CN106600516A - 基于数字指纹的图像嵌入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字指纹的图像嵌入方法，所述方法包括：S1、确定原始图像X与数字指纹W；S2、对原始图像X进行变换，首先进行正向DCT频域变换，由低到高频排列系数，随机从中低到中频区的系数范围中，取出与数字指纹W相同的系数，作为数字指纹的嵌入位置；S3、以授权编号建立指纹图像，首先进行DCT频域变换，以JPEG量化表量化系数，再以随机数打乱系数，将嵌入步骤S2中的嵌入位置，然后进行还原，先还原嵌入位置放回原频率系数的位置，再进行反向DCT频域变换，完成嵌入。本发明基于离散余弦变换之灰阶水印作为嵌入与取回数字水印的基础技术，加强了指纹抵抗合谋攻击破坏的能力。

Description

基于数字指纹的图像嵌入方法

技术领域

本发明涉及计算机应用技术及应用于图像处理技术领域，特别是涉及一种基于数字指纹的图像嵌入方法。

背景技术

数字多媒体内容随着因特网的日益普及，使得各项媒体产品得以方便的下载传播，也因为数字产品可以轻易的完美再制的特性，造成了盗版行为泛滥成灾，严重地侵蚀内容产业的发展基础，因此研究数字多媒体的知识产权保护(Intellectual PropertyRights，IPR)技术，在知识内容产业发展中有其重要性，其中图像著作权保护技术这一议题，吸引众多学者投入数字图像水印技术研究，已有丰硕的研究成果，有许多不同的实际应用、技术方法以及隐藏方式。

就以数字内容嵌入信息的著作权保护而言，可分为两个应用范围，数字水印应用与数字指纹应用。两者都是在数字内容中嵌入信息，不同的是水印是以宣告与鉴定来源的所有权为主要目的。在所接收到的数字数据中，侦测嵌入的信息是否被恶意破坏，而辨别出内容是否曾被篡改，或通过相关技术加入能代表著作权的特征信息(如商标、标志或生物信息如DNA密码或指纹，视网膜图案等)，以便将来发生争议时可以检测这一嵌入的信息，来证明数字内容的所有者。

另一种数字指纹应用则是用来追查与遏止非法传播图片行为。在每一份售出的拷贝复本中应用水印技术，嵌入一个独一无二的识别序号数据，并以这一序号追踪与管理每个复制品。若有非法传播的情况发生，则可以通过这组嵌入在图像文件的授权记录数据与售出时的授权数据比对，查明这份复本是属于哪一个购买者所购买。同时还可以追查到非法传播的途径。此外若是配合相应的软硬件，可以对传播时的著作权进行使用控制。可以控制使用者是否有权开启阅览这一内容。

然而研究也指出，非法传播为逃避追查必会设法加以破坏图像中的数字指纹，企图解除这一数字指纹所遗留下的犯罪线索。他们运用随手可得的图像处理软件，将同一图像的多张复本任意切割后，各自取出相对应的部分拼图，重新拼贴回完整的图像新复本，或者以重叠图层方式将像素取平均值，合成新的复本，以这二种简易的合谋方式来破坏图像中的数字指纹。因此研发能抵抗这一合谋攻击破坏的技术是数字指纹研究中的急需解决的重要问题。

数字指纹这项研究的关键目标，是要保证即使遭受到非法使用者的合谋攻击，图像仍能正确有效地辨识我们置入的数字指纹。从国内外研究进展可以看出即使是灰阶水印技术作为数字指纹，也同样面临了数字指纹在受到合谋破坏攻击时，指纹重叠而无法正确辨认的问题，同时随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，当数字水印应用于版权保护时，数字水印用于隐藏标识时，可在医学、制图、数字成像、数字媒体图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。但是盗版者产生了许多新的研究热点下，仍可有效办识每一字段的可能号码，最后还需要一种侦错演算策略，可以针对每一字段找到的可能号码，过滤大量错误的排列组合，逐一鉴别出正确的合谋者序号。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于数字指纹的图像嵌入方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于数字指纹的图像嵌入方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于数字指纹的图像嵌入方法，所述方法包括：

S1、确定原始图像X与数字指纹W；

S2、对原始图像X进行变换，首先进行正向DCT频域变换，由低到高频排列系数，随机从中低到中频区的系数范围中，取出与数字指纹W相同的系数，作为数字指纹的嵌入位置；

S3、以授权编号建立指纹图像，首先进行DCT频域变换，以JPEG量化表量化系数，再以随机数打乱系数，将嵌入步骤S2中的嵌入位置，然后进行还原，先还原嵌入位置放回原频率系数的位置，再进行反向DCT频域变换，完成嵌入。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中：

原始图像为X＝{x(i,j)|0≤i＜N,0≤j＜N},x(i,j)∈{0～255}，

数字指纹为W＝{w(i,j)|0≤i＜M,0≤j＜M},w(i,j)∈{0～255}，

其中，i代表图像列，j代表图像行。

作为本发明的进一步改进，所述原始图像为8位的灰阶图像，每一像素值的范围为0～255。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2包括：

S21、将原始图像X分割成预设大小的单位区块，对单位区块进行离散余弦正变换fDCT处理，将原始图像由空间域变换为离散余弦变换；

S22、Z字型扫描以表示，将每一单位区块fDCT参数以Z字型方式重新由低到高频排列参数，选取由中低频到中频参数作为数字指纹的嵌入位置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3包括：

S31、以表示设定一随机数种子，通过随机数生成器所产生的随机数序列，在参数区段中按照该序列取出与指纹系数数量大小的低频参数；

S32、由W代表唯一的授权编码产生一张数字指纹图像，进行离散余弦变换以表示；

S33、利用JPEG的量化表对数字指纹的频率值进行数字量化以表示；

S34、以表示设定一随机数种子，通过随机数生成器将量化后的指纹系数打乱；

S35、将打乱后的指纹系数替代步骤S31所得的中低频参数，写回原始图像的中低频位置，以表示中低频位置，下标w代表藏有数字指纹；

S36、将步骤S35七所得原始图像的频率还原打乱的系数iRamdom，接着以反向Z字型扫描放回位，再同样进行iDCT反离散余弦变换处理，转回原本的空间域像素，完成数字指纹的嵌入。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S22中选取中低频参数作为数字指纹的嵌入位置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S21中的单位区块为8*8像素区域。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S33中具体为：

利用JPEG的量化表以每4×4的区块大小为单位对数字指纹的频率值进行数字量化以表示。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3还包括：记录授权编号于数据库系统中。

本发明的有益效果是：

本发明基于离散余弦变换之灰阶水印作为嵌入与取回数字水印的基础技术，加强了指纹抵抗合谋攻击破坏的能力，针对各种图像编辑处理过程的破坏和多张指纹重叠混淆的情况下，仍能顺利取回可用的水印，即使受到大量合谋攻击，取回的指纹图像中仍可分辨出是哪些字符重叠在一起。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施方式中基于数字指纹的图像嵌入方法的流程图；

图2为本发明一具体实施方式中基于数字指纹的图像嵌入方法的原理图；

图3为本发明一具体实施例中基于数字指纹的图像嵌入方法的具体流程图；

图4为本发明一具体实施例中模糊数字指纹合谋结果的结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明基于数字指纹的图像嵌入方法基于离散余弦变换之灰阶水印作为嵌入与取回数字水印的基础技术，加强了指纹扺抗合谋攻击破坏的能力，将指纹字符符号设计成黑白分明的方格形状，采用了容错空间的策略，因此即使受到大量合谋攻击，取回的指纹图像中仍可分辨出是哪些字符重叠在一起。同时改进了可抵抗合谋的数字水印编码与侦测方法。

参图1所示，本发明中基于数字指纹的图像嵌入方法包括以下步骤：

S1、确定原始图像X与数字指纹W；

S2、对原始图像X进行变换，首先进行正向DCT频域变换，由低到高频排列系数，随机从中低到中频区的系数范围中，取出与数字指纹W相同的系数，作为数字指纹的嵌入位置；

S3、以授权编号建立指纹图像，同时记录授权编号于数据库系统中，首先进行DCT频域变换，以JPEG量化表量化系数，再以随机数打乱系数，将嵌入步骤S2中的嵌入位置，然后进行还原，先还原嵌入位置放回原频率系数的位置，再进行反向DCT频域变换，完成嵌入。

以下结合具体实施例对本发明基于数字指纹的图像嵌入方法作进一步说明。

参图2并结合图1所示，步骤S1中首先定义原始图像X与数字指纹W，如1式与2式所示：

X＝{x(i,j)|0≤i＜N,0≤j＜N},x(i,j)∈{0～255}(1)

W＝{w(i,j)|0≤i＜M,0≤j＜M},w(i,j)∈{0～255}(2)

其中，X代表原始图像，W代表数字指纹，i代表图像列，j代表图像行；因此，原始图像的大小为N*N，数字指纹的大小为M*M，由于本实施例中采用8位的灰阶图像，故每一像素值的范围为0～255。

本发明中应用灰阶图像比二值图像有较大的容错值域，将在字码与字码之间建立相互检测真伪的逻辑关系，通过这一逻辑关系即可确认指纹字码排列的正确性。

数字指纹嵌入的步骤为步骤S2与步骤S3，首先步骤S2中，需对原始图像X进行变换，首先进行正向DCT频域变换，由低到高频排列系数，随机从中低到中频区的系数范围中，取出与数字指纹W相同的系数，作为数字指纹的嵌入位置；而后步骤S3中，以授权编号建立指纹图像，首先进行DCT频域变换，以JPEG量化表量化系数，再以随机数打乱系数，将嵌入步骤S2中的嵌入位置，然后进行还原，先还原嵌入位置放回原频率系数的位置，再进行反向DCT频域变换，完成嵌入。

在本发明的一具体实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、将原始图像X分割成8*8个像素的区块大小，对单位区块进行离散余弦正变换(fDCT)处理，将原始图像由空间域变换为离散余弦变换，代表离散余弦变换处理；

S22、Z字型扫描以表示，将每一8*8区块fDCT参数以Z字型方式(Zigzag)重新由低到高频排列参数，选取由中低频到中频参数作为嵌入的目标区，为了平衡鲁棒性与通透性的要求故选则中低频系数区域为嵌入区域。

步骤S3具体包括：

S31、以表示设定一随机数种子﹙seed﹚，通过随机数生成器所产生的随机数序列，在参数区段中按照该序列取出与指纹系数数量大小的低频参数。该步骤的目的是为了打乱嵌入系数所在的位置，不让嵌入的系数位置产生规律性，让攻击者无法确认是哪一些系数有嵌入的指纹数据；

S32、由W代表唯一的授权编码产生一张数字指纹图像，进行离散余弦变换以表示，在此步骤中，首先将数字指纹以每4*4的区块大小为单位做空间域与离散余弦变换；

S33、利用JPEG的量化表以每4×4的区块大小为单位对数字指纹的频率值进行数字量化以表示；

S34、以表示设定一随机数种子﹙seed﹚，通过随机数生成器将量化后的指纹系数打乱。该步骤除了增加抵抗图像切割攻击的能力，还能同时加强指纹的安全性，让非法使用者无法获知所设定的随机数种子数值，也无法得知打乱后的系数排列顺序，自然无法改变指纹的内容；

S35、将打乱后的指纹系数替代步骤S31所得的中低频参数，写回原始图像的中低频位置，以表示中低频位置，下标w代表藏有数字指纹；

S36、将步骤S35七所得原始图像的频率还原打乱的系数iRamdom，接着以反向Z字型扫描放回位，再同样以每8*8的区块大小为单位进行iDCT反离散余弦变换处理，转回原本的空间域像素，完成数字指纹的嵌入，X′代表藏有数字指纹的图像。

结合图3所示，本发明可根据用户需要针对可疑的图像则通过指纹认证，将待认证的图像通过该指纹认证模块首先进行指纹的检测，判断该图像中是否含有指纹，根据判断的结果，如果不含有指纹图像则结束；如果判断待检测的图像中含有数字指纹图像，则可以通过数字指纹的提取算法完成对数字指纹的提取过程，并且在这个过程中，可以将提取出来的指纹信息进行保存，以便于以后的查询。

此外还要求能够通过一种简单明了的方式将结果进行显示出来，以便于用户的查看。在实验过程中，更重要的是能充分考虑在实际情况下，图像盗用者可能采用的合谋攻击方式，选择合适的攻击模式对嵌入数字指纹的图像进行合谋，才能得到有效的实验数据。

本发明的一具体实施例中，参图4所示，测试图像文件选用具代表性的灰阶位图，分为高频细节较多的baboon图像与主要为低频质感平滑的pappers，以及由高频到低频变化丰富的lena人像。分辨率采用512*512的灰阶8位位图作为实验的测试图。按照上述方法，首先数字指纹采用16进位制编码，序号编码范围共计164＝65536组序号，指纹图像大小为64*64，在0～65535的范围之间以随机数生成128组授权序号，通过这128组序号，采用本发明所提出的HFP编码方法生成数字指纹图案，再将这128个数字指纹逐一分别嵌入baboon，peppers，lena这三张测试图像，每张测试图像都嵌入这128张数字指纹。然后将三组复本，分别施以不同的噪声破坏和不同张数的合谋攻击，目的是测试在不同编辑破坏后指纹受损的情况。同时查看采用本发明所提出的侦测方法是否能在这些攻击破坏后，仍可以正确的侦测出嵌入在测试图像中的指纹。

通过上述方法可以得到图4中的结果，其中，图4左侧为图像模糊3*3滤镜及平均像素合谋攻击后取回的指纹结果，指纹下方的数值表示合谋的张数，图4右侧为图像模糊3*3滤镜及拼贴二种合谋攻击后取回的指纹结果。

表1显示数字指纹图像在受到模糊滤镜方式攻击情况下，再加以平均像素方式合谋攻击之后，取回指纹的侦测结果数据。根据疑犯字段数据侦测，在受到模糊滤镜方式攻击情况下，以平均像素方式进行的合谋实验，结果发现合谋张数在6张以内的，可以有效的找出全部合谋者，在128张仍可找出多个合谋者。

表1模糊与平均像素方式合谋攻击侦测结果数据表

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明基于离散余弦变换之灰阶水印作为嵌入与取回数字水印的基础技术，加强了指纹抵抗合谋攻击破坏的能力，针对各种图像编辑处理过程的破坏和多张指纹重叠混淆的情况下，仍能顺利取回可用的水印，即使受到大量合谋攻击，取回的指纹图像中仍可分辨出是哪些字符重叠在一起。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、确定原始图像X与数字指纹W；

S2、对原始图像X进行变换，首先进行正向DCT频域变换，由低到高频排列系数，随机从中低到中频区的系数范围中，取出与数字指纹W相同的系数，作为数字指纹的嵌入位置；

S3、以授权编号建立指纹图像，首先进行DCT频域变换，以JPEG量化表量化系数，再以随机数打乱系数，将嵌入步骤S2中的嵌入位置，然后进行还原，先还原嵌入位置放回原频率系数的位置，再进行反向DCT频域变换，完成嵌入。

2.根据权利要求1所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S1中：

原始图像为X＝{x(i,j)|0≤i＜N,0≤j＜N},x(i,j)∈{0～255}，

数字指纹为W＝{w(i,j)|0≤i＜M,0≤j＜M},w(i,j)∈{0～255}，

其中，i代表图像列，j代表图像行。

3.根据权利要求2所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述原始图像为8位的灰阶图像，每一像素值的范围为0～255。

4.根据权利要求2所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、将原始图像X分割成预设大小的单位区块，对单位区块进行离散余弦正变换fDCT处理，将原始图像由空间域变换为离散余弦变换；

S22、Z字型扫描以表示，将每一单位区块fDCT参数以Z字型方式重新由低到高频排列参数，选取由中低频到中频参数作为数字指纹的嵌入位置。

5.根据权利要求4所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、以表示设定一随机数种子，通过随机数生成器所产生的随机数序列，在参数区段中按照该序列取出与指纹系数数量大小的低频参数；

S32、由W代表唯一的授权编码产生一张数字指纹图像，进行离散余弦变换以表示；

S33、利用JPEG的量化表对数字指纹的频率值进行数字量化以表示；

S34、以表示设定一随机数种子，通过随机数生成器将量化后的指纹系数打乱；

S35、将打乱后的指纹系数替代步骤S31所得的中低频参数，写回原始图像的中低频位置，以表示中低频位置，下标w代表藏有数字指纹；

S36、将步骤S35七所得原始图像的频率还原打乱的系数iRamdom，接着以反向Z字型扫描放回位，再同样进行iDCT反离散余弦变换处理，转回原本的空间域像素，完成数字指纹的嵌入。

6.根据权利要求4所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S22中选取中低频参数作为数字指纹的嵌入位置。

7.根据权利要求4所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S21中的单位区块为8*8像素区域。

8.根据权利要求5所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S33中具体为：

利用JPEG的量化表以每4×4的区块大小为单位对数字指纹的频率值进行数字量化以表示。

9.根据权利要求1所述的基于数字指纹的图像嵌入方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：记录授权编号于数据库系统中。