CN112233006A - 一种数字水印嵌入方法和系统、提取方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字水印嵌入方法和系统、提取方法和系统，其嵌入方法包括如下步骤：获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；将载体图像进行分块并进行DCT变换；将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。本发明首先利用QR的原理结构进行压缩，降低了嵌入水印的信息量；同时，本方法实现的水印在不可感知性上，和抵抗裁剪、几何攻击、各种噪声的多重攻击上都具有较好的鲁棒性，也可以用于抵抗屏摄的攻击。

Description

一种数字水印嵌入方法和系统、提取方法和系统

技术领域

本发明涉及数字水印领域，特别涉及一种数字水印嵌入方法和系统、提取方法和系统。

背景技术

目前，随着各种计算机数据交换技术特别是网络技术的迅速发展，各种多媒体信息的交换与传递变得非常方便与快捷，这在便于人们交流的同时，也导致各种版权问题发生异常频繁。在这种情况下，数字水印作为保护数字媒体信息安全的有效方式，引起了人们的注意。

目前在数字水印嵌入方面，主要利用人类视觉系统(Human Visual System,HVS)分辨率的在自然条件下受到的限制，嵌入的信号频率低于HVS的门限，人类视觉系统就无法感受到信号的变化，从而实现嵌入水印的隐蔽性。

常见的水印信息可分为两类：1)有意义水印信息，明文水印图像是其典型的代表，但可嵌入的信息容量有限；2)无意义水印信息，主要包括具备某些统计特征的伪随机序列。相比之下，QR码(Quick Responce Code)作为一种矩阵式二维码，具有可靠性、占用空间小、纠错性能强和全方位识读等优点。因此，将QR码作为水印信息有助于提高算法的鲁棒性和不可感知性。然后结合角度编码达到高水印容量的目的，之后通过构建具有角度特征的模板水印，将水印信息以更加稳健的方式嵌入数字图像中。

DCT(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)被广泛应用于数字水印领域，一般是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息。本系统将DCT变换应用于水印算法中，在不可感知性和抗压缩、各种攻击上都具有较好的鲁棒性。

发明内容

本发明针对现有数字水印的可靠性差、占用空间大、鲁棒性差等技术问题，在发明的第一方面提供了一种数字水印嵌入方法，包括如下步骤：

获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；

将载体图像进行分块并进行DCT变换；

将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

在发明的一些实施例中，所述获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像包括如下步骤：随机生成一个具有方向性和周期性的模板水印；根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印。

进一步的，根据任意一个基础模板水印按照如下公式进行变换，得到一个具有方向性和周期性的模板水印：

其中，W₀(x,y)表示一个任意的基础模板水印，W₁(x,y)表示W₀(x,y)经过方向性和周期性变换得到的模板水印，N₀和N₁分别代表水平方向和垂直方向上重复的次数。

进一步的，所述根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印包括如下步骤：

将水印的QR码进行解码并获取角度信息；

根据所述角度信息对基础圆形模板水印进行对应的旋转，得到具有角度特征的圆形角度模板水印W^θ(x,y)，其中θ表示旋转角度。

更进一步的，所述将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像包括如下步骤：将载体图像中任意一个DCT块用D_kij表示子像素块k中的第i行第j列，获取其直流系数D_kij[0,0]，并对直流系数进行量化处理；然后将水印信息W^θ(x,y)嵌入到低频直流系数中；重复上述步骤，直至完成每一个子像素块水印信息的嵌入；对嵌入水印信息后的图像进行分块DCT逆变换，得到含水印的图像。

优选的，所述量化处理的过程表示为：d_kij＝round(D_kij/ξ)，其中round是舍入取整操作，ξ表示量化步长；

所述嵌入规则表示为：

其中k表示子像素块的序号，取值范围是1#k

M、N分别指原图像的长和宽，a'、b'分别表示子像素块的长和宽。

在发明的第二方面提供了一种数字水印嵌入系统，包括获取模块、变换模块、嵌入模块，所述获取模块，用于获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；

所述变换模块，用于将将载体图像进行分块并进行DCT变换；

所述嵌入模块，用于将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

相应的，在发明的第三方面提供了一种数字水印的提取方法，包括如下步骤：对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；

对每块水印图像进行检测，得到角度数据；

根据所述角度数据得到水印信息；

根据所述水印信息和原QR码得到完整QR码水印信息。

进一步的，所述对每块水印图像进行检测，得到角度数据包括如下步骤：

根据量化嵌入规则的逆运算提取每块水印图像的角度水印信息；

计算每块水印图像的自相关函数，得到每块水印图像的自相关峰值；

根据梯度算子对所述每块水印图像的峰值点进行特征增强，得到每块水印图像的增强水印图像；

通过Hough变换得到所述每块增强水印图像对应的直线，根据所述直线得到角度数据。

相应的，在发明的第四方面提供了一种数字水印的提取系统，包括变换模块、检测模块、第一转换模块、第二转换模块，

所述变换模块，用于对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；

所述检测模块，用于对每块水印图像进行检测，得到角度数据；

所述第一转换模块，用于根据所述角度数据得到水印信息；

所述第二转换模块，用于根据所述水印信息和原QR码得到水印信息。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出一种基于QR码的数字水印嵌入算法，为保护各种图像数据安全提供一种切实可行的解决方案。例如当用户通过截屏泄密数据时，可通过数字水印技术在不可知的情况下嵌入用户信息，则在进行检测截屏图片后，即可提取水印信息，获得泄密者信息；

2.本发明的数字水印嵌入方法具有很好的不可感知性，且在压缩、几何攻击、裁剪等各种攻击情况下都具有很好的鲁棒性。在解决数字媒体信息安全问题方面，提供了一套可行的方案；

3.针对DCT在数字水印方面的应用，并考虑其频域中的直流系数具有抵抗一定的信号处理及噪声攻击以及嵌入水印信息具有较好的不可感知性，所以将经过处理的水印信息嵌入到经过量化处理后的直流系数中，使得最终得到的含水印图像在各种攻击下都具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的一些实施例的数字水印嵌入方法基本流程图；

图2为QR码的符号结构示意图；

图3为本发明的一些实施例的数字水印嵌入方法的具体流程图；

图4为本发明的一些实施例的数字水印嵌入系统的结构框图；

图5为本发明的一些实施例的数字水印提取方法的基本流程图；

图6为本发明的一些实施例的数字水印提取方法的具体流程图；

图7为本发明的一些实施例的数字水印提取系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1，第一方面提供了一种数字水印嵌入方法，包括如下步骤：

S101.获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；S102.将载体图像进行分块并进行DCT变换；S103.将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

在发明的一些实施例的步骤S101中，所述获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像包括如下步骤：S1011.随机生成一个具有方向性和周期性的模板水印；S1022.根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印。

具体地，参考图2，首先根据QR码的结构对其预处理，包括解析QR码、去掉QR码的固定部分、提取QR码数据编码和纠错编码：

解析QR码。确定生成QR码的模块数n，因为QR码选择的版本的每个模块都是由n*n个像素构成且为同一值，所以只需要读取一个数据，把黑像元值记为1，白像元值记为0，则QR码信息为W＝{0,1}，水印长度为L；

去掉QR码的固定部分。即主要包括三个位置探测图形、分隔符、格式信息、版本信息、校正图形和定位图形等。

提取QR码数据编码和纠错编码。将提取到的数据编码和纠错编码都保存至各自的数组中。

参考图3，在经过上述预处理之后对QR码数据编码做进一步的处理，具体过程包括：为考虑使分布为满映射，将水印信息进行四位一组平均分配到[0,180°]区间范围内，所需要角度的区间个数n为16组；根据角度区间的个数，计算每组角度区间的间距。根据角度区间的范围，计算待嵌入的角度信息

在本发明的一些实施例的步骤S1011中，所述随机生成一个具有方向性和周期性的模板水印具体为：根据任意一个基础模板水印按照如下公式进行变换，得到一个具有方向性和周期性的模板水印：

其中，W₀(x,y)表示一个任意的基础模板水印，W₁(x,y)表示W₀(x,y)经过方向性和周期性变换得到的模板水印，N₀和N₁分别代表水平方向和垂直方向上重复的次数。

在本发明的一些实施例的步骤S1012中，所述根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印包括如下步骤：

将水印的QR码进行解码并获取角度信息；根据所述角度信息对基础圆形模板水印进行对应的旋转，得到具有角度特征的圆形角度模板水印W^θ(x,y)，其中θ表示旋转角度。

在本发明的一些实施例的步骤S102中，为了提高原图像水印信息嵌入的效率，对载体图像进行分块读取；同时为了保证每个子像素块能包含整个水印信息，根据待嵌入水印信息的行数和列数进行分块，使每个子块的长和宽分别是水印信息行数和列数的8倍，公式如下所示：

式中，a'、b'分别表示子块的长和宽，a、b表示水印信息的行数和列数；然后对分块进行DCT变换。读取每一个子像素块矩阵块内三个通道的像素值，将其转换成灰度值，并对该灰度值进行8*8分块DCT变换：

Gray＝0.3×R+0.59×G+0.11×B，式中，R、G、B分别表示三个通道的像素值。

在上述DCT变换基础上和步骤S103中，所述将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像包括如下步骤：将载体图像中任意一个DCT块用D_kij表示子像素块k中的第i行第j列，获取其直流系数D_kij[0,0]，并对直流系数进行量化处理；然后将水印信息W^θ(x,y)嵌入到低频直流系数中；重复上述步骤，直至完成每一个子像素块水印信息的嵌入；对嵌入水印信息后的图像进行分块DCT逆变换，得到含水印的图像。

优选的，所述量化处理的过程表示为：d_kij＝round(D_kij/ξ)，其中round是舍入取整操作，ξ表示量化步长；

所述嵌入规则表示为：

其中k表示子像素块的序号，取值范围是1#k

M、N分别指原图像的长和宽，a'、b'分别表示子块的长和宽。

参考图4，在本发明的第二方面提供了一种数字水印嵌入系统1，包括获取模块11、变换模块12、嵌入模块13，所述获取模块11，用于获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；

所述变换模块12，用于将将载体图像进行分块并进行DCT变换；

所述嵌入模块13，用于将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

参考图5，相应于上述实施例提供的数字嵌入方法，在本发明的第三方面提供了一种数字水印的提取方法，包括如下步骤：S201.对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；S202.对每块水印图像进行检测，得到角度数据；S203.根据所述角度数据得到水印信息；S204.根据所述水印信息和原QR码得到完整QR码水印信息。

具体地，在步骤S201中：对含水印图像进行分块读取，并做DCT变换；采用和嵌入相同的操作获得每一个像素矩阵块图像的三个通道像素值，并转换成灰度值，对灰度值进行8*8分块的DCT变换；

参考图6示出另一个数字水印的提取方法的实施例，在步骤S202中，所述对每块水印图像进行检测，得到角度数据包括如下步骤：根据量化嵌入规则的逆运算提取每块水印图像的角度水印信息；计算每块水印图像的自相关函数，得到每块水印图像的自相关峰值；根据梯度算子对所述每块水印图像的峰值点进行特征增强，得到每块水印图像的增强水印图像；通过Hough变换得到所述每块增强水印图像对应的直线，根据所述直线得到角度数据。

具体地，根据量化规则逆运算提取角度水印信息；计算自相关函数，得到较大的自相关峰值；根据梯度算子对峰值点进行锐化、然后进行形态学膨胀和腐蚀，让峰值点更加清晰可见；最后通过Hough变换进行检测直线角度，得到角度数据；然后对角度数据进行转换得到水印信息，通过得到的角度数据所在的角度区间，得到相应的水印信息；根据水印信息，再加上之前去掉的QR码固定部分，得到完整的QR码水印信息。

应当理解，上述量化嵌入规则可以是按本发明第一方面公开的量化嵌入规则，例如d_kij＝round(D_kij/ξ)，其中round是舍入取整操作，ξ表示量化步长；

所述嵌入规则表示为：

其中k表示子像素块的序号，取值范围是1#k

M、N分别指原图像的长和宽，a'、b'分别表示子像素块的长和宽。

此外，通过LSB、Patchwork算法等空域算法，以及DFT(线性变换)、DCT(正交变换)、DWT(时间空间频率的局部分析)等变换域算法中的一种或多种组合也能实现水印的嵌入。

参考图7，相应于本发明第三方面提供的一种数字水印的提取系方法，在发明的第四方面提供了一种数字水印的提取系统2，包括变换模块21、检测模块22、第一转换模块23、第二转换模块24，

所述变换模块21，用于对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；

所述检测模块22，用于对每块水印图像进行检测，得到角度数据；

所述第一转换模块23，用于根据所述角度数据得到水印信息；

所述第二转换模块24，用于根据所述水印信息和原QR码得到水印信息。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置从网络上被下载和安装，或者从存储装置被安装，或者从ROM被安装。在该计算机程序被处理装置执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、Python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；

将载体图像进行分块并进行DCT变换；

将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

2.根据权利要求1所述的数字水印嵌入方法，其特征在于，所述获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像包括如下步骤：

随机生成一个具有方向性和周期性的模板水印；

根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印。

3.根据权利要求2所述的数字水印嵌入方法，其特征在于，所述随机生成一个具有方向性和周期性的模板水印具体为：

根据任意一个基础模板水印按照如下公式进行变换，得到一个具有方向性和周期性的模板水印：

其中，W₀(x,y)表示一个任意的基础模板水印，W₁(x,y)表示W₀(x,y)经过方向性和周期性变换得到的模板水印，N₀和N₁分别代表水平方向和垂直方向上重复的次数。

4.根据权利要求2所述的数字水印嵌入方法，其特征在于，所述根据所述模板水印的QR码信息和基础圆形模板生成具有圆形角度模板水印包括如下步骤：

将水印的QR码进行解码并获取角度信息；

根据所述角度信息对基础圆形模板水印进行对应的旋转，得到具有角度特征的圆形角度模板水印W^θ(x,y)，其中θ表示旋转角度。

5.根据权利要求4所述的数字水印嵌入方法，其特征在于，所述将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像包括如下步骤：

将载体图像中任意一个DCT块用D_kij表示子像素块k中的第i行第j列，获取其直流系数D_kij[0,0]，并对直流系数进行量化处理；

然后将水印信息W^θ(x,y)嵌入到低频直流系数中；

重复上述步骤，直至完成每一个子像素块水印信息的嵌入；

对嵌入水印信息后的图像进行分块DCT逆变换，得到含水印的图像。

6.根据权利要求5所述的数字水印嵌入方法，其特征在于，所述量化处理的过程表示为：d_kij＝round(D_kij/ξ)，其中round是舍入取整操作，ξ表示量化步长；

所述嵌入规则表示为：

其中k表示子像素块的序号，取值范围是

M、N分别指原图像的长和宽，a'、b'分别表示子块的长和宽。

7.一种数字水印嵌入系统，其特征在于，包括获取模块、变换模块、嵌入模块，

所述获取模块，用于获取具有圆形角度信息的QR模板水印图像；

所述变换模块，用于将将载体图像进行分块并进行DCT变换；

所述嵌入模块，用于将经过DCT变换的载体图像和所述具有圆形角度信息的模板水印图像按照量化嵌入规则进行嵌入，得到含水印图像。

8.一种数字水印的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；

对每块水印图像进行检测，得到角度数据；

根据所述角度数据得到水印信息；

根据所述水印信息和原QR码得到完整QR码水印信息。

9.根据权利要求8所述的数字水印的提取方法，其特征在于，所述对每块水印图像进行检测，得到角度数据包括如下步骤：

根据量化嵌入规则的逆运算提取每块水印图像的角度水印信息；

计算每块水印图像的自相关函数，得到每块水印图像的自相关峰值；

根据梯度算子对所述每块水印图像的峰值点进行特征增强，得到每块水印图像的增强水印图像；

通过Hough变换得到所述每块增强水印图像对应的直线，根据所述直线得到角度数据。

10.一种数字水印的提取系统，其特征在于，包括变换模块、检测模块、第一转换模块、第二转换模块，

所述变换模块，用于对含水印图像进行分块读取以及DCT变换；

所述检测模块，用于对每块水印图像进行检测，得到角度数据；

所述第一转换模块，用于根据所述角度数据得到水印信息；

所述第二转换模块，用于根据所述水印信息和原QR码得到水印信息。

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