CN106530195A - 适配于jpeg2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，该方法包括：水印嵌入流程——结合奇异值分解算法，将水印标识图像的8个位平面数据按重要性依次嵌入至JPEG2000图像经过小波变换和量化后的各个可伸缩层次对应的频带中，并进行EBCOT编码进而得到含水印的JPEG2000图像；水印提取流程——对含水印的JPEG2000图像进行操作，渐进提取水印的各个位平面信息并进行重构，可检测部分解码的图像中内嵌的水印信息，直到完全解码JPEG2000图像继而得到完整的水印标识图像。与现有技术相比，本发明提出的水印技术具有与JPEG2000可伸缩编码框架匹配、良好的视觉质量和鲁棒性、渐进可检测、以及与JPEG2000标准一体化和实用性强的特点。

Description

适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法

技术领域

本发明属于计算机信息安全领域，具体涉及与图像压缩国际标准JPEG2000一体化的分辨率可伸缩和质量可伸缩盲水印算法。用于对JPEG2000格式压缩的图像的数字版权保护。

背景技术

随着可伸缩编码媒体应用的增加，可伸缩媒体版权保护受到关注，对其研究也具有重要意义，然而目前研究JPEG2000质量可伸缩和分辨率可伸缩的水印技术较少，大部分水印算法都会因为经过可伸缩结构压缩使水印遭到破坏。因此本文深入JPEG2000图像的编解码系统，运用分辨率可伸缩压缩优良特性而设计和提出的框架算法，最终实现JPEG2000可伸缩图像的信息安全技术。JPEG2000采用可伸缩编码技术和体系结构，可以从单个多媒体编码数据中提取具有不同码率的图像，渐进性可伸缩的媒体能适应图像媒体的码流传输和显示变化的特性，也能满足人们对不同终端设备(如手机、电脑、PDA、其他智能移动终端等)传输可伸缩媒体的需求。按照以前传统的方式，若传输服务器存储的图像，根据用户不同的终端设备和网络带宽，需要在服务器中存储不同分辨率、不同大小的图像文件，这种方式占据相当大的存储空间。然而当传送采用可伸缩编码结构的JPEG2000格式图像时，只需要在服务器中存储完整码流的JPEG2000图像，根据接收终端设备的需要，解码得到不同分辨率或不同质量的图像，这样可以节省服务器存储空间和网络带宽。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法。

为实现本发明所述目的，本发明提供一种适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，该方法包括：

水印嵌入流程，结合奇异值分解算法，将水印标识图像的8个位平面数据按重要性依次嵌入至JPEG2000图像经过小波变换和量化后的各个可伸缩层次对应的频带中，并进行EBCOT编码进而得到完整含水印的JPEG2000图像；

水印提取流程，将含水印的JPEG2000图像进行熵解码、H×H分块、奇异值分解和强度运算后，渐进提取水印的各个位平面信息并进行重构，进行部分解码图像中内嵌水印信息的检测，直到完全解码JPEG2000图像继而得到完整的水印标识图像。

所述水印嵌入流程包括下列步骤：

11)将维度为M×M的水印图像W进行位平面分解得到图像的8个位平面数据，并将水印的第i个位平面数据记为W_i；

12)对JPEG2000图像进行5/3的三级小波变换，并采用JPEG2000编码器进行量化，得到小波变换的各个子带；

13)对步骤12)中小波变换后的各个子带都进行H×H不重复分块；

14)对步骤13)中得到的各个子带的M×N子块A进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S；

15)对步骤14)中得到的奇异值矩阵S进行强度计算，得到奇异值矩阵的强度值Q；

16)计算步骤11)中各个位平面数据W_i的重要性T_i，根据T_i的值将水印的各个位平面依次嵌入到步骤12)中得到的小波变换的各个子带中，得到嵌入水印后的奇异值矩阵S'；

17)对步骤16)中得到的嵌入水印后的奇异值矩阵S'进行奇异值分解逆变换，得到嵌入水印后的子带的分块矩阵A'；

18)将A'放回步骤12)中小波变换的各个子带中对应的位置后进行EBCOT编码，得到完整含水印的JPEG2000图像。

所述奇异值分解具体为：

A＝USV^T；

其中，为M阶正交矩阵，为奇异值矩阵，为N阶正交矩阵。

所述强度计算具体为：

其中，S(1,1)是奇异值矩阵S的第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算。

所述重要性T_i具体为：T_i＝mod(Q+W_i)。

所述嵌入水印后的奇异值矩阵S'具体为：

其中，S'(1,1)是嵌入水印后的奇异值矩阵S'的第一个奇异值，q是嵌入强度，S'中的其他值与对应的奇异值矩阵S中的值相同。

所述水印提取流程包括下列步骤：

21)熵解码含水印的JPEG2000图像，并进行H×H分块；

22)对步骤21)中分块后得到的每个子块A”进行奇异值分解A”＝US”V^T，进行强度计算，得到经解码分块后的奇异值矩阵S”对应的强度d；

23)根据步骤22)中得到的强度d进行奇偶判别，得到每个分辨率水印的位平面信息W_i'；

24)根据步骤23)中得到的每个分辨率水印的位平面信息W_i'重构为灰度图像，即为水印标识图像，同时得到解码后的JPEG2000图像。

所述经解码分块后的奇异值矩阵S”对应的强度d具体为：

其中，S”(1,1)为经解码分块后的奇异值矩阵S”的第一个值，q是嵌入强度，floor是向下取整。

所述每个分辨率水印的位平面信息W_i'具体为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出一种JPEG2000分辨率可伸缩的渐进性水印算法框架，针对JPEG2000可伸缩编码性质，采用位平面分解灰度水印标识图像，将水印重要的位平面嵌入JPEG2000码流最前端的重要部分，其他位平面分别嵌入后面的码流中，形成内嵌结构的水印模型，与JPEG2000编解码的渐进特性匹配。

(2)本发明提出的可伸缩水印系统，含水印图像在经过质量可伸缩解码和分辨率可伸缩解码双重可伸缩解码，均能检测到水印信息的存在，说明算法与JPEG2000的可伸缩编码框架具有很好的兼容性能。

(3)本发明实现水印算法与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为分辨率可伸缩系统的水印内嵌结构模型；

其中，1为载体图像三级小波分解，2为水印图像，3为位平面分解；

图2为分辨率可伸缩水印嵌入算法的框图；

图3为分辨率可伸缩水印提取算法的框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为了保证嵌入水印图像良好的不可见性(若将水印标识图像重要的第8和第7位两个平面都嵌入载体图像的最低频带LL3系数中，则最低频子带嵌入数据量过大，图像不可见性降低)，将最重要的第8个位平面信息嵌入载体图像经过5/3的三级小波变换后的LL3低频子带系数中；将第7和6个位平面水印信息嵌入LH3及HL3子带低频子带系数中；将第5和第4个位平面水印信息嵌入LH2及HL2子带低频子带系数中；将第3和第2个位平面信息嵌入LH1及HL1频带中，第1位平面嵌入第HH1频带系数中。

这种方式嵌入水印的位平面数据使得低分辨率包含重要的水印信息(即水印图像的最高位平面)，在渐进检测时，能首先提取到水印的重要位平面，并随着解码图像分辨率的增加，提取的水印的位平面数逐渐增加，提取到的水印质量也不断改善，直至检测到水印的8个完整位平面。

如图2所示，水印嵌入的方法具体为：

(11)构造水印图像的位平面内嵌式结构模型：将维度为M×M的灰度水印图像W进行位平面分解，分解得到图像8个位平面数据。分别记为Wi(水印的第i位平面值)。水印的位平面分层结构与JPEG2000分辨率分解结构相适应，形成内嵌式分层结构的水印。

(12)5/3变换：输入载体图像小波分解级数为三级，对JPEG2000图像进行5/3的三级小波变换，并采用JPEG2000编码器进行量化，得到小波变换的各个子带；

(13)H×H分块：对步骤(12)中小波变换后的各个子带都进行H×H不重复分块；

(14)将每个子带分块进行奇异值分解A＝USV^T，得到奇异值矩阵S。

(15)计算：Q＝round(S(1,1)/q)，其中S(1,1)是每块第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算。

(16)嵌入水印：计算Ti＝mod(Q+Wi)的值，按水印位平面的重要性依次嵌入小波各个子带。

(17)对修改后的奇异值进行SVD逆变换，得到每个子带中嵌入水印的矩阵A’。

(18)将A’放回原来码块中对应的位置，在编码器中完成EBCOT编码，从而输出嵌入水印后的数据码流，得到完整含水印的JPEG2000图像。

如图3所示，提取嵌入水印的具体方法为：

(21)嵌入水印图像经过JPEG2000解码系统熵解码后，将其进行H×H的分块。

(22)对每个子块进行奇异值分解A’＝US’V^T，并且计算d＝floor(S’(1,1)/q)，其中floor为向下取整，S’(1,1)为每个子块的第一个奇异值。

(23)计算mod(d,2)的值，并采用奇偶判别，提取每分辨率的水印信息：

(24)将每级提取位平面的水印信息，重构为灰度图像，从而得到检测的水印标识图像，同时解码系统完成JPEG2000图像的解码。

Claims (9)

1.一种适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进水印方法，其特征在于，该方法包括：

水印嵌入流程，结合奇异值分解算法，将水印标识图像的8个位平面数据按重要性依次嵌入至JPEG2000图像经过小波变换和量化后的各个可伸缩层次对应的频带中，并进行EBCOT编码进而得到完整含水印的JPEG2000图像；

水印提取流程，将含水印的JPEG2000图像进行熵解码、H×H分块、奇异值分解和强度运算后，渐进提取水印的各个位平面信息并进行重构，进行部分解码图像中内嵌水印信息的检测，直到完全解码JPEG2000图像继而得到完整的水印标识图像。

2.根据权利要求1所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述水印嵌入流程包括下列步骤：

11)将维度为M×M的水印图像W进行位平面分解得到图像的8个位平面数据，并将水印的第i个位平面数据记为W_i；

12)对JPEG2000图像进行5/3的三级小波变换，并采用JPEG2000编码器进行量化，得到小波变换的各个子带；

13)对步骤12)中小波变换后的各个子带都进行H×H不重复分块；

14)对步骤13)中得到的各个子带的M×N子块A进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S；

15)对步骤14)中得到的奇异值矩阵S进行强度计算，得到奇异值矩阵的强度值Q；

16)计算步骤11)中各个位平面数据W_i的重要性T_i，根据T_i的值将水印的各个位平面依次嵌入到步骤12)中得到的小波变换的各个子带中，得到嵌入水印后的奇异值矩阵S′；

17)对步骤16)中得到的嵌入水印后的奇异值矩阵S′进行奇异值分解逆变换，得到嵌入水印后的子带的分块矩阵A′；

18)将A′放回步骤12)中小波变换的各个子带中对应的位置后进行EBCOT编码，得到完整含水印的JPEG2000图像。

3.根据权利要求2所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述奇异值分解具体为：

A＝USV^T；

其中，为M阶正交矩阵，为奇异值矩阵，为N阶正交矩阵。

4.根据权利要求2所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述强度计算具体为：

$Q=round\left(\frac{S(1,1)}{q}\right);$

其中，S(1,1)是奇异值矩阵S的第一个奇异值，q是嵌入强度，round是四舍五入运算。

5.根据权利要求2所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述重要性T_i具体为：T_i＝mod(Q+W_i)。

6.根据权利要求2所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述嵌入水印后的奇异值矩阵S′具体为：

$S^{\′}(1,1)=\left\{\begin{array}{ccc}(Q-0.5)\×q& if& T_i=1\\ (Q+0.5)\×q& if& T_i=0\end{array}\right.;$

其中，S′(1,1)是嵌入水印后的奇异值矩阵S′的第一个奇异值，q是嵌入强度，S′中的其他值与对应的奇异值矩阵S中的值相同。

7.根据权利要求1所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述水印提取流程包括下列步骤：

21)熵解码含水印的JPEG2000图像，并进行H×H分块；

22)对步骤21)中分块后得到的每个子块A″进行奇异值分解A″＝US″V^T，进行强度计算，得到经解码分块后的奇异值矩阵S″对应的强度d；

23)根据步骤22)中得到的强度d进行奇偶判别，得到每个分辨率水印的位平面信息W_i′；

24)根据步骤23)中得到的每个分辨率水印的位平面信息W_i′重构为灰度图像，即为水印标识图像，同时得到解码后的JPEG2000图像。

8.根据权利要求7所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述经解码分块后的奇异值矩阵S″对应的强度d具体为：

$d=floor\left(\frac{S^{\′\′}(1,1)}{q}\right);$

其中，S″(1,1)为经解码分块后的奇异值矩阵S″的第一个值，q是嵌入强度，floor是向下取整。

9.根据权利要求7所述的适配于JPEG2000的可伸缩图像编码的渐进性水印方法，其特征在于，所述每个分辨率水印的位平面信息W_i′具体为：

${W_i}^{\′}=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& \mathrm{mod}(d,2)=1\\ 0& if& \mathrm{mod}(d,2)=0\end{array}\right..$