CN108053359A - 一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法，包括以下步骤：步骤一，生成含有区块链的数据区块的水印；步骤二，将生成的含有区块链的数据区块的水印嵌入小波域水印；步骤三，提取和验证小波域水印；步骤四，更新区块链中的水印信息。本发明的图像中小波域水印的区块链嵌入方法中，通过利用区块数据区块生成水印序列，将区块链技术引入数字水印中，保证了图像本身的信息的安全性，不被任意攻击手段篡改水印信息；通过对水印中区块链数据区块的更新，使其在网络的传递过程中不被任意修改，无效网络中的攻击，确保传递过程中的信息安全。

Description

一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法

技术领域

本发明属于小波域水印技术领域，尤其涉及一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法。

背景技术

数字水印是一种具有较高效率且被广泛应用的信息安全保障方法，通过在图像中嵌入隐藏的标识信息达到保护版权、信息追踪等应用目的。水印的嵌入方式主要有两种，一种是在空域嵌入水印，一种是在变换域中嵌入水印。后者由于其方便的信息隐藏特点和对噪声、滤波的鲁棒性而被研究者和商业应用青睐。基于小波变换的数字水印技术表现尤为突出，又称之为小波域水印。小波域水印将图像分解多种尺度域，在衡量局部频域特征与全局频域特征的基础上，将对图像的变换以小波系数矩阵来表示，这些系数矩阵信可通过高效率的压缩算法进行较大容量的存储。变换域嵌入的大量信息也为水印的攻击提供了目标，使得针对变换域的水印攻击手段随应用领域增加呈现复杂的变化，严重影响数字水印本身的安全性与可跟踪性。

现有的小波域水印嵌入方法主要包括三个阶段：首先，将图像数据作为二维信号进行小波变换，得到低频子带图像、中频子带图像和高频子带图像；接着，为不影响视觉效果，选择中频子带或高频子带的系数矩阵里嵌入标识信息作为水印；最后，使用小波变换后低频子带图像的系数矩阵，以及嵌入信息后的中、高频子带系数矩阵进行小波反变换，重新构造出带有水印信息的图像数据。

上述过程具体描述如下：

首先，产生水印：利用现有的标识信息作为水印的一部分嵌入到图像中。在此之前需要经过加密算法的预处理，如位分解等。

接着，嵌入水印：小波水印的嵌入需要首先对二维图像进行小波变换，得到高、中、低三个频域子带，三个子带在视觉上不会直接显示在图像中，使得水印信息具有隐蔽性。由于低频子带本身携带信息较少，少量的增加会大幅度更改反变换后得到原图的视觉效果。所以选择在中频子带和高频子带中嵌入水印。设预处理后的水印信号是为L，其序列为L(l1，l2，l3，l4，……ln)，其中li(i＝1，2，…，n)为水印序列的集合，其大小由所包含的信息量决定。选定高频子带作为嵌入水印的对象，这里我们采用固定阈值的嵌入方法。之外还有固定方差、分布函数等方法。设定阈值S，选择小波变换的高频子带系数矩阵H的数值hi，如果该数值大于阈值S，则在这个值与水印信号L的元素li相加，得到新的矩阵vi，若系数矩阵的数值hi小于阈值S，则矩阵H中的元素hi保持不变。vi的集合即V＝(v1，v2，v3…vn)为嵌入水印后的矩阵，用矩阵V代替矩阵H，重构二维图像即得到带有水印的数字图像。

最后，验证水印：将原始二维图像与嵌入水印后的数字图像同时进行小波变换，对得到的小波系数矩阵进行比较可得到预处理后的水印编码。对该编码进行发解码操作即可得到原始水印信息，根据此信息可判定图像中的水印是否被篡改。

图像的小波域水印是当前主流的变换域数字水印技术之一，被广泛应用于电子影像的版权保护、网络传播中图像内容的完整性保护，电子票据的防伪与信息隐藏等众多领域。

然而，现有小波域水印具有易被攻击、无法保持完整追踪的缺点，针对数字水印的不同应用产生了多种多样的攻击手段，它们会造成小波系数的不同幅度改变，进而恶意篡改、破坏水印，导致水印提取失败，严重影响了数字水印的可靠性与安全性，将会对应用领域造成巨大的经济损失。水印本身易被攻击，导致信息被篡改。含有水印的数字图像在网络中传递的过程中要么保持原有信息，使得其无法追踪其信息来源；要么增加了时间戳信息，但增加的信息同样在传递中会被网络攻击，个别时间戳的损害造成整个时间戳的错乱导致整个传递路径的失败，无法进行追踪。

此外，现有的数字水印中包含的标识信息在商务交易、网上传递过程中虽保持了来源的准确性，但单个阶段的时间戳信息被更改会导致整个用户追踪的失败。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法。

为实现上述目的，本发明的图像中小波域水印的区块链嵌入方法的具体技术方案如下：

一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法，包括以下步骤：步骤一，生成含有区块链的数据区块的水印；步骤二，将生成的含有区块链的数据区块的水印嵌入小波域水印；步骤三，提取和验证小波域水印；步骤四，更新区块链中的水印信息。

进一步，在步骤一中，采用区块链的数据区块和链式结构作为水印的内容，其中数据区块的内容包括分隔符、区块大小、区块头部信息、交易计数和交易详情。

进一步，在步骤二中，嵌入的宿主对象为小波变换的系数矩阵，嵌入的位置为中高频系数矩阵。

进一步，步骤二中嵌入小波域水印包括以下步骤：首先，输入二维图像的原始像素数据矩阵Pixs；接着，对数据矩阵Pixs进行二维离线小波变换，保留其低频子带和三个方向的高频子带系数矩阵HL、LH、HH；接着，选择小波变换后的三个高频子带系数矩阵，根据区块链信息量的大小确定阈值，若矩阵HL、矩阵LH、矩阵HH中的元素大于阈值，则为该元素增加水印的一个序列li，生成新的矩阵系数为HLvi、LHvi、HHvi，否则保持其值不变；最后，使用小波分解的低频系数和系数矩阵HLvi、LHvi、HHvi进行小波反变换，得到新的图像数据矩阵PixsV，从而得到加入水印后的图像。

进一步，在进行小波变换前，进行分层操作，把图像分为独立的子层或子图像，然后对每一个子层或子图像进行变换，分解的层次根据嵌入的信息量和视觉效果要求而确定。

进一步，步骤三中，将原始二维图像像素数据矩阵和带有水印的图像像素数据矩阵同时进行小波变换，筛选出其中的三方向高频系数矩阵，经过嵌入的逆向运算得到两个矩阵的差异，比较两个矩阵元素值的大小，根据相关性确定图像中是否含有水印，以及水印中区块链的数据区块的信息，以唯一确定水印信息的正确性。

进一步，在步骤四中，更新过程包括提取水印、修改数据块、生成新的水印，在区块链中数据区块之间信息的传递过程中，通过修改水印序列中数据区块的内容来更新水印信息，从而完成图像中水印信息的更新。

进一步，在步骤四中，区块链中数据区块之间通过网络进行信息交流，每个数据区块节点具备接受和发送信息的功能，当超半数的数据区块节点都通过更改时，通过修改水印序列中数据区块的内容来更新水印信息。

本发明将区块链技术嵌入数字水印中，即在数字水印中引入区块链的数据区块，区块链技术是一种分布式的去中心化的共享记账技术，其使用多个节点的统一共识机制代替传统的中心化代理机制保障其不可篡改的特性，使其的每一次传递都携带专属区块链标识信息，嵌入区块链的水印具备区块链技术的分布式系统的特性，恶意篡改其信息，需要付出巨大的计算成本，因此几乎无法被修改。在信息追踪方面，其携带的区块链信息为链式结构，且使用唯一的匿名标识符，单个时间戳的更改不会更新整条记录，保持了信息的完整性。

由此，本发明不仅保护了图像本身的标识信息，而且避免了图像在传播过程中被恶意篡改标识信息的可能，各个节点依靠彼此之间的信息广播来互相配合完成区块链的账本维护，是一种信息安全技术，实现了信息本身的安全保障与信息传递时的内容保护。

本发明的图像中小波域水印的区块链嵌入方法主要具备以下优点：

1)通过利用区块数据区块生成水印序列，将区块链技术引入数字水印中，保证了图像本身的信息的安全性，不被任意攻击手段篡改水印信息；

2)通过对水印中区块链数据区块的更新，使其在网络的传递过程中不被任意修改，无效网络中的攻击，确保传递过程中的信息安全。

附图说明

图1为本发明的图像中小波域水印的区块链嵌入方法的流程图；

图2为本发明的小波域水印中嵌入的数据区块的内容示意图；

图3为本发明的生成小波域水印的流程图；

图4为本发明的嵌入小波域水印的流程图；

图5为本发明的小波域水印的区块链更新流程图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的图像中小波域水印的区块链嵌入方法做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明提供了一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法，以实现在小波域水印中嵌入区块链数据区块，该方法主要利用二维图像的小波变换系数矩阵隐藏区块链的数据区块信息，使得水印不可见，水印中的隐藏信息由区块链的分布式系统进行更新，区块链记录的不可更改性保证了水印本身及其传递过程中的信息安全。

该图像中小波域水印的区块链嵌入方法包括以下步骤：

步骤一，生成含有区块链的数据区块的水印；

步骤二，将生成的含有区块链的数据区块的水印嵌入小波域水印；

步骤三，提取和验证小波域水印；

步骤四，更新区块链中的水印信息。

小波域水印基于二维图像的小波变换，利用中高频较强信号去掩盖频域中插去的较弱水印信号，达到掩盖水印等标识信息的目的，区块链中需要加入水印的信息包括数据区块和链式结构。

如图2-3所示，在“生成含有区块链数据区块水印”的步骤一中，采用区块链的数据区块和链式结构作为水印的内容，其中数据区块的结构包括分隔符、区块大小、区块头部信息、交易计数和交易详情。其中，分隔符占4个字节，其值为0xD9B4BEF9；区块大小占4个字节，为当前区块所占空间；区块头部信息占80个字节，记录了当前区块的头部信息，其哈希值是下一个新区块的参数；交易计数所占字节为1-9个，记录当前区块的交易总数；交易详情记录所占空间不能随意增加，因水印的信息不能任意增加，防止影响其可隐藏性，水印生成的整体流程如图3所示。

生成的水印信息用L标识，其序列为L(l1，l2，l3，l4，……ln)，其中li(i＝1，2，…，n)为水印序列的集合，其大小由区块链数据区块的信息量决定。

图3所示的流程与现有的区块链不同，一般的水印生成前会对其进行加密处理，即利用密钥算法，如位分解、m序列等做处理，这里不限定其加密方法。此外，为方便运算，现有的水印会选择服从数学分布的随机序列，如高斯噪声等，或者直接选择具有视觉意义的图形、图像。

如图4所示，在“嵌入小波域水印”的步骤二中，小波域水印的嵌入内容如图2所示，嵌入的宿主对象为小波变换的系数矩阵，嵌入的位置为中高频系数矩阵，由于区块链的数据区块内容信息量较大，在阈值选择时应结合区块链内容量来决定。

如图4所示，小波域水印的具体嵌入步骤如下：首先，输入二维图像的原始像素数据矩阵Pixs；接着，对矩阵Pixs进行二维离线小波变换，保留其低频子带和三个方向的高频子带系数矩阵HL、LH、HH；接着，选择小波变换后的三个高频子带系数矩阵，使用固定阈值法加入水印，即根据区块链信息量的大小，确定一个阈值S，如果矩阵HL、矩阵LH、矩阵HH中的元素大于S，则为这个元素增加水印的一个序列li，生成新的矩阵系数为为HLvi、LHvi、HHvi，否则保持其值不变；最后，使用小波分解的低频系数和系数矩阵HLvi、LHvi、HHvi进行小波反变换，得到新的图像数据矩阵PixsV，即加入水印后的图像。

优选地，在进行小波变换前，可进行分层操作，把图像分为独立的子层或子图像，然后对每一个子层或子图像进行变换，分解的层次一般视嵌入的信息量和对视觉效果的要求有关。

进一步，在“提取和验证小波域水印”的步骤三中，将原始二维图像像素数据矩阵和带有水印的图像像素数据矩阵同时进行小波变换，筛选出其中的三方向高频系数矩阵，经过嵌入的逆向运算可得到其矩阵的差异，比较二者矩阵元素值的大小，根据其相关性可知图像中是否含有水印，以及水印中区块链的数据区块的信息，从而可唯一确定其正确性。

如图5所示，在“更新区块链中水印信息”的步骤四中，图像中水印信息的更新主要指水印序列的更新，可通过修改水印序列中数据区块的内容实现，每一个区块链中数据区块信息的修改通过节点之间的信息交流实现，含有一个区块链数据区块的水印图像可看作一个节点，其每一次传递过程中都会更新其数据区块信息，进而更新水印信息。更新过程须通过提取水印、修改数据块、生成新的水印三个步骤实现。在提取水印过程中，若之前有加密的预处理操作，需要先进行解密才行。

节点之间的信息交流通过区块链的网络实现，每个节点可以同时接受和发送信息，他们共同维护一个区块以及决定是否对一个新的更改进行更新，只有当大多数的节点都通过更改时才会更改，所以其所携带的信息难以被随意修改，若有外部攻击篡改水印信息，则必须重新计算所有交易发生的过程，由于区块链的运行机制，导致整个过程的重新计算是几乎不可能的。

本发明将区块链的数据区块域引入水印中，使之成为整个区块链的一条记录，其本身携带的交易信息不能被轻易修改。随着交易记录的增加，破解的计算成本成级数增加到一个庞大的不可解的量级，保证了水印本身不被攻击。与此同时，本发明在水印的编码中加入区块链数据区块域，使之在网络的传递中不断更新数据区块域，一旦传递的个别环节遭到篡改，由于区块链的分布式特性，单条信息的修改不会影响正确的数据记录，从而保证了水印在传递过程中的正确性。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，生成含有区块链的数据区块的水印；

步骤二，将生成的含有区块链的数据区块的水印嵌入小波域水印；

步骤三，提取和验证小波域水印；

步骤四，更新区块链中的水印信息。

2.根据权利要求1所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，步骤一中，采用区块链的数据区块和链式结构作为水印的内容，其中数据区块的内容包括分隔符、区块大小、区块头部信息、交易计数和交易详情。

3.根据权利要求1所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，步骤二中，嵌入的宿主对象为小波变换的系数矩阵，嵌入的位置为中高频系数矩阵。

4.根据权利要求3所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，步骤二中嵌入小波域水印包括以下步骤：

首先，输入二维图像的原始像素数据矩阵Pixs；

接着，对数据矩阵Pixs进行二维离线小波变换，保留其低频子带和三个方向的高频子带系数矩阵HL、LH、HH；

接着，选择小波变换后的三个高频子带系数矩阵，根据区块链信息量的大小确定阈值，若矩阵HL、矩阵LH、矩阵HH中的元素大于阈值，则为该元素增加水印的一个序列li，生成新的矩阵系数为HLvi、LHvi、HHvi，否则保持其值不变；

最后，使用小波分解的低频系数和系数矩阵HLvi、LHvi、HHvi进行小波反变换，得到新的图像数据矩阵PixsV，从而得到加入水印后的图像。

5.根据权利要求4所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，在进行小波变换前，进行分层操作，把图像分为独立的子层或子图像，然后对每一个子层或子图像进行变换，分解的层次根据嵌入的信息量和视觉效果要求而确定。

6.根据权利要求1所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，步骤三中，将原始二维图像像素数据矩阵和带有水印的图像像素数据矩阵同时进行小波变换，筛选出其中的三方向高频系数矩阵，经过嵌入的逆向运算得到两个矩阵的差异，比较两个矩阵元素值的大小，根据相关性确定图像中是否含有水印，以及水印中区块链的数据区块的信息，以唯一确定水印信息的正确性。

7.根据权利要求1所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，在步骤四中，更新过程包括提取水印、修改数据块、生成新的水印，在区块链中数据区块之间信息的传递过程中，通过修改水印序列中数据区块的内容来更新水印信息，从而完成图像中水印信息的更新。

8.根据权利要求7所述的图像中小波域水印的区块链嵌入方法，其特征在于，在步骤四中，区块链中数据区块之间通过网络进行信息交流，每个数据区块节点具备接受和发送信息的功能，当超半数的数据区块节点都通过更改时，通过修改水印序列中数据区块的内容来更新水印信息。