CN111640052B - 一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法 - Google Patents

一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法 Download PDF

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CN111640052B CN202010441258.0A CN202010441258A CN111640052B CN 111640052 B CN111640052 B CN 111640052B CN 202010441258 A CN202010441258 A CN 202010441258A CN 111640052 B CN111640052 B CN 111640052B
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Abstract

本发明公开了一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，主要分为水印嵌入和提取两部分；嵌入过程为：1)载体图像预处理；2)提取载体图像中的Y通道；3)为水印图像添加标记码并将其转化为二值序列；4)将载体图像分块，并分别对每一个图像块进行DCT变换；5)修改嵌入的DCT系数；6)对图像块做DCT逆变换，并合并三个色彩通道生成含水印图像；提取过程为：1)待检测图像预处理；2)提取待检测图像中的Y通道；3)基于标记码的图像恢复；4)将恢复后的图像分块，并对每个分块做DCT变换；5)从分块中提取水印信息。本发明不仅能够较好的抵抗常见水印攻击，而且拥有较高的隐藏容量。

Description

一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法
技术领域
本发明属于信息安全领域。
背景技术
由于网络技术的快速且广泛的发展，数字信息可以在无质量损失、低成本和即时交付的情况下进行分发。由于消费者对知识产权的认识不足，多媒体内容的保护成为近年来的一个重要课题。人们在通过网络发布软件、文本文件、多媒体作品时，希望能够有效地保护自己的作品版权，防止他人对信息进行非法复制、传播以及篡改。因此，数字水印技术应运而生。数字水印技术是将水印信息插入到其原始数字内容的同时不妨碍用户使用的一项技术。
近几年，学术界相继提出了很多数字水印方法。基于空间域的数字水印方案被率先提出，它具有算法简单、不可见性强、嵌入容量大的特点。但是，基于空间域的算法的鲁棒性比较差，在对鲁棒性要求比较高的数字水印领域有一定的局限性。因此，基于频率域的数字水印算法受到了广泛的关注，它对网络传输过程中经常面临的压缩攻击和噪声类攻击具有良好的抵抗力，其中基于DCT系统的水印算法具有鲁棒性较好，计算复杂度相对较低等优点，这类方法成为了一种常用的水印嵌入算法。但是现有的数字水印技术依然有以下几个技术难题：
1)现有的数字水印方法大多对常见噪声类信号处理攻击表现出较好的鲁棒性，但是抵抗旋转、缩放、裁剪等几何去同步攻击的能力依然不足，这就造成含水印图像受到几何攻击后水印提取困难的问题。
2)现有的数字水印方法不能很好的平衡水印容量和鲁棒性之间的关系，鲁棒性强的算法的水印容量都比较小，而水印容量大的算法的鲁棒性又不够理想。
发明内容
发明目的：为解决现有技术对抵抗几何去同步攻击能力不足等问题，本发明提供了一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法。
技术方案：本发明提供了一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，其特征在于，包括水印嵌入和水印提取两个过程；
所述水印嵌入具体包括如下步骤：
步骤1：将载体图像缩放到固定的尺寸a×b；
步骤2：将缩放后的载体图像的色彩空间转化为YCrCb空间，并提取Y通道，在Y通道中嵌入水印信息；
步骤3：将水印信息转换为含水印信息的二值水印图像，然后对该二值水印图像添加标记码，并将添加标记码的二值水印图像转换为比特流W，W＝{wk|wk∈{0，1}，k＝0，1，2，...，M}，其中wk表示比特流中第k个比特信息，M表示水印信息的总比特数；
步骤4：将Y通道分成M块图像，每块图像均为8像素*8像素，第k块图像与比特流中第k个比特信息相对应，分别对每块图像进行DCT变换，得到每块图像上每个坐标点的DCT系数的集合，将该集合作为该块图像的DCT系数矩阵；
步骤5：将(m1，n1)作为每个DCT系数矩阵的参照点坐标，将(m2，n2)作为每个DCT系数矩阵的嵌入点坐标；根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数，从而得到第k块图像的新DCT系数矩阵；其中，m1∈[0，7]，m2∈[0，7]，n1∈[0，7],n2∈[0，7]；
步骤6：对每一个新DCT系数矩阵进行DCT逆变换，得到新的图像块，将M个新的图像块合并成Y通道，并将Y通道与Cr、Cb通道合并，最后将合并后的图像恢复成原尺寸；
所述水印提取具体包括如下步骤：
步骤A：对待检测图像进行缩放，缩放后的尺寸为a1×b1；
步骤B：将缩放后的待检测图像的色彩空间转化为YCrCb空间，并提取Y通道；
步骤C：检测Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度，若相似度大于等于预设的阈值，则转步骤D；否则检测该待检测图像遭受到的攻击类型，根据攻击类型对待检测图像的Y通道进行恢复，若恢复后的Y通道中标记码与载体图像中的标记码的相似度大于等于预设的阈值，则转步骤D；否则在预设的缩放参数组中重新选择一组缩放参数，再对原尺寸的待检测图像进行缩放，并转步骤B；若遍历所有缩放参数，Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度仍然小于预设的阈值，则停止水印提取；
步骤D：将Y通道图像分成M块图像，每块图像均为8像素*8像素，并对每块图像做DCT变换，得到每块图像的DCT系数矩阵；
步骤E：比较每个DCT系数矩阵中的参照点(m1，n1)与嵌入点(m2，n2)的DCT系数，从而得到每个DCT系数矩阵对应的比特信息，并将所有比特信息汇成比特流，最后将整个比特流转为水印图像。
进一步的，所述步骤4和步骤D中得到每块图像的DCT系数矩阵，具体方法为：
Figure BDA0002504104410000031
其中，Ck(m，n)为第k个DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数，m＝0，1，2，...，7，n＝0，1，2，...，7；
Bk(i，j)为在第k块图像中坐标点(i，j)的像素值，i＝0，1，2，...，7,j＝0，1，2，...，7，
Figure BDA0002504104410000032
Figure BDA0002504104410000033
所述步骤6中对每一个DCT系数矩阵进行DCT逆变换,具体为：
Figure BDA0002504104410000034
其中B′k(i，j)为第k块新的图像中坐标为(i，j)的点的像素值，C′k(m，m)为第k个新DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数。
进一步的，所述步骤5中根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数，具体为：
Figure BDA0002504104410000035
其中Ck(m1，n1)为在第k个DCT系数矩阵中参照点对应的DCT系数，Ck(m2，n2)为在第k个DCT系数矩阵中嵌入点的DCT系数，C′k(m2，n2)为第k个新DCT系数矩阵中的嵌入点的DCT系数，p为嵌入强度。
进一步的，所述步骤E中：若待检测图像的第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数大于该矩阵的参照点的DCT系数，则第k个比特信息为w′k＝1；否则w′k＝0。
进一步的，所述步骤3中对二值水印图像添加标记码的具体方法为：以二值水印图像为中心向二值水印图像的左、右分别扩充l1个像素，上、下分别扩充l2个像素；在二值水印图像左上角的区域U1＝{(x，y)|x∈(0，l2)，y∈(0，l1)}、右上角的区域U2＝{(x，y)|x∈(0，l2)，y∈(l1+a′，a/8)}以及左下角的区域
Figure BDA0002504104410000036
Figure BDA0002504104410000037
添加像素值均为0的图像块，再用像素值均为255的图像块填充图像的剩余区域，其中
Figure BDA0002504104410000041
a′为水印图像的高，b′水印图像的宽。
有益效果：
(1)本发明设计的一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，该方法中嵌入点和参照点都在图像中，因此在提取的时候不需要原始图像的参与，实现了盲提取。
(2)由于DCT低频系数表达图像轮廓信息，水印嵌入低频会影响水印不可见性；而高频DCT系数描述图像的细节信息但容易受到图像攻击的影响，水印嵌入高频将会影响水印鲁棒性；本发明将水印信息嵌入到DCT中频系数，实现了水印不可见性和鲁棒性较好的平衡。
(3)传统数字水印方法直接嵌入水印信息的比特流，所以当含水印图像受到噪声类攻击后，信息提取会有一定的误差，这将会影响水印信息的恢复，而本发明将水印信息转换为水印图像，然后将水印图像的比特流信息嵌入载体图像中，即使图像中部分像素点的值被修改，也依然能识别出水印内容，因此本发明能容纳一定程度的提取误差。
(4)本发明中添加了标记码，可以通过提取和比较标记码，将待检测图像恢复到与原图像几何一致，然后提取水印，因此本发明可以提高抵抗几何去同步攻击的鲁棒性。
(5)本发明基于分块的DCT变换，不仅实现了鲁棒性和水印容量较好的平衡，而且在损失小部分的水印容量的同时大大地提高对几何去同步攻击的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的嵌入阶段的流程图；
图2为本发明的提取阶段的流程图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
本实施例提供一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，该方法包括嵌入阶段和提取阶段；
水印嵌入：本实施例把水印信息和标记码转换为二值图像，然后将二值图像的比特信息嵌入到相应的DCT块中，如图1所示，其具体步骤如下：
步骤1：载体图像预处理：将载体图像缩放到固定的尺寸a×b，
步骤2：提取载体图像中的Y通道：将色彩空间转化为YCrCb空间，并将三个通道分离，在图像的Y通道中嵌入水印信息。
步骤3：为水印图像添加标记码并将转化为二值序列：先将字符(水印信息)转换为含字符信息的灰度水印图像，并预处理为分辨率为64×64的水印图像E。根据水印图图像和载体图像的尺寸，对水印图像添加标记码。然后以一定的阈值将含标记码的水印图像转换为一个二值序列W＝{wk|wk∈{0，1}，k＝0，1，2，...，M},wk表示比特流中第k个比特信息,M表示水印信息的总比特数。
步骤4：为了提高DCT变换的效率，将载体图像分块进行DCT变换，其具体步骤为：将Y通道分成M块图像，每块图像均为8像素*8像素，第k块图像与比特流中第k个比特信息相对应，分别对每块图像进行DCT变换，得到每块图像上每个坐标点的DCT系数的集合，将该集合作为该块图像的DCT系数矩阵。
步骤5：将(m1，n1)作为每个DCT系数矩阵的参照点坐标，将(m2，n2)作为每个DCT系数矩阵的嵌入点坐标；根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数，从而得到第k块图像的新DCT系数矩阵；其中，m1∈[0，7]，m2∈[0，7]，n1∈[0，7],n2∈[0，7]。
步骤6：对每一个新DCT系数矩阵进行DCT逆变换，得到新的图像块，将M个新的图像块合并成Y通道，并将Y通道与Cr、Cb通道合并，最后将合并后的图像恢复成原尺寸。
水印提取：本实施例中水印提取的过程与水印嵌入基本相似，如图2所示，其具体过程如下：
步骤A：将待检测图像缩放到固定的尺寸a1×b1。
步骤B：提取待检测图像中的Y通道：与水印嵌入步骤2相同，得到待检测图像的Y通道图像I。
步骤C：检测Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度，若相似度大于预设的阈值，并转步骤D；否则检测该待检测图像遭受到的攻击类型，根据攻击类型对待检测图像的Y通道进行恢复，使恢复后的Y通道中标记码与载体图像中的标记码的相似度大于预设的阈值，并转步骤D；否则在预设的缩放参数组中重新选择一组缩放参数，再对原始的待检测图像进行缩放，并转步骤B；若以上尝试均不奏效(若遍历所有缩放参数，Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度仍然小于预设的阈值)，则说明该图片中不含水印或水印遭到不可逆破坏，停止该提取过程；
步骤D：为了提高DCT变换的效率，将恢复后的待检测图像的Y通道图像分成M块图像，每块图像均为8像素*8像素，并对每块图像做DCT变换，得到每块图像的DCT系数矩阵；
步骤E：比较每个DCT系数矩阵中的参照点(m1，n1)与嵌入点(m2，n2)的DCT系数，从而得到每个DCT系数矩阵对应的比特信息，并将所有比特信息汇成比特流，最后将整个比特流转为水印图像。
优选的，本实施例中，a＝1280，b＝960。
优选的，所述在水印图像中添加标记码的具体方法为：以水印图像为中心向其左右分别扩充l1个像素，向上下分别扩充l2个像素，使水印图像分辨率调整为
Figure BDA0002504104410000061
然后在其左上角的区域U1＝{(x，y)|x∈(0，l2)andy∈(0，l1)}、右上角的区域U2＝{(x，y)|x∈(0，l2)and y∈(l1+a′，a/8)}以及左下角的区域U3＝{(x，y)|x∈(l2+b′，b/8)andy∈(0，l1)}添加像素值均为0的图像块，再用像素值均为255的图像块填充图像的剩余区。这样就得到了一张含标记码的水印图像M*,该图像中第(X，Y)个像素M*(X，Y)表示为
Figure BDA0002504104410000062
其中
Figure BDA0002504104410000063
a′为水印图像的高，b′水印图像的宽。
优选的，本实施例中阈值设为150，即M＝150，图像转换为二值序列的过程如下：
Figure BDA0002504104410000064
优选的，所述步骤4和步骤D中：得到每块图像的DCT系数矩阵，具体方法为：
Figure BDA0002504104410000065
其中，Ck(m，n)为第k个DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数，m＝0，1，2，...，7，n＝0，1，2，...，7；Ck为第k个DCT系数矩阵。
Bk(i，j)为在第k个图像块中坐标点(i，j)的像素值，i＝0，1，2，...，7,j＝0，1，2，...，7，
Figure BDA0002504104410000066
优选的，步骤5中在根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数：
Figure BDA0002504104410000071
其中Ck(m1，n1)为在第k个DCT系数矩阵中参照点对应的DCT系数，Ck(m2，n2)为在第k个DCT系数矩阵中嵌入点的原DCT系数，C′k(m2，n2)为第k个新DCT系数矩阵中的嵌入点的DCT系数，p为嵌入强度，本实施例中p＝50。C′k为第k个新DCT系数矩阵。
优选的，所述步骤6中对分块做DCT逆变，具体为：
Figure BDA0002504104410000072
其中B′k(i，j)为第k个新的图像块中坐标为(i，j)的点的像素值，C′k(m，m)为第k个新DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数。
优选的，所述步骤C中基于标记码的图像恢复：由于图像在网络传输中有可能受到缩放，裁剪等几何去同步攻击，导致难以对水印信息进行盲检测。为了解决此问题可以对待检测图像的Y通道图像I进行几何恢复Tω，得到恢复后的图像I′，
I′＝Tω(I)，ω∈Ω
其中ω＝(θ，μ，σ）表示一个包含旋转角度θ、缩放比例μ、图像位移σ三种不同类型组合几何变换的参数向量，Ω表示所有变换类型的集合。然后对含有标记码的图像区域提取信息，得到待检测图像的部分标记码c′。当提取的标记码c′与原标记码c相似度大于一定阈值时，则说明该此恢复的图像与原图像几何一致，此时提取的水印也和原水印接近。如果c与c′的相似度始终小于这个阈值，那么返回步骤A选择另一种变换参数。因此，通过对待检测图像的Y通道进行多次变换，得到可以使c与c′相似度最高时的变换模式ω*，之后根据变换类型为ω*进行图像恢复
Figure BDA0002504104410000074
得到恢复后的待检测图像的Y通道图像I*。由上文所述，水印恢复过程可表示为：
Figure BDA0002504104410000073
Figure BDA0002504104410000075
其中I*为恢复后的待检测图像的Y通道图像，Ext表示提取。
优选的，步骤E中比较每个DCT系数矩阵中的参照点(m1，n1)与嵌入点(m2，n2)的DCT系数，从而得到每个DCT系数矩阵对应的比特信息，具体方法为：若待检测图像的第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数大于该矩阵的参照点的DCT系数，则第k个比特信息为w′k＝1；否则w′k＝0。
本实施例中步骤1和步骤A中分别在嵌入和提取开始前，本实施例通过实施缩放操作使得在提取过程中，每个待提取的图像块和检索区域保持同步，从而有效抵御缩放攻击。
本实施例中嵌入了标记码，并以标记码作为判断攻击类型的主要依据。针对可能受到的旋转、裁剪、位移等不同类型几何攻击进行图像恢复，当提取的标记码与原标记码相似度达到一定阈值时，可推断受到了该攻击，此时恢复后的图像与原图像几何一致，满足水印提取条件。

Claims (4)

1.一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，其特征在于，包括水印嵌入和水印提取两个过程；
所述水印嵌入具体包括如下步骤：
步骤1：将载体图像缩放到固定的尺寸a×b；
步骤2：将缩放后的载体图像的色彩空间转化为YCrCb空间，并提取Y通道，在Y通道中嵌入水印信息；
步骤3：将水印信息转换为含水印信息的二值水印图像，然后对该二值水印图像添加标记码，并将添加标记码的二值水印图像转换为比特流W，W＝{wk|wk∈{0，1}，k＝0，1，2，...，M}，其中wk表示比特流中第k个比特信息，M表示水印信息的总比特数；
步骤4：将Y通道分成M块图像，每块图像均为8像素＊8像素，第k块图像与比特流中第k个比特信息相对应，分别对每块图像进行DCT变换，得到每块图像上每个坐标点的DCT系数的集合，将该集合作为该块图像的DCT系数矩阵；
步骤5：将(m1，n1)作为每个DCT系数矩阵的参照点坐标，将(m2，n2)作为每个DCT系数矩阵的嵌入点坐标；根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数，从而得到第k块图像的新DCT系数矩阵；其中，m1∈[0，7]，m2∈[0，7]，n1∈[0，7]，n2∈[0，7]；
步骤6：对每一个新DCT系数矩阵进行DCT逆变换，得到新的图像块，将M个新的图像块合并成Y通道，并将Y通道与Cr、Cb通道合并，最后将合并后的图像恢复成原尺寸；
所述水印提取具体包括如下步骤：
步骤A：对待检测图像进行缩放，缩放后的尺寸为a1×b1；
步骤B：将缩放后的待检测图像的色彩空间转化为YCrCb空间，并提取Y通道；
步骤C：检测Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度，若相似度大于等于预设的阈值，则转步骤D；否则检测该待检测图像遭受到的攻击类型，根据攻击类型对待检测图像的Y通道进行恢复，若恢复后的Y通道中标记码与载体图像中的标记码的相似度大于等于预设的阈值，则转步骤D；否则在预设的缩放参数组中重新选择一组缩放参数，再对原尺寸的待检测图像进行缩放，并转步骤B；若遍历所有缩放参数，Y通道中的标记码与载体图像中的标记码的相似度仍然小于预设的阈值，则停止水印提取；
步骤D：将Y通道图像分成M块图像，每块图像均为8像素＊8像素，并对每块图像做DCT变换，得到每块图像的DCT系数矩阵；
步骤E：比较每个DCT系数矩阵中的参照点(m1，n1)与嵌入点(m2，n2)的DCT系数，从而得到每个DCT系数矩阵对应的比特信息，并将所有比特信息汇成比特流，最后将整个比特流转为水印图像；
所述步骤3中对二值水印图像添加标记码的具体方法为：以二值水印图像为中心向二值水印图像的左、右分别扩充l1个像素，上、下分别扩充l2个像素；在二值水印图像左上角的区域U1＝{(x，y)|x∈(0，l2)，y∈(0，l1)}、右上角的区域U2＝{(x，y)|x∈(0，l2)，y∈(l1+a′，a/8)}以及左下角的区域
Figure FDA0002768351230000027
添加像素值均为0的图像块，再用像素值均为255的图像块填充图像的剩余区域，其中
Figure FDA0002768351230000021
Figure FDA0002768351230000022
a′为水印图像的高，b′水印图像的宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，其特征在于，所述步骤4和步骤D中得到每块图像的DCT系数矩阵，具体方法为：
Figure FDA0002768351230000023
其中，Ck(m，n)为第k个DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数，m＝0，1，2，...，7，n＝0，1，2，...，7；
Bk(i，j)为在第k块图像中坐标点(i，j)的像素值，i＝0，1，2，...，7，j＝0，1，2，...，7，
Figure FDA0002768351230000024
Figure FDA0002768351230000025
所述步骤6中对每一个DCT系数矩阵进行DCT逆变换，具体为：
Figure FDA0002768351230000026
其中B′k(i，j)为第k块新的图像中坐标为(i，j)的点的像素值，C′k(m，m)为第k个新DCT系数矩阵中坐标为(m，n)的点的DCT系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，其特征在于，所述步骤5中根据第k块图像对应的比特信息，修改第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数，具体为：
Figure FDA0002768351230000031
其中Ck(m1，n1)为在第k个DCT系数矩阵中参照点对应的DCT系数，Ck(m2，n2)为在第k个DCT系数矩阵中嵌入点的DCT系数，C′k(m2，n2)为第k个新DCT系数矩阵中的嵌入点的DCT系数，p为嵌入强度。
4.根据权利要求1所述的一种基于标记码的鲁棒大容量数字水印方法，其特征在于，所述步骤E中：若待检测图像的第k个DCT系数矩阵的嵌入点的DCT系数大于该矩阵的参照点的DCT系数，则第k个比特信息为w′k＝1；否则w′k＝0。
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