CN1220144C - 基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置，属于模式识别领域。该方法使用并行硬件和算法的电子装置及软件，仿真虚拟光学成像过程将数字水印信息加入到静止图像、音频或视频数据中。在水印嵌入过程中，将虚拟光路的几何结构参数作为密钥，从而设计出了多重“密钥”。在水印检测过程中，通过使用多重解密密钥，不依赖原始数据即可从含水印的信息中提取出数字水印。水印可以是文本、数字、签名或管理机构的标识等数字文档。采用的装置包括由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式系统，或脱离PC机单独运行的嵌入式系统。本发明的优点在于：鲁棒性强、安全性高、灵活性高、适应性强等特点。

Description

基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置

                        技术领域

本发明涉及一种基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置，属于模式识别技术领域。

                        背景技术

随着计算机与数字通信网络的日益普及，多媒体信息交流达到了前所未有的深度和广度。但另一方面作品的侵权变得更加容易，篡改变得更加方便。如何保护作品版权已受到人们的高度重视。数字水印技术作为版权保护的重要手段，得到广泛的研究和应用。

被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见的或不可察觉的，它与原始数据(如图像、音频、视频数据等)紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。

对于静止图像来说，从水印算法嵌入点的选择来看，可将水印编码算法分为两类：空间域水印算法和变换域水印算法。大多数空间域水印算法可以提供简捷有效的水印嵌入方案，但其缺乏对图像处理的鲁棒性。变换域水印算法由于具有很好的鲁棒性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声具有一定的抵抗力，从而变得日益普及。但已报道的大部分工作都是基于二维操作的(如静止图像、视频)，如果能在三维空间对媒体信息进行水印的嵌入与检测，由于具有更多的自由度，其鲁棒性(稳健性)与安全性可以更好。

可对比的技术文献有以下五篇：

[1]F.Hartung and M.Kutter：Multimedia watermarking techniques，1999，Proc.IEEE，vol.87，1079-1107

[2]Ingemar J.Cox，Joe Kilian，F.Thomson Leighton and Talal Shamoon：Secure SpreadSpectrum Watermarking for Multimedia.IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING，1997，6(12)：1673-1687

[3]N.Takai and Y. Mifune；Digital watermarking by a holographic technique.Applied Optics，2002，41(5)：865-873

[4]S.Kishk and B.Javidi：Watermarking of three-dimensional object by digital holography.Optics Letters，2003，28(3)：167-169

[5]X.Peng，Z.Y. Cui，and T.Tan：Information encryption with virtual-optics imaging system.Optics Communications，2002，212(4-6)：235-245

                            发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置，用于提高水印的稳健性和安全性，保护数字媒体的版权。所述的方法具有鲁棒性好、安全级别高的特点；所述的装置具有使用灵活性高和适应性强的特点。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的。仿真虚拟光学成像过程的三维数字水印的嵌入与检测方法，其特征在于：

对于水印的嵌入过程：

1)在仿真虚拟光学成像过程中的三维空间内，取虚拟成像透镜的前表面作为参考平面。计算水印平面到虚拟成像透镜前表面的离散菲涅尔衍射变换DFD，记为F_w，衍射距离为Z₁；计算信息平面(原始图像)到虚拟成像透镜前表面的离散菲涅尔衍射变换DFD，记为F_l，衍射距离为Z₂。

2)计算F_w和F_l的加权和，记为H_w。H_w＝wF_w+(1-w)F_l。其中w表示权重因子，用来控制水印添加的强度。

3)H_w又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜后表面，记为H_w′。H_w′＝H_w×t，其中t为透镜的复振幅透过率函数。

4)对H_w′做衍射距离为z₂′的离散菲涅尔衍射变换DFD，结果记为I_w。其中z₂′由下式计算得出 $\frac{1}{z_2}+\frac{1}{z_2^{\′}}=\frac{1}{f}.$

接收方在收到经过通信链路传来的复振幅分布文件I_w后，只需进行取模平方操作即可得出其强度图像。

对于上述嵌入的水印的检测过程：

1)利用式子 $\frac{1}{z_2}+\frac{1}{z_2^{\′}}=\frac{1}{f}$ 计算得出的z₂′值对I_w进行逆DFD变换，从而得出H_w’。

2)利用式子 $\frac{1}{z_1}+\frac{1}{z_1^{\′}}=\frac{1}{f}$ 计算得出的z₁′对H_w’进行另一个离散菲涅尔衍射变换DFD从而从含水印的信息中提取出数字水印。

按照上述方法实现的水印嵌入/检测装置可以在通用PC机上使用Visual C++软件环境实现。应该认识到，这种特定的环境仅仅是说明性的。本发明的方法可用多个不同厂商制造的计算机连同使用任何适当的语言编写的软件来加以实现。

本发明所述的水印嵌入/检测装置也可是由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式数字水印系统，或是由数字信号处理器或可编程专用集成电路构成的脱离PC机单独运行的嵌入式系统。

所说的数字信号处理器是单个并行数字信号处理器或由至少两个数字信号处理器构成的阵列。

所说的可编程专用集成电路是单个复杂的可编程逻辑器件或由至少两个复杂可编程逻辑器件组成的阵列，或是单个现场可编程门阵列或由至少两个现场可编程门阵列组成的阵列，或是由复杂的可编程逻辑器件和现场可编程门阵列组成的阵列。

本发明的优点在于：(1)首先提出了虚拟光学思想在三维空间进行操作的数字水印技术，与以往数字水印方法相比该技术在水印的鲁棒性与保密性上均有显著的提高；(2)该数字水印算法完全在数字域实现，这样可以完全消除光学器件的物理限制，使光学信息隐藏的思想可以很容易地实现；(3)在三维空间进行数字水印的嵌入与检测操作，具有更大的自由度；(4)水印的检测过程不需要原始数据，属于盲水印算法；(5)水印检测结果准确、复杂度低；(6)由于在水印嵌入过程中，将虚拟光路的几何结构参数作为密钥，从而设计出了多重“锁”和多重“密钥”。水印算法具有很好的安全性，非授权者无法读出水印；(7)该数字水印算法也可应用于音频、视频等信息的版权保护，普适性好；(8)使用了数字信号处理器或可编程专用集成电路，用电子手段(并行硬件、并行算法)仿真信息光学中的并行处理过程，处理速度快、抗外界干扰性能强。

                            附图说明：

图1是基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法原理示意图。

图中W为水印图像、W’为重建的水印图像；I为信息平面(原始图像)，I’为重建的信息平面。Z₁表示从水印图像到虚拟成像透镜前表面的距离，Z₁’表示从透镜后表面到重建的水印图像平面的距离；Z₂表示从信息平面到透镜前表面的距离，Z₂’表示从透镜后表面到重建得信息平面的距离。

图2是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式装置的硬件结构框图。

图3是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式装置嵌入数字水印时的功能框图。

图4是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式装置检测数字水印时的功能框图。

图5是数字信号处理器阵列构成的数字水印嵌入/检测装置结构框图。

图6是复杂的可编程逻辑器件阵列构成的数字水印嵌入/检测装置结构框图。

图7是现场可编程门阵列芯片阵列构成的数字水印嵌入/检测装置结构框图。

图8是复杂的可编程逻辑器件阵列与现场可编程门阵列芯片阵列构成的数字水印嵌入/检测装置结构框图。

图中201是通用PC机，202是PCI总线控制器，203、501是数字信号处理器(DSP)，204、701、802是现场可编程门阵列芯片，205是电源管理芯片，206是Flash存储器，207是同步动态RAM，208是同步触发静态RAM，601、801复杂的可编程逻辑器件。

                            具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

图1是基于虚拟光学的三维数字水印的嵌入/检测方法原理示意图。图中W为水印图像、W’为重建的水印图像；I为信息平面(原始图像)，I’为重建的信息平面。Z₁表示从水印图像到虚拟成像透镜前表面的距离，Z₁’表示从透镜后表面到重建的水印图像平面的距离；Z₂表示从信息平面到透镜前表面的距离，Z₂’表示从透镜后表面到重建得信息平面的距离。假定信息平面和水印图像由相同选定波长的相干光照明。光波由信息平面或水印图像到虚拟成像透镜的前表面的传播可由离散菲涅尔衍射变换DFD(Discrete Fresnel Diffraction)计算得出，信息平面与水印之间的空间距离表示为|z₁-z₂|＝Δz。本发明提供的方法在三维空间仿真光学成像过程完成水印的嵌入与检测。在水印嵌入过程中，将虚拟光波的波长λ，水印图像到虚拟成像透镜前表面的距离z₁，焦距f作为水印密钥，从而设计出了多重“锁”和多重“密钥”。利用这种方法获得的数字水印具有很高的图像质量和很高的安全性。

我们引入一个算子DFD[A，B，m，n；z_AB，λ]来描述数字空间的菲涅尔衍射过程，其中，A和B表示在传播方向上空间分离的两个平面，间距记为z_AB；λ表示虚拟光波波长。由傅里叶光学理论：

$\mathrm{DFD}[A,B,m,n;z_{\mathrm{AB}},\mathrm{\λ}]=\mathrm{Cexp}\left[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λz}}_{\mathrm{AB}}}(m^2{\mathrm{\Δ\ξ}}^2+n^2{\mathrm{\Δ\η}}^2)\right]$

$\×\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_A(k,l)\exp \left[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λz}}_{\mathrm{AB}}}(k^2{{\mathrm{\Δx}}_o}^2+l^2{{\mathrm{\Δy}}_o}^2)\right]---\left(1\right)$

$\×\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{km}}{N}+\frac{\ln }{N})]$

其中， $C=\frac{e^{j2{\mathrm{\λz}}_{\mathrm{AB}}/\mathrm{\λ}}}{j{\mathrm{\λz}}_{\mathrm{AB}}}$ 是一个复常数。

取虚拟成像透镜的前表面L作为参考平面。对于信息平面(原始图像)，令A＝I，z＝z₂，B＝L；对于水印，令A＝W，z＝z₁，B＝L。则信息平面和水印到虚拟成像透镜前表面的DFD变换的加权和可表示为下式：

H_w＝{wDFD[W，L，m，n；z₁，λ]+(1-w)DFD[I，L，m，n；z₂，λ]}＝wF_w+(1-w)F_l

其中，F_w＝DFD[W，L，m，n；z₁，λ]；F_l＝DFD[I，L，m，n；z₂，λ]分别表示水印和信息平面到透镜前表面的离散菲涅尔衍射变换。w表示权重因子，用来控制水印添加的强度，如可以取w＝0.25。

H_w又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜后表面，用下式表示：

H_w′＝H_w×t

其中t为透镜的复振幅透过率函数， $t(m,n)=\exp [-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(m^2{\mathrm{\Δ\ξ}}^2+n^2{\mathrm{\Δ\η}}^2)].$ 式中的f为虚拟成像透镜的焦距值。

由傅里叶光学理论，嵌入水印后的图像能够在I’处被重建出来，其中衍射距离为z₂′。z₂′由下式计算得出：

$\frac{1}{z_2}+\frac{1}{z_2^{\′}}=\frac{1}{f}$

即嵌入水印后的图像在重建平面处的复振幅分布I_w可由下式计算得出：

$I_w=\mathrm{DFD}{\left[H_w^{\′}\right]|}_{z=z_2}$

接收方在收到经过通信链路传来的复振幅分布文件I_w后，只需进行取模平方操作即可得出其强度图像。

对水印进行检测时：

首先利用正确的参数z₂′对I_w进行逆DFD变换，从而得出正确的H_w’；然后利用正确的参数z₁′对H_w’进行另一个离散菲涅尔衍射变换DFD即可从图像中抽取出水印。其中z₁′由下式计算得出 $\frac{1}{z_1}+\frac{1}{z_1^{\′}}=\frac{1}{f}.$ 水印的检测过程可以用下面的方程表示：

$W_l=\mathrm{DFD}\left[H_w^{\′}\right]{|}_{z=z_1^{\′}}$

本发明提供的水印方法是鲁棒(稳健)的。由于水印的的嵌入与检测过程是仿真虚拟光学成像过程的三维空间进行的，算法的物理背景非常清晰，自由度很大。与以往的数字水印算法相比，在鲁棒性检验方面体现出很大的优点。该方法能有效抵抗信息在传播过程中受到的各种有意或无意的干扰，如滤波、变形、剪切、噪声、有损压缩等信号处理。经过这些操作后，仍能从水印信息中提取出嵌入的水印。

本发明提供的水印方法是安全的。一个水印体制要走向商业应用，其算法必须公开。所以数字水印算法的安全性应该完全取决于密钥。本发明提供的算法通过在数字域仿真光学过程中的传播规律，将虚拟光路的几何结构参数作为密钥，从而设计出了多重“锁”和多重“密钥”，这大大提高了数字水印算法的安全性，使得本算法具有较强的抵抗恶意攻击的能力，只有掌握了多重密钥的人才能读出、提取水印。即使算法公开，同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。

按照本发明提供的方法实现的水印嵌入/检测装置可以在通用PC机上使用Visual C++软件环境实现。当然这种特定的环境仅仅是说明性的，本发明的方法可用多个不同厂商制造的计算机连同使用任何适当的语言编写的软件来加以实现。

图2是通用PC机、数字信号处理器(DSP)、以及可编程专用集成电路(FPGA)构成的主从式水印嵌入/检测装置硬件结构框图。由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式水印嵌入/检测装置是本发明的另一种实施例。该主从式水印嵌入/检测装置将通用PC机201作为主机，由203、204、205、206、207、208组成DSP子系统作为从机。采用软件编程实现主机和从机之间的信息交换和实时通讯、界面选择、人机接口等功能。采用DSP+FPGA构成的从机实现对多媒体信息嵌入数字水印、检测数字水印、多媒体信息打包、封装等功能。数字信号处理器DSP芯片203完成水印嵌入与检测核心算法，现场可编程门阵列FPGA芯片204完成系统复位控制、电源管理、PCI控制器202和DSP芯片203接口控制、PCI控制器和DSP的中断控制、数据的传输时序控制。主、从机之间通过PCI总线进行数据通讯、信息交换。

图3和图4为通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式水印嵌入/检测装置系统功能框图。

图3是水印嵌入/检测装置嵌入数字水印时的功能框图。本发明提供的算法中，参数λ、f、z₁可以被设计成为数字水印系统的多重密钥。水印的制作者使用秘密的水印密钥，运用基于虚拟光学的数字水印嵌入算法，将水印嵌入隐藏到需要被保护的信息中(如原始图像)，形成含水印的信息。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号、图像等。它与原始数据(如图像)紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。嵌入的数字水印可以用来证明一个数字产品的拥有权、真实性，成为分辨数字化产品真伪的一种手段。水印不易被感知，但可以通过数据处理(水印检测算法)来识别、读取。嵌入水印后的信息(如图像)质量与原始信息相比是基本相同的，即水印是不可见的，不会影响到数字产品的商业价值。如利用本发明提供的装置在256×256×8的Lena图像中嵌入数字水印后，其能量归一化均方误差NMSE只有0.0434。

图4是水印嵌入/检测装置检测数字水印时的功能框图。水印提取/检测者使用多重水印密钥，运用基于虚拟光学的数字水印检测算法，从含水印的信息中可以提取出数字水印或检测该信息中是否含有水印。提取或检测的结果可以用作数字化产品版权的证据，因而能确定出该产品的所有者，对版权进行有效的保护。水印的检测过程不需要原始数据，因此属于盲水印算法，这使得该算法的应用前景更加广阔。

从图3和图4中可以看出，本发明提供的水印嵌入/检测装置的核心运算是离散菲涅尔衍射变换(DFD)。从DFD的计算式可以看出，该算子与快速傅里叶变换FFT有密切关系，因此本发明运用硬件实现(在高速并行DSP芯片中完成)的快速傅里叶变换(FFT)大大提高了离散菲涅尔变换(DFD)的计算速度。完成时间抽取基-2算法的512点复数FFT只消耗10,425个时钟周期，对于167MHz DSP来说，所耗时间仅62.4μs，达到了实时处理。这在一定程度上弥补了完全采用电子手段而丧失的信息光学并行处理的优点。

图5是本发明的另外一种实施例。在这个实施例中，数字信号处理器阵列是由单个数字信号处理器501或多个数字信号处理器501的组合构成的，水印嵌入/检测算法被固化在数字信号处理器阵列中的EPROM内，构成嵌入式系统，从而可以脱离PC机单独运行。这种脱机系统具有体积小、灵活简便等优点。用户还可灵活控制系统的结构参数和密钥，当需要改变参数和密钥时，只需对DSP端软件宏定义部分相应改动，再用编程器重新写入EPROM即可。

图6是本发明的又一种实施例。在这个实施例中，水印嵌入/检测装置是由单个复杂的可编程逻辑器件601或多个复杂的可编程逻辑器件601组合而成的阵列构成的。

图7也是本发明的一种实施例。在这个实施例中，水印嵌入/检测装置是由单个现场可编程门阵列芯片701或多个现场可编程门阵列芯片701组合而成的阵列构成的。

图8是本发明的另外一种实施例。它是由单个或多个复杂的可编程逻辑器件801构成的阵列与单个或多个现场可编程门阵列芯片802构成的阵列组成的嵌入式系统。

图6、7、8所示的本发明的几种实施例，具有共同的特征，就是硬件实现速度快、可重新配置、体积小，灵活简便，可以脱离PC机单独运行。用户可以灵活控制系统的结构参数和密钥，当需要改变参数和密钥时，只需对相应芯片设计进行稍许修改，重新综合、编程、加载即可。

本发明提供的基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法及装置不仅限于静止图像信息，同时也适用于数字视频、音频等信息，在多媒体数据和多媒体文件的版权保护领域有广泛的应用，推广前景极为广阔。

Claims (5)

1、一种基于虚拟光学的三维数字水印的嵌入方法，该方法依据光在数字域仿真过程中的传播规律，将虚拟光波的波长λ，水印图像到虚拟成像透镜前表面的距离z₁，焦距f作为水印密钥，从而设计出多重密钥，将数字水印信息加入到需要被保护的信息中，其特征在于具体作法是：

1)在仿真虚拟光学成像过程中的三维空间内，取虚拟成像透镜的前表面作为参考平面，计算水印平面到虚拟成像透镜前表面的离散菲涅尔衍射变换DFD，记为F_w，衍射距离为Z₁；计算信息平面到虚拟成像透镜前表面的离散菲涅尔衍射变换DFD，记为F₁，衍射距离为Z₂；

2)计算F_w和F₁的加权和，记为H_w，H_w＝wFx+(1-w)F₁，其中w表示权重因子，用来控制水印添加的强度；

3)H_w又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜后表面，记为H_w’，H_w’＝H_w×t，其中t为透镜的复振幅透过率函数；

4)对H_w’做衍射距离为z₂’的离散菲涅尔衍射变换DFD，结果记为I_w，其中z₂’由下式计算得出 $\frac{1}{z_2}+\frac{1}{z_2^{\′}}=\frac{1}{f},$ 接收方在收到经过通信链路传来的复振幅分布文件I_w后，只需进行取模平方操作即可。

2、一种按权利要求1所述嵌入的水印基于虚拟光学的三维数字水印检测方法，该方法通过使用多重解密密钥，不依赖原始数据从含水印的信息中提取出数字水印或检测该信息中是否含有水印，其特征在于具体作法是：

1)利用式子 $\frac{1}{z_2}+\frac{1}{z_2^{\′}}=\frac{1}{f}$ 计算得出的z₂’值对I_w进行逆DFD变换，从而得出H_w’；

2)利用式子 $\frac{1}{z_1}+\frac{1}{z_1^{\′}}=\frac{1}{f}$ 计算得出的z₁’对H_w’进行另一个离散菲涅尔衍射变换DFD从而从含水印的信息中提取出数字水印。

3、一种实现按照权利要求1或权利要求2所述的基于虚拟光学的三维数字水印嵌入/检测方法的装置，其特征在于：该装置是由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式系统，或是由数字信号处理器或可编程专用集成电路构成的脱离PC机单独运行的嵌入式系统。

4、按照权利要求3所述的装置，其特征在于数字信号处理器是单个并行数字信号处理器或由至少两个数字信号处理器构成的阵列。

5、按照权利要求3所述的装置，其特征在于可编程专用集成电路是单个复杂的可编程逻辑器件或由至少两个复杂可编程逻辑器件组成的阵列，或是单个现场可编程门阵列或由至少两个现场可编程门阵列组成的阵列，或是由复杂的可编程逻辑器件和现场可编程门阵列组成的阵列。

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