CN108009974B - 一种抗jpeg压缩的鲁棒可逆水印方法、数字电视广播系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字水印技术领域，公开了一种抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法、数字电视广播系统，利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数的高频部分进行块复杂度的预测；将水印信息嵌入到块复杂度高的中频鲁棒区域；将可逆信息嵌入到块复杂度低的中频可逆区域。本发明利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数，依照用高频系数预测的块复杂度，将鲁棒可逆水印分别嵌入到中频系数的不同区域中。本发明可用于秘密信息的隐藏；实现了很好的抗JPEG压缩攻击的效果。
Description
技术领域
本发明属于数字水印技术领域，尤其涉及一种抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法、数字电视广播系统。
背景技术
数字水印主要研究领域有可逆数字水印和鲁棒数字水印；可逆数字水印的鲁棒性较差，而鲁棒数字水印不能恢复原始载体图像。为了解决存在的问题，鲁棒可逆数字水印兼具两者的优点，当图像受到攻击时，能较准确的提取出水印信息；当图像未受到攻击时，不但能够提取出水印信息，还能恢复出原始载体。鲁棒可逆水印方法中仅少数研究成果是关于抗JPEG压缩方向的，且都不成体系，专门研究jpg格式图片抗击JPEG压缩方向的鲁棒可逆水印，现阶段更是没有获得更多的关注；而现实生活中jpg格式图片是网络众多图片格式的主要存在格式之一，JPEG(Joint Photographic Experts Group联合图像专家小组)压缩更是主要攻击图像的形式之一，关于抗JPEG压缩方面的性能必定是判别鲁棒可逆水印算法性能中不可或缺的一部分，在这方向所做的工作必然有深远的意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：鲁棒可逆水印方法中仅少数研究成果是关于抗JPEG压缩方向的，且都不成体系，专门研究jpg格式图片抗击JPEG压缩方向的鲁棒可逆水印，现阶段更是没有获得更多的关注。JPEG压缩是主要攻击图像的形式之一，关于抗JPEG压缩方面的性能必定是判别鲁棒可逆水印算法性能中不可或缺的一部分。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法、数字电视广播系统。
本发明是这样实现的，一种抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法，所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法利用JPEG压缩过程中量化后编码前(如图1中所示)的DCT系数的高频部分进行块复杂度的预测；将鲁棒水印嵌入到复杂度高的块所造成的图像变化量少，失真小，将可逆水印嵌入到复杂度低的块，考虑到可逆水印嵌入算法，水印嵌入效率高水印信息嵌入到块复杂度高的中频鲁棒区域；可逆信息嵌入到块复杂度低的中频可逆区域。鲁棒区域与可逆区域相互独立，两区域互不干涉，在第一阶段嵌入的鲁棒水印信息不会被第二阶段所带来失真所破坏。
进一步，所述水印信息嵌入具体包括：
(1)读入原始jpg格式图像量化后的DCT(for Discrete Cosine Transform离散余弦变换)系数分为不重复的8*8大小的块；JPEG压缩过程中，主要有三步，离散余弦变换得到DCT(离散余弦变换)系数，系数量化，熵编码，此处DCT系数指的是得到的系数结果。
(2)将每块中的DCT系数划分为低中高频三个区域，利用高频区域的系数对块进行复杂度预测；
(3)将所有块中用于第一阶段鲁棒水印嵌入的中频区域部分系数整合并置乱，切成水印大小的等长度的段，利用每段中所有来自块复杂度高的系数，每段嵌入一比特的水印信息；
(4)鲁棒水印嵌入所用的参数转换为二进制形式；
(5)所有块复杂度低的块中用于可逆水印嵌入的中频区域部分系数整合，利用直方图平移的方法将可逆水印嵌入系数集合中；
(6)重新整合嵌入水印的DCT系数，写入到jpg格式图像中。
进一步，所述未受到攻击时水印的提取及图像恢复具体包括：
(1)读入JPEG图像量化后的DCT系数分为不重复的8*8大小的块；
(2)将每块中的DCT系数划分为低中高频三个区域，利用高频区域的系数对块进行复杂度预测；
(3)嵌入时所用的系数整合，提取可逆水印，直方图平移恢复；
(4)利用提取的可逆水印恢复鲁棒水印造成的失真，并提取鲁棒水印；
(5)重新整合恢复的DCT系数，重新写入到jpg格式图像中。
进一步，所述受到攻击时水印的提取及图像恢复具体包括：
(1)读入JPEG图像量化后的DCT系数分为不重复的8*8大小的块；
(2)将每块中的DCT系数划分为低中高频三个区域；
(3)嵌入时所用的系数整合，提取鲁棒水印。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法的数字电视广播系统。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法的视频点播系统。
本发明相较于现有算法不同的是主要作用于图像压缩域，利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数的高频部分进行块复杂度的预测；然后将水印信息嵌入到块复杂度高的中频鲁棒区域，主要做法是利用嵌入段系数的统计特性(系数总和)嵌入水印，此处鲁棒区域的选择主要位于中频相对近低频的部分，主要考虑此处系数鲁棒性高，而选择复杂度高的块的系数造成的图像失真较小；最后将可逆信息嵌入到块复杂度低的中频可逆区域，此处鲁棒区域的选择主要位于中频相对近低频的部分且选择复杂度低的块的系数，主要考虑到可逆水印嵌入算法需要较为尖锐的系数直方图，这意味着系数值集中于‘0’左右效果越好，本算法所选择的嵌入区域满足以上要求；如附图4所示，对于嵌入容量为200bit，PSNR控制在34db左右，即使压缩因子设置为10，水印依然可以以一定正确率提取，而当压缩因子设置为30以上，错误率快速降低到10％左右，附图5—7主要说明了嵌入容量为200bit时，不同压缩因子的PSNR上限和抗JPEG压缩攻击的效果。
附图说明
图1是JPEG压缩算法大致流程图。
图2是本发明实施例提供的抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法流程图。
图3是本发明实施例提供的抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法实现流程图。
图4是本发明实施例提供的嵌入容量为200bit，PSNR控制在34db左右，JPEG压缩因子与误码率关系的效果图。
图5是本发明实施例提供的嵌入容量为200bit，JPEG压缩因子控制在40，PSNR与误码率关系的效果图。
图6是本发明实施例提供的嵌入容量为200bit，JPEG压缩因子控制在60，PSNR与误码率关系的效果图。
图7是本发明实施例提供的嵌入容量为200bit，JPEG压缩因子控制在80，PSNR与误码率关系的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数，依照用高频系数预测的块复杂度，将鲁棒可逆水印分别嵌入到中频系数的不同区域中。本发明可用于秘密信息的隐藏。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法包括以下步骤：
S101：利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数的高频部分进行块复杂度的预测；
S102：将水印信息嵌入到块复杂度高的中频鲁棒区域；
S103：将可逆信息嵌入到块复杂度低的中频可逆区域。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法具体包括以下步骤：
一、水印的嵌入
步骤一，读入原始JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
(1)对每块系数进行Z字形编排；
(2)选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分，分别用于嵌入鲁棒和可逆水印；
(3)将每个块中高频区域系数的绝对值相加计算块复杂度；
步骤三，第一阶段鲁棒水印嵌入：
(1)将所有块中中频区域系数的前1/2部分(也可以是1/3,1/4等)抽取出来整合在一起，并置乱；
(2)所要嵌入的水印有200比特，整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
(3)假设一个阈值T＝10和一个改变量δ＝1；若嵌入比特为‘0’，段中所有来自复杂块的中频系数减δ，此操作循环数次直到整个段系数总和小于-T；若嵌入比特为‘1’，段中所有来自复杂块的中频系数加δ，此操作循环数次直到整个段系数总和大于T；
此外，所有等于‘0’的系数均不做任何操作，因此需要将本来等于‘0’的系数和水印嵌入后等于‘0’的系数位置记录下来用以区分，并当作可逆水印的一部分。
步骤四，第二阶段可逆水印嵌入：
可逆水印由鲁棒水印嵌入时的改变量δ，每段嵌入水印时的循环次数，‘0’的位图和之后整合的集合中前16个最低有效位组成；而可逆水印嵌入操作则是一般的直方图平移的方法；
(1)将所有块复杂度低的块中中频区域系数的后1/2部分(也可以是2/3,3/4等)抽取出来整合在一起；
(2)整合可逆水印并进行无损压缩，记录压缩后的可逆水印的数量L。假设嵌入阈值T1＝1。这里L和T1为可逆水印嵌入的辅助信息，用LSB方法嵌入到整合出来的集合的前16个系数的最低有效位中；
(3)集合中剩余部分用作可逆水印嵌入，当系数大于T1或小于-T1时，则系数加或减T1+1，在直方图反映为向右或向左移动T1+1的位置，上述操作是为嵌入水印腾位置。当系数小于T1大于-T1且不等于0时，该系数用于嵌入水印，具体嵌入规则如下：当嵌入‘0’时，系数不做改变；当嵌入‘1’时，对于大于0的系数加T1+1，对于小于‘0’的系数减T1+1；
步骤六，重新整合嵌入水印的DCT系数，将其重新写入到JPEG图像中。
二、水印的提取及图像恢复过程(未受攻击)：
步骤一，读入JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
(1)对每块系数进行Z字形编排；
(2)选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分；
(3)将每个块中高频区域系数的绝对值相加计算块复杂度；
步骤三，提取可逆水印：
(1)将所有块复杂度低的块中中频区域系数后1/2部分(也可以是2/3,3/4等)抽取出来整合在一起；
(2)提取集合中前16个系数的最低有效位，转换为阈值T1和可逆水印数量L；
(3)集合中剩余部分用于提取可逆水印，具体操作如下：若系数小于T1大于-T1且不等于0，则水印为0；若系数小于-T1大于-2*T1-1，则水印为1，且将系数加T1+1作为还原；若系数大于T1小于2*T1+1，则水印为1，且将系数减T1+1作为还原；若系数小于-2*T1-1，将系数加T1+1作为还原；若系数大于2*T1+1，将系数减T1+1作为还原；
(4)将提取出的可逆水印解压缩，还原集合中前16个系数的最低有效位；
步骤四，提取鲁棒水印：
(1)将所有块中中频区域系数前1/2部分(也可以是1/3,1/4等)抽取出来整合在一起，并依照嵌入过程的置乱种子置乱；
(2)将整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
(3)计算每一段中的系数和，若大于0，则水印为‘1’，若小于0，水印为‘0’；将在可逆水印提取阶段的水印整理为‘0’位图和循环次数，用于每段系数恢复；恢复过程是嵌入过程的逆过程；
步骤五，重新整合恢复的DCT系数，将其重新写入到JPEG图像中。
三、水印的提取及图像恢复过程(受到攻击)：
步骤一，读入JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
(1)对每块系数进行Z字形编排；
(2)选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分；
步骤三，鲁棒水印提取
(1)将所有块中中频区域系数前1/2部分(也可以是1/3,1/4等)抽取出来整合在一起，并依照嵌入过程的置乱种子置乱；
(2)将整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
(3)计算每一段中的系数和，若大于0，则水印为‘1’，若小于0，水印为‘0’。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法，其特征在于，所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法利用JPEG压缩过程中量化后编码前的DCT系数的高频部分进行块复杂度的预测；水印信息嵌入到块复杂度高的中频鲁棒区域；可逆信息嵌入到块复杂度低的中频可逆区域；
所述水印信息嵌入具体包括：
（1）读入原始JPEG图像量化后的DCT系数分为不重复的8*8大小的块；
（2）将每块中的DCT系数划分为低中高频三个区域，利用高频区域的系数对块进行复杂度预测；
（3）将所有块中用于第一阶段鲁棒水印嵌入的中频区域部分系数整合并置乱，切成水印大小的等长度的段，利用每段中所有来自块复杂度高的系数，每段嵌入一比特的水印信息；
（4）鲁棒水印嵌入所用的参数转换为二进制形式；
（5）所有块复杂度低的块中用于可逆印嵌入的中频区域部分系数整合，利用直方图平移的方法可逆水印嵌入系数集合中；
（6）重新整合嵌入水印的DCT系数，写入到JPEG图像中；
所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法具体包括以下步骤：
一、水印的嵌入
步骤一，读入原始JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
（1）对每块系数进行Z字形编排；
（2）选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分，分别用于嵌入鲁棒和可逆水印；
（3）将每个块中高频区域系数的绝对值相加计算块复杂度；
步骤三，第一阶段鲁棒水印嵌入：
（1）将所有块中中频区域系数的前1/2、1/3或1/4部分抽取出来整合在一起，并置乱；
（2）所要嵌入的水印有200比特，整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
（3）假设一个阈值T=10和一个改变量δ=1；若嵌入比特为‘0’，段中所有来自复杂块的中频系数减δ，此操作循环数次直到整个段系数总和小于-T；若嵌入比特为‘1’，段中所有来自复杂块的中频系数加δ，此操作循环数次直到整个段系数总和大于T；
此外，所有等于‘0’的系数均不做任何操作，因此需要将本来等于‘0’的系数和水印嵌入后等于‘0’的系数位置记录下来用以区分，并当作可逆水印的一部分；
步骤四，第二阶段可逆水印嵌入：
可逆水印由鲁棒水印嵌入时的改变量δ，每段嵌入水印时的循环次数，‘0’的位图和之后整合的集合中前16个最低有效位组成；而可逆水印嵌入操作则是直方图平移的方法；
（1）将所有块复杂度低的块中中频区域系数的后1/2、1/3或1/4部分抽取出来整合在一起；
（2）整合可逆水印并进行无损压缩，记录压缩后的可逆水印的数量L；假设嵌入阈值T1=1；这里L和T1为可逆水印嵌入的辅助信息，用LSB方法嵌入到整合出来的集合的前16个系数的最低有效位中；
（3）集合中剩余部分用作可逆水印嵌入，当系数大于T1或小于-T1时，则系数加或减T1+1，在直方图反映为向右或向左移动T1+1的位置，上述操作是为嵌入水印腾位置；当系数小于T1大于-T1且不等于0时，该系数用于嵌入水印，具体嵌入规则如下：当嵌入‘0’时，系数不做改变；当嵌入‘1’时，对于大于0的系数加T1+1，对于小于‘0’的系数减T1+1；
步骤六，重新整合嵌入水印的DCT系数，将其重新写入到JPEG图像中；
二、在图像未受到攻击时，水印的提取及图像恢复过程：
步骤一，读入JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
（1）对每块系数进行Z字形编排；
（2）选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分；
（3）将每个块中高频区域系数的绝对值相加计算块复杂度；
步骤三，提取可逆水印：
（1）将所有块复杂度低的块中中频区域系数后1/2，2/3或3/4部分抽取出来整合在一起；
（2）提取集合中前16个系数的最低有效位，转换为阈值T1和可逆水印数量L；
（3）集合中剩余部分用于提取可逆水印，具体操作如下：若系数小于T1大于-T1且不等于0，则水印为0；若系数小于-T1大于-2*T1-1，则水印为1，且将系数加T1+1作为还原；若系数大于T1小于2*T1+1，则水印为1，且将系数减T1+1作为还原；若系数小于-2*T1-1，将系数加T1+1作为还原；若系数大于2*T1+1，将系数减T1+1作为还原；
（4）将提取出的可逆水印解压缩，还原集合中前16个系数的最低有效位；
步骤四，提取鲁棒水印：
（1）将所有块中中频区域系数前1/2，1/3或1/4部分抽取出来整合在一起，并依照嵌入过程的置乱种子置乱；
（2）将整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
（3）计算每一段中的系数和，若大于0，则水印为‘1’，若小于0，水印为‘0’；将在可逆水印提取阶段的水印整理为‘0’位图和循环次数，用于每段系数恢复；恢复过程是嵌入过程的逆过程；
步骤五，重新整合恢复的DCT系数，将其重新写入到JPEG图像中；
三、在图像受到攻击后，水印的提取及图像恢复过程：
步骤一，读入JPEG图像量化后的DCT系数并将其分为不重复的8*8大小的块；
步骤二，系数预处理：
（1）对每块系数进行Z字形编排；
（2）选取每块中除DC系数外的前1/4系数，中1/2系数，后1/4系数分别作为低中高频三个区域，并将中频区域系数分作前后两部分；
步骤三，鲁棒水印提取
（1）将所有块中中频区域系数前，1/3或1/4抽取出来整合在一起，并依照嵌入过程的置乱种子置乱；
（2）将整合出来的长串均切成200段，每一段内的系数来自图像的不同块；
（3）计算每一段中的系数和，若大于0，则水印为‘1’，若小于0，水印为‘0’。
2.一种使用权利要求1所述抗JPEG压缩的鲁棒可逆水印方法的数字电视广播系统。
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| 可逆图像水印鲁棒性的关键技术研究;赵哲;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑》;20160315;摘要及正文第3-4章 * |
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