪、秘密通信、真伪鉴别等作用。

早期人们对数字水印的研究基本上是基于空域的,通过改变像素的亮度值来嵌入水印，此类水印技术大都是基于最不重要像素位LSB,以灰度图像为例，每个像素由8比特表示，通过8比特表示256个灰度级，这8比特的重要性由最高位到最低位排列，其中最高位MBS对图像像素值的影响最大，改变这一位，它所代表的灰度级将变化128级，而最低位LBS对像素值的影响最小，改变这一位，它所代表的灰度级只变动一级，人眼几乎是无法分辨的。这种空域水印算法操作相对简单,实时性较强,容易实现,但缺点是鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。

变换域方法，是先对图像进行某种变换，如DCT变换、DWT变换、DFT变换域或其他变换域等，然后选择适当的符合水印信息嵌入的变换域系数，按照某一水印嵌入法则修改系数，最后对修改后的图像变换域系数进行相应的逆变换，从而获得嵌入水印后的图像。该类算法由于在变换域内对系数进行修改，相较于基于空域的算法，其鲁棒性有了一定的提高，但当图像失真较大或局部失真不一致时，其效果不是十分理想。

发明内容

本发明在于提出一种基于相对比值的水印方法，以解决在含水印图像局部失真不一致时稳健性较差的问题，提高水印信息的稳健性。

本发明的技术思路是：在已有数字水印算法的变换框架、系数选取策略以及嵌入法则下，通过关联若干对系数来实现水印的嵌入和检测。

根据上述思路，本发明的技术方案如下：

一种基于相对比值的数字水印方法，其特征在于，包括：

(1)嵌入水印步骤：

(1a)输入待嵌入水印的载体图像I和水印信息W＝{w₁,…,w_i,…,w_N}，其中，w_i是W的第i个水印信息比特，取值为0或1,1≤i≤N，N是水印信息的大小；

(1b)从载体图像I的变换系数中选出2N个系数并进行两两组合形成载体图像系数对集合C＝{(C_1,1,C_2,1)，…，(C_1,i,C_2,i)，…，(C_1,N,C_2,N)}，其中(C_1,i,C_2,i)为系数对集合中的第i对系数；

(1c)修改C中的系数对，使得每个系数对中的两个元素的绝对值大小变化相反，得到修改后的系数对集合C'＝{(C′_1,1,C′_2,1),…,(C′_1,i,C′_2,i),…,(C′_1,N,C′_2,N)}；

(1d)利用系数对集合C'，执行步骤(1b)中相关的逆过程得到含水印的图像I_w；

(2)检测水印步骤：

(2a)输入载体图像I和待检测含水印图像I_w；

(2b)从载体图像I的变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2N个系数进行两两组合形成载体图像系数对集合S；从含水印图像I_w的变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2N个系数进行两两组合形成含水印图像系数对集合S'；

(2c)利用(2b)计算得到的载体图像系数对集合S和含水印图像系数对集合S'恢复出水印信息：W'＝{w′₁,…,w′_i,…,w′_N}，其中w′_i是恢复出来的水印信息W'的第i个水印信息比特。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过关联若干对系数来实现水印的嵌入和检测，比现有水印算法只用一个系数来实现一个水印比特信息的嵌入，显著提高了含水印图像局部失真不一致时水印信息的稳健性。

2.本发明通过关联若干对系数来实现水印的嵌入，检测水印的决策公式不依赖具体某一种嵌入法则，计算简单，提高了检测速度。

附图说明

图1是本发明的嵌入和提取水印的流程示意图；

图2是一幅未嵌入水印的Lena图像；

图3是一幅二值水印图像；

图4是一幅嵌入图3水印的Lena图像；

图5是从用本发明提出的方法对图4提取出来的二值水印图像；

图6是对图4施加均值为0、方差为225的高斯噪声后得到的图像；

图7是用常规方法对图6进行水印的提取的结果；

图8是用本发明对图6进行水印的提取的结果；

图9是对图4进行窗口大小为3x3均值滤波后得到的图像；

图10是用常规方法对图9进行水印的提取的结果；

图11是用本发明对图9进行水印的提取的结果；

图12是对图4进行质量因子为20的JPEG压缩后得到的图像；

图13是用常规方法对图12进行水印的提取的结果；

图14是用本发明对图12进行水印的提取的结果。

具体实施方式

给出以下两种实施例。

实施例1:对一幅未嵌入水印的Lena图像进行嵌入和提取。

参照图1，本部分的实现如下：

一、嵌入水印部分

步骤1，输入图像。

先输入大小为256x256的未嵌入水印Lena图像，如图2所示,再输入大小为32x32的二值水印图像，如图3所示。

步骤2，选取出待修改的系数对集合。

(2a)对Lena图像进行全局二维DCT变换，将变换得到的DCT系数按行拉成一维向量，并按绝对值大小由大到小排列，选取排在第630到2677位置上的共2048个系数,得到系数集合coff＝{c₁,c₂,…,c₂₀₄₇,c₂₀₄₈}；

(2b)对系数集合coff中的2048个系数进行两两组合形成系数对集合，即将第一个系数c₁与第二个系数c₂组合成为第一对系数，将第三个系数c₃与第四个系数c₄组合成为第二对系数，依次类推，得到系数对集合

C＝{(C_1,1,C_2,1)，…，(C_1,i,C_2,i)，…，(C_1,1024,C_2,1024)}，其中(C_1,i,C_2,i)是C中的第i对系数，1≤i≤1024；

步骤3，对二值水印图像进行置乱处理，得到置乱后的二值水印信息W＝{w₁,…,w_i,…,w₁₀₂₄}，其中w_i是W的第i个元素，1≤i≤1024。

步骤4，修改系数对集合C，以嵌入水印信息。

现有修改系数的法则主要有乘法法则、加法法则以及融合法则，本实例采用但不限于以乘法法则，其修改公式为：

γ＝χ(1+αw)0<α<1，其中，χ是载体信号，γ是修改载体信号χ后得到的含水印载体信号，w是水印信息,α为嵌入水印强度比例因子，调节该比例因子可以在水印不可感知性与鲁棒性之间得到所需要的折中。

利用上述乘法法则的修改公式，修改系数对集合C中的系数：

对于系数对集合C中的第i对系数C_1,i、C_2,i，其对应修改公式中的载体信号χ，故将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C′_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C′_2,i；

修改后的第i对系数C′_1,i、C′_2,i对应修改公式中的含水印载体信号γ；

根据步骤3中得到的水印信息W值的第i个元素w_i，做出如下修改：

若w_i＝1，则：

若w_i＝0,则：

其中1≤i≤1024，嵌入强度控制因子α的取值为：

当|C_1,i|>200时，α＝0.05；

当100<|C_1,i|≤200时，α＝0.125；

当80<|C_1,i|≤100时，α＝0.165；

当60<|C_1,i|≤80时，α＝0.205；

当40<|C_1,i|≤60时，α＝0.255；

当20<|C_1,i|≤40时，α＝0.305；

当|C_1,i|≤20时，α＝0.350。

步骤5，重复步骤3，直至完全嵌入二值水印信息，得到修改后的系数对集合：

C'＝{(C′_1,1,C′_2,1),…,(C′_1,i,C′_2,i),…,(C′_1,1024,C′_2,1024)}。

步骤6，利用修改后的系数对集合C'，执行逆DCT变换，得到含水印的Lena图像I_w。

二、提取水印部分

步骤7，输入嵌入水印前后的图像。

输入未嵌入水印的Lena图像I，如图2所示；

输入嵌入水印的Lena图像I_w，如图4所示。

步骤8，选取未嵌入水印图像的系数对集合和嵌入水印图像的系数对集合。

(8a)对未嵌入水印的Lena图像I进行全局二维DCT变换，从I的变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2048个系数并进行两两组合形成系数对集合S；

(8b)对嵌入水印的Lena图像I_w分别进行全局二维DCT变换，从I_w的DCT变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2048个系数进行两两组合形成系数对集合S'。

步骤9，利用未嵌入水印图像的系数对集合S和嵌入水印图像的系数对集合S'，按照本发明提出的相对比值法逐个提取水印信息比特。

若则w′_i＝1，否则w′_i＝0；

其中，S′_1,i、S′_2,i是水印图像系数对集合S'中的第i对系数，S_1,i、S_2,i是载体图像系数对集合S中的第i对系数，w′_i是恢复出来的水印信息的第i个水印信息比特，1≤i≤1024。

步骤10，利用步骤9计算得到的所有的水印信息比特，恢复出水印息：

W'＝{w′₁,…,w′_i,…,w′₁₀₂₄}。

步骤11，将水印信息W'通过反置乱得到检测出来的二值水印，如图5所示。

实施例2:对一幅未嵌入水印的Pepper图像进行嵌入和提取。

参照图1，本部分的实现如下：

一、嵌入水印部分

步骤一，输入图像。

先输入大小为256x256的未嵌入水印Pepper图像，再输入大小为32x32的二值水印图像。

步骤二，选取出待修改的系数对集合。

本步骤与实施例1中的步骤2相同。

步骤三，对二值水印图像进行置乱处理，得到置乱后的二值水印信息。

本步骤与实施例1中的步骤3相同。

步骤四，修改系数对集合，以嵌入水印信息。

本实例采用但不限于以加法法则，修改系数对集合C中的系数：

对于系数对集合C中的第i对系数C_1,i、C_2,i，将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C′_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C′_2,i；

根据水印信息W值的第i个元素w_i，做出如下修改：

若w_i＝1，则：

若w_i＝0，则：

其中1≤i≤1024，V为嵌入强度控制因子，V>0。

步骤五，重复步骤四，直至完全嵌入二值水印信息，得到修改后的系数对集合：

C'＝{(C′_1,1,C′_2,1),…,(C′_1,i,C′_2,i),…,(C′_1,1024,C′_2,1024)}。

步骤六，利用修改后的系数对集合C'，执行逆DCT变换，得到含水印的Pepper图像。

二、提取水印部分

参照图1，本部分的实现如下：

步骤七，输入嵌入水印前后的图像。

输入未嵌入水印的Pepper图像；

输入嵌入水印的Pepper图像。

步骤八，选取未嵌入水印图像的系数对集合和嵌入水印图像的系数对集合。

本步骤与实施例1中的步骤8相同，得到未嵌入水印图像的系数对集合S和嵌入水印图像的系数对集合S'。

步骤九，利用未嵌入水印图像系数对集合S和嵌入水印图像系数对集合S'，按照以下决策逐个提取水印信息比特：

若则w′_i＝1，否则w′_i＝0；

其中，S′_1,i、S′_2,i是水印图像系数对集合S'中的第i对系数，S_1,i、S_2,i是载体图像系数对集合S中的第i对系数，1≤i≤1024；

步骤十，利用步骤九计算得到的所有的水印信息比特，恢复出水印信息。

本步骤的具体实现与实施例1中的步骤10相同。

步骤十一，将恢复出来的水印信息通过反置乱得到检测出来的二值水印。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真实验条件：

硬件平台为：处理器为Intel(R)Core(TM)i5-3210M CPU@2.50GHz，8GB内存，操作系统为Microsoft Windows 10Education x64；

软件平台：Matlab r2015b；

2.仿真实验

仿真实验1：用本发明的方法和常规方法分别对Lena、Pepper、Baboon三幅图像进行水印的嵌入，然后再对这3幅含水印图像进行噪声攻击并提取水印，计算提取出来的水印与原始水印的归一化相关系数NC值，NC越接近1，说明提取的水印与原始水印越相似。结果如表1，最优结果用加粗字体表示。

表1.常见噪声攻击下常规方法与本发明提取水印的NC值对比

从表1可看出，含水印图像在遭受相同噪声攻击的条件下，用本发明提取水印得到的归一化相关系数NC值比常规方法有显著提高。

仿真实验2：用常规方法与本发明分别对遭受常见滤波攻击的3幅含水印图像提取水印，并计算提取出来的水印与原始水印的归一化相关系数NC值，实验结果见表2，最优结果用加粗字体表示。

表2.滤波攻击下常规方法与本发明提取水印的NC值对比

从表2可看出，含水印图像在遭受相同滤波攻击下，用本发明提取水印得到的归一化相关系数NC值比常规方法有显著提高。特别是在进行均值滤波和高斯滤波攻击下，常规方法得到的归一化相关系数NC值已小于0.5，说明提取水印失败，但本发明仍能提取出一个较为信赖的水印。

仿真实验3：用常规方法与本发明分别对遭受JPEG压缩攻击的3幅含水印图像提取水印，并计算提取出来的水印与原始水印的归一化相关系数NC值，实验结果见表3，最优结果用加粗字体表示。

表3.JPEG压缩攻击下常规方法与本发明提取水印的NC值对比

从表3可看出，含水印图像在遭受相同JPEG压缩攻击下，用本发明提取水印得到的归一化相关系数NC值也高于常规方法。

参见表1-3，可看出本发明在相同的条件下归一化互相关系数NC值有显著提高。

仿真实验4：对图4施加均值为0、方差为225的高斯噪声，得到噪声图像，如图6所示，用常规方法对图6提取出水印，结果如图7所示,用本发明对图6提取出水印，结果如图8所示。

仿真实验5：对图4进行窗口大小为3x3均值滤波，得到滤波后的图像，如图9所示，用常规方法对图9提取出水印，结果如图10所示,用本发明对图9提取出水印，结果如图11所示；

仿真实验6：对图4进行质量因子为20的JPEG压缩，得到压缩后的图像，如图12所示，用常规方法对图12提取出水印，结果如图13所示,用本发明对图12提取出水印，结果如图14所示。

从图7与图8对比、图10与图11对比、图13与图14对比可看出：含水印图像在遭受相同攻击下用本发明的方法提取的水印更为清晰可辨。

表1-3中的常规方法，是指仿真实验中采取乘法法则嵌入水印，即γ＝χ(1+αw)，可得提取水印决策公式为：若(γ-χ)/(αχ)>0，w＝1，否则w＝0，称这种根据嵌入公式计算提取水印决策公式的方法为常规方法。

以上实验结果表明，本发明无论从视觉效果还是从数据比较，或者说无论在客观指标还是主观效果上，都表现出了较好的性能，充分说明了本发明的优越性。

Claims (4)

1.基于相对比值的数字水印方法，其特征在于，包括：

(1)嵌入水印步骤：

(1a)输入待嵌入水印的载体图像I和水印信息W＝{w₁,…,w_i,…,w_N}，其中，w_i是W的第i个水印信息比特，取值为0或1,1≤i≤N，N是水印信息的大小；

(1b)从载体图像I的变换系数中选出2N个系数并进行两两组合形成载体图像系数对集合C＝{(C_1,1,C_2,1)，…，(C_1,i,C_2,i)，…，(C_1,N,C_2,N)}，其中(C_1,i,C_2,i)为系数对集合中的第i对系数；

(1c)修改C中的系数对，使得每个系数对中的两个元素的绝对值大小变化相反，得到修改后的系数对集合C'＝{(C′_1,1,C'_2,1),…,(C′_1,i,C'_2,i),…,(C′_1,N,C'_2,N)}；

(1d)利用系数对集合C'，执行步骤(1b)中相关的逆过程得到含水印的图像I_w；

(2)检测水印步骤：

(2a)输入载体图像I和待检测含水印图像I_w；

(2b)从载体图像I的变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2N个系数进行两两组合形成载体图像系数对集合S；从含水印图像I_w的变换系数中选取对应水印嵌入位置上的2N个系数进行两两组合形成含水印图像系数对集合S'；

(2c)利用(2b)计算得到的载体图像系数对集合S和含水印图像系数对集合S'恢复出水印信息：W'＝{w′₁,…,w′_i,…,w'_N}，其中w′_i是恢复出来的水印信息W'的第i个水印信息比特。

2.根据权利要求1所述的基于相对比值的数字水印方法，其特征在于步骤(1c)中修改系数对集合C中的系数对，是根据水印信息W的值w_i，采用乘法法则进行如下修改：

对于集合C中的第i对系数C_1,i、C_2,i，若w_i＝1，将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C'_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C'_2,i：

$\begin{array}{c}{C}_{1,i}^{\&prime;}=C_{1,i}(1+\mathrm{\&alpha;})\\ C_{2,i}^{\&prime;}=C_{2,i}(1-\mathrm{\&alpha;})\end{array};$

若w_i＝0，将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C'_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C'_2,i：

$\begin{array}{c}{C}_{1,i}^{\&prime;}=C_{1,i}(1-\mathrm{\&alpha;})\\ C_{2,i}^{\&prime;}=C_{2,i}(1+\mathrm{\&alpha;})\end{array};$

其中α为嵌入强度控制因子，0<α<1。

3.根据权利要求1所述的基于相对比值的数字水印方法，其特征在于步骤1c)中修改系数对集合C中的系数对，是根据水印信息W的值w_i，采用加法法则进行如下修改：

对于集合C中的第i对系数C_1,i、C_2,i，若w_i＝1，将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C'_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C'_2,i：

$\begin{array}{c}{C}_{1,i}^{\&prime;}=C_{1,i}+V\\ C_{2,i}^{\&prime;}=C_{2,i}-V\end{array};$

若w_i＝0，将C_1,i修改为C′_1,i，将C_2,i修改为C'_2,i，得到修改后的第i对系数C′_1,i、C'_2,i：

$\begin{array}{c}{C}_{1,i}^{\&prime;}=C_{1,i}-V\\ C_{2,i}^{\&prime;}=C_{2,i}+V\end{array};$

其中V为嵌入强度控制系数，V>0。

4.根据权利要求1所述的基于相对比值的数字水印方法，其特征在于步骤(2c)中利用(2b)计算得到的载体图像系数对集合S和含水印图像系数对集合S'恢复出水印信息：

若则w′_i＝1，否则w′_i＝0；

其中，S′_1,i、S'_2,i是水印图像系数对集合S'的第i对系数，S_1,i、S_2,i是载体图像系数对集合S的第i对系数，1≤i≤N；计算得到的所有的水印信息比特，恢复出水印信息：W'＝{w′₁,…,w′_i,…,w'_N}，其中w′_i是恢复出来的水印信息W'的第i个水印信息比特。