CN1292908A - 在图象中嵌入水印的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种嵌入水印的方法和设备,其中水印由伪随机、密子集图像像素构成,例如由线图案(20)构成。凸出图像像素的数量(21—26),例如局部极端、角或边缘,被识别,并且确定它们是位于线图案(21—23)(即,在线图案(21—23)附近δ之内)上还是位于线图案(24—26)上。在未加水印的图像(图2A)中,位于水印的最凸出像素(21)的数量基本与没有位于水印的最凸出像素的数量(25,26)相同。通过修改凸出像素的凸出率,使最凸出像素(21,23,25)的足够多数(21,23)基本上位于线图案附近,使图像嵌入水印。

Description

在图像中嵌入水印的方法和设备

本发明涉及一种把水印嵌入图像的方法，该方法包括计算图像像素的凸出率、识别凸出图像像素以及处理该图像以使预定百分比的最凸出图像像素位于预定的水印图案的附近之内的步骤，本发明还涉及一种把水印嵌入图像的设备。

在1998，10，4-7召开的有关图像处理的1998国际会议的学术报第424-426页，由M．J．J．B．Maes和C．W．A．M．van Overveld所写的“通过几何变形实现数字化水印”中公开了一个共知的如前段所定义的把水印嵌入图像的方法。按照这个共知的方法，这个水印是预定的图像图案，例如线图案。如果相当高百分比的图像的凸出像素位于该水印图案的附近之内，则该图像被加水印。这样的处理是通过识别凸出像素并且把它们移入该水印图案的附近之内来实现的。因此该图像处理步骤包括了局部改变图像的几何特性的步骤。

本发明的一个目的是使用另外一种图像处理的方法实现把水印嵌入图像的处理。

为此，本发明方法的特征在于：处理图像的步骤包括修改凸出像素的凸出率的步骤。通过用修改图像像素的凸出率代替把凸出像素移入不同位置，实现水印嵌入。通过降低没有位于水印图案附近之内的最凸出像素的凸出率，和／或增加位于水印图案附近之内的凸出像素的凸出率，修改凸出率。从属权利要求中定义了识别和修改凸出像素的优选实施例。

图1示意性显示了本发明的用于在图像中嵌入水印的设备。

图2A和2B示出水印图案和凸出像素和图1所示设备的操作过程。

图3A和3B示出直方图和图1所示设备的操作过程。

图4示出本发明另一个用于在图像中嵌入水印的设备的实施例。

图5和6示出子图像，表示了识别和改变凸出像素的另一种操作过程。

图1显示了本发明的用于在图像中嵌入水印的设备。该设备包括凸出点提取模块10、判定模块11、以及图像处理模块12。该设备接收输入图像I和水印W，并且产生水印图像I_w。

图2A显示了水印的例子。在这个例子中，假设水印W具有线20的图案，但是这并不是主要的。凸出像素则如在图中圈21-26所示。圈的横断面表示像素的凸出率。如果像素距最近的线20的距离小于预定值，则认为像素位于该水印的附近。这个预定值可以是固定值δ。在余下的说明之前，首先是对距线20有“厚度”2δ的附近的定义。措辞“位于水印的附近”也将被称为“位于水印上”。在图2A中，像素21-23位于水印上，而像素24-26则没有位于该水印上。

另外，措辞“位于水印的附近”还可以被认为凸出率与距离的比例具有预定最小值。这样，图2A中像素25可能位于水印的附近，但是像素22则没有位于水印的附近，这是因为像素25的较大的凸出率弥补了该像素25与最近线20的较大的距离。

该水印图案W有设定的密度。应当知道这意味着包含了其附近的该水印图案覆盖了图像的给定的部分(P)。这里，假设该水印覆盖了图像的P=50％。因此，约P=50％的未水印的图像的凸出像素将位于该水印上。

如下是图1中所示的设备的操作情况。凸出像素提取模块10包括用于计算图像像素的凸出率的凸出计算装置101。后面将说明实施例本身。模块10还包括选择电路102，该选择电路102选择凸出像素。与图像像素的总数相比，凸出像素的数量少。这些凸出像素恰当地均匀分布于图像上，因此就避免了对像素的凸出率会影响附近凸出像素先前的改变。尤其通过把图像划分成块并且每块选出一个或多个凸出像素，就能够完成上面的工作。另外，通过要求凸出像素之间间距为最短，也能够实现上面的任务。如上所述，图2A中的像素21-26是凸出像素。

这些凸出像素和它们的凸出率被送到判定模块11。这个模块接收水印图案W并且决定哪部分最凸出像素位于这个水印上。在未加水印的图像中，百分数p(这里p=50％)的最凸出像素将位于这个水印上。在图2A中，这些最凸出像素表示为实心圈。这些最凸出像素的像素21位于这个水印上，而像素25和26则不。如果位于水印W上的最凸出像素的百分数与p=50％基本没有差别，则判定模块11产生判定信号D=0。响应这个信号，图像处理模块12改变这些凸出像素的凸出率，以使足够百分数的最凸出像素位于这个水印上。注意提取模块10和判定模块11结合起来构成了水印检测器。

图像处理模块12降低没有位于这个水印上的凸出像素的凸出率，和／或增加位于这个水印上的凸出像素的凸出率。图2B示出经过修改后凸出像素21-26的凸出率。增加了位于这个水印上的像素21-23的凸出率，降低了没有位于这个水印上的像素24-26的凸出率。这个修改处理使“接近最凸出像素”变成最凸出像素，反之亦然。在图2B中，位于水印上的像素23现在成为最凸出像素之一，并且表示成实心圈。没有位于水印上的像素26现在不再是最凸出像素之一。因此，经过处理后4个最凸出像素中的3个位于这个水印上。

图3A和3B以直方图的形式示出了这个处理情况。参考数字30是凸出像素数量对凸出率的图。数字31是表示了位于水印图案W上的像素，数字32表示没有位于这个水印上的像素。阴影区表示一组最凸出像素。在这个例子中，这个组包括了其凸出率大于设定值S₁的所有的像素。或者，这个组可以具有预定数量的最凸出像素。图3A示出未加水印图像的直方图，有55％的最凸出像素位于这个水印上。图3B示出经过增加位于这个水印上的像素的凸出率(把数字31向右移)并且降低没有位于这个水印上的像素的凸出率之后的直方图。经过这个步骤后，70％的最凸出像素位于这个水印上。

在这个设备的优选实施例中，可以重复这个修改凸出率的处理直至一个预定多数，例如使75％的最凸出像素位于这个水印上。图4示出了这样的一个实施例。这个设备与图1所示的设备的区别在于：把已处理的图像I_w反馈给提取电路10直至这个水印上发现已经有足够数量的最凸出像素，则判定模块11产生信号D=1。

图像处理模块12所完成的增加像素的凸出率的步骤，意味着以使凸出率S放大的方式把亮度和／或色度图像△I局部地加给图像I。同样，降低像素的凸出率就意味着以使凸出率S消弱的方式把亮度和／或色度图像△I局部地加给图像I。我们就发现这个修改方法与计算凸出率的方法特别相关。

在本发明的设备的一个实施例中，2维滤波器形成了凸出率计算电路101。下面的矩阵F，例如下面的3*3矩阵将表示这个滤波器：由下面等式定义像素I_i，j的凸出率S_i，j(其中i和j分别表示垂直和水平像素位置)：S_i，j=f_-1，-1I_i-1，j-1+f_-1，0I_i-1，j+f_-1，1I_i-1，j+1+f_0，-1I_i，j-1+f_0，0I_i，j+f_0，1I_i，j+1+    (式1)f_1，-1I_i+1，j-1+f_1，0I_i+1，j+f_1，1I_i+1，j+1在本发明的一个实施例中，滤波器F是Laplace滤波器。它是高通滤波器，返回那些表示局部最小和最大像素值的数值。如果像素值I_i，j等于附近像素值的平均值，则它就返回值0。由下面矩阵表示这个3^*3 Laplace滤波器： $F=\left[\left[,\begin{array}{ccc}-1& -1& -1\\ -1& 8& -1\\ -1& -1& -1\end{array},\right]\right]$

在这个实施例中，通过把已加权的版本的矩阵F加给这个图像，从而修改了像素的凸出率S_i，j。按照数学的符号：

I_m=I+λF增加凸出率，而    (式2)

I_m=I-λF降低凸出率。      (式3)其中λ是设定的加权因子，I是3^*3子图像，在该3^*3子图像中央有凸出像素，而I_m是修改后的3*3子图像。

图5示出这个修改过程的例子。数字51表示具有凸出像素的3^*3子图像，在子图像的中央有密度I_i，j=9。按照Eq．1该像素有凸出率S_i，j=45。数字52表示经过按照Eq．2和λ=0．1处理后的子图像，这个处理使凸出率增加至S_i，j=52．5。数字53表示经过按照Eq．3和λ=0．1处理后的子图像，这个处理使凸出率降低至S_i，j=37．8。

另外一个增加凸出率S_i，j的方法是基于确认S_i，j已经是很大的并且该子图像I本身就能够用于放大凸出率，即：I_m=I+λI。

在本发明的另外一个设备中，由边缘和／或角检测器形成凸出率计算电路101。边缘或角程度表示了像素的凸出率。角检测器是共知的。在第4期AlveyVision Conference 1988学术报第147-151上由C．Harris和M．Stephens所写的“组合的角和边缘检测器”中公开了一个好的实施例。由下面矩阵定义这个角检测器；

其中 $w=(x,y)=e^{\frac{x^2+y^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}$ 是具有标准偏差σ的高斯函数，符号^*表示卷积，而 $I_x=\frac{\∂I}{\∂x}$ 和 $I_y=\frac{\∂I}{\∂y}$ 分别是方向x和y中图像的部分偏差。使用下面的离散近似就能够相当容易地计算这个矩阵M：

和 写成

形式的矩阵M有行列式D=AB-C²和轨迹T=A+B。现在由下式定义角程度(corner strength)R：

R=D-kT²其中k是合适的常数，例如，k=0．01。对于一个角该角程度R为正，对于边缘该角程度R为负，而在平面中则该角程度R为0。

图6示出一些5^*5子图像的例子，发现它们的中央像素具有大的角程度。虽然像素有多比特亮度和色度等级，但是这里这个子图像仅被表示成二进制图像，即，其密度大于平均或中间值的像素被显示成白，而其密度小于平均或中间值的像素被显示成黑。注意对于某些子图像可以立即清楚其中央像素确实是角，而其他则不是。

通过增加表示角与互补像素的像素之间的对比度，例如通过把数量△I加到图6所示的白像素的密度，和／或从图6所示的黑像素减去数量△I，就实现了对角程度的放大。通过反向操作，即从白像素减去数量△I以及把数量△I加给黑像素，达到削弱角程度的作用。

在前述中，已经假设如果足够百分比的凸出像素位于水印图案的附近，则该图像就被加入了水印。但是值得欣赏的是还可以使用互补的定义，即如果足够百分比的凸出像素位于个水印图案的附近之外，则该图像就被加入了水印。

还应当知道在输入图像的某些区域也可以有不足量的凸出像素。尤其是在诸如卡通的合成图像的均匀区域的情况。在这个情况下，尤其通过把特殊噪声图案加入所述区域、通过增加对应于Laplace滤波器的滤波器因子的强度，或通过人工产生角，就可以产生位于这个水印上的凸出像素。

总之，这里公开了一种嵌入水印的方法和设备。这个水印由伪随机、密子集图像像素构成，例如线(20)的图案构成。凸出图像像素的数量(21-26)，例如，局部极端，角或边缘，被识别，并且确定它们是位于线图案(21-23)(即，在线图案(21-23)的附近δ之内)还是位于线图案(24-26)。在未加水印的图像(图2A)中，位于水印的最凸出像素(21)的数量基本与没有位于水印的最凸出像素的数量(25，26)相同。通过修改凸出像素的凸出率，使最凸出像素(21，23，25)的足够多数(21，23)基本上位于线图案的附近，使该图像嵌入水印。

Claims (9)

1．一种把水印嵌入图像的方法，包括以下步骤：计算(101)图像像素的凸出率(S_i，j)；识别(102)凸出图像像素(21-26)；以及处理该图像，以使预定百分比的最凸出图像像素(21，25，26)位于预定的水印图案(20)的附近(δ)之内；其特征在于：所述图像处理步骤包括修改(12)凸出像素(23，26)的凸出率。

2．如权利要求1所要求的方法，其中所述修改步骤包括降低没有位于所述水印图案附近的最凸出像素的凸出率。

3．如权利要求1所要求的方法，其中所述修改步骤包括增加没有位于所述水印图案附近的凸出像素的凸出率。

4．如权利要求1所要求的方法，其中所述计算像素凸出率的步骤包括滤波该图像，以及所述图像处理步骤包括改变包含有凸出像素的子图像的像素密集度以便依据希望的所述凸出像素的凸出率的修改程度来修改所述滤波器的响应。

5．如权利要求4所要求的方法，其中所述滤波器是2维滤波器，以及所述修改凸出率的步骤包括产生子图像与所述滤波器滤波系数的线性组合。

6．如权利要求4所要求的方法，其中所述滤波器是角检测滤波器，该滤波器的响应表示出角程度，以及所述修改步骤包括改变子图像的像素密集度以修改所述角程度。

7．如权利要求1所要求的方法，进一步包括反馈处理后的图像并且重复执行计算、识别和处理步骤，直至有足够百分比的最凸出图像像素位于所述水印图案附近为止。

8．如权利要求1所要求的方法，进一步包括通过把预定的像素图案加入均匀图像区域从而在这些区域中产生凸出像素的步骤。

9．一种把水印(W)嵌入图像(I)的设备，包括：计算图像像素凸出率(S_i，j)的装置(101)；识别凸出图像像素的装置(102)；以及处理该图像以使预定百分比的最凸出图像像素位于预定的水印图案(20)附近(δ)之内的装置(12)；其特征在于：所述图像处理装置(12)设置成修改凸出像素的凸出率。

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