CN1367924A - 数字图像水印方法 - Google Patents

Abstract

提供数字图像水印方法。该数字图像水印方法包括步骤:通过用于线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定方法组合这些集;以及从组合图像数据产生水印图像和密钥。嵌入在组合图像中的签名图像就存在和耐用性来说类似于组合图像。

Description

数字图像水印方法

                        技术领域

本发明涉及水印，更具体地说，涉及数字图像水印方法。

                        发明背景

数字水印是在数字图像或音频和视频文件中嵌入一称为签名信息的位模式、以便作为版权信息识别该图像或文件的技术。也就是说，数字水印可以用于提供版权保护目的。在版权材料为基于视频内容的情况下，将数字水印设计成使得签名信息不可见。在版权材料基于音频内容的情况下，将数字水印设计成使得该签名信息听不见的。此外，该签名信息必须均匀地遍布初始文件，以便不让用户识别出来或进行操作。此外，该签名信息还应该足够稳健，以便经受住对初始文件所作的一般改变，例如由于压缩算法的缩减。

图1图解了传统数字图像水印方法。参考图1，在该传统数字水印方法中，主图像和签名图像由快速富里叶变换(FFT)变换成富里叶系数，并且不仅将已经变换的签名图像的系数而且还将用于混合的口令或密钥附加到已经变换的主图像的系数空间域的高频部分，从而实现水印。现在，利用分离用的口令或密钥将已经加上水印图像分离成主图像系数和签名图像系数。接下来，分离出来的系数是逆快速富里叶变换(IFFT)，因而分别获得主图像和签名图像。

此外，根据另一个传统数字水印方法，签名图像和主图像利用离散小波变换(DWT)变换成小波系数，并将该签名图像的小波系数附加到已经变换的主图像的小波空间域，从而实现水印。

但是，根据传统的水印方法，由于嵌入主图像系数的签名图像的配置是基于每个像素点的两个系数的算术和的，因此不能保证这种配置的稳健性。这就是说，如果组合图像经历用于改变图像的重大图像处理，例如图像压缩，那么该算术和可以改变得如此严重，以至于一种类型的数据不可能与另一种数据分离。类似地，如果组合图像经历两次或多次轻微的图像处理，那么该算术和也可以改变得如此严重，以至于一种类型的数据不可能与另一种数据分离。

                            发明内容

本发明的第一个目的是提供数字水印方法，用于实现水印以使得嵌入组合图像中的签名图像就存在和耐用性来说类似于该组合图像。

本发明的另一个目的是提供一种数字图像编码方法，该方法包括数字水印方法。

本发明的第三个目的是提供计算机可读记录介质，用于存储实现数字水印方法的程序代码。

本发明的第四个目的是提供一种数字图像解码方法，用于解码由数字图像编码方法编码的图像。

本发明的第五个目的是提供一种数字图像水印处理器，用于实现水印，以使得嵌入组合图像中的签名图像就存在和耐用性来说类似于该组合图像。

本发明的第六个目的是提供一种数字图像编码设备，它包括数字图像水印处理器。

本发明的第七个目的是提供一种数字图像解码设备，用于解码由数字图像编码方法编码的图像。

因此，为了获得第一目的，提供一种数字图像水印方法，包括步骤：通过线性独立地组合这些集的预定方法组合主图像数据集和签名图像数据集，以及根据组合图像产生水印图像和密钥。

此外，该数字水印方法还包括步骤：利用密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

根据本发明的另一个方面，提供一种数字图像水印方法，它包括步骤：(a)在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；(b)按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；(c)按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及(d)依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。

预定的像素值最好是零。

此外，该预定的小波重构算法可以包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

此外，该数字图像水印方法可以包括步骤：(e)根据重构的定标系数集产生加了水印的图像和密钥。

该数字图像水印方法最好还包括步骤：(f)利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

为了实现第二个目的，提供一种数字图像编码方法，它包括数字图像水印方法。

为了实现第三个目的，提供一种计算机可读介质，用于存储实现数字图像水印方法的程序代码，该数字图像水印方法包括步骤：(a)在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；(b)按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；(c)按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及(d)依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。

为了实现第四个目的，提供一种数字图像解码方法，用于解码由数字图像编码方法编码的图像，它包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法，该数字图像解码方法包括步骤：利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

此外，为了实现第五个目的，提供一种数字图像水印处理器，它包括填充部分，用于在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；第一设置部分，用于按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；第二设置部分，用于按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及重构部分，用于依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数集重构这两种集。

为了实现第六个目的，提供一种数字图像编码设备，它包括数字图像水印处理器。

此外，为了实现第七个目的，提供一种数字图像解码设备，用于解码由数字图像编码方法编码的图像，该数字图像编码方法包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法，该数字图像解码设备包括解码器，用于利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

                             附图说明

通过借助附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将会更明显，其中：

图1是图解传统数字图像水印方法的一个示意图；

图2是图解根据本发明的数字图像水印方法的主要步骤的流程图；

图3是根据本发明的数字图像水印处理器的方框图。

                           具体实施方式

现在将参考附图详细描述本发明的优选实施例。

图2是图解根据本发明的数字图像水印方法的主要步骤的流程图。主图像和签名图像各自都包含多个像素。由于像素值对应于关于代表图像的各个像素的彩色向量的预定值的实例，所以该主图像的这些像素值可以广义地称为主图像数据集。下面关于主图像和签名图像的像素值分别将被称为主题像数据集和签名图像数据集。

根据本发明的数字图像水印方法，首先，填充签名图像数据集的各自数据以零作为像素值，从而使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同(步骤202)。

例如，当n、1和m是相互独立的预定正整数时，假设主图像由n个像素组成。此外，假设1代表同一方向即水平或垂直方向上的图像的像素数，该主图像数据集中的数据总量(也就是主图像的像素数)n等于2¹。此外，当签名图像由m个像素组成时，假设m等于0.25×n。

接下来，按层1的小波函数的小波系数集设置被填充的签名图像数据集(步骤204)。此外，按层1的定标函数的定标系数集设置主图像数据集(步骤206)。

现在通过利用其中交替地配置小波系数集的系数和定标自述集的系数的小波重构算法，小波系数集和定标系数集被重构成在比小波系数集和定标系数集所属的层1更高的层即层1+1上的定标系数集。生成的系数个数是2¹⁺¹。此外，包括在由小波重构算法重构的定标系数集中的小波系数集和定标系数集是线性独立的。

然后，从重构的定标系数集中产生加了水印的图像和密钥(步骤210)。2¹个系数最好在2¹⁺¹个系数中选择，并用作加了水印的图像的像素值。将剩余的系数与所使用的小波函数的类型一起考虑成密钥。例如，基于根据步骤208中的重构算法的交替配置交替地选择的系数，可以用作加了水印的图像，而剩余的系数可以用作密钥。

为了更好地理解本发明，现在在具有简单的用于定标重构和分解模式的Haar系统中采用该水印方法以及小波函数的情况下，将更详细地描述根据本发明的水印方法。

当k是1到2¹之间的数，j是代表层的数时，定标函数的定标系数可以表示成{s_k ^j}，小波函数的小波系数可以表示成{d_k ^j}，如步骤202至206所述。

步骤208的重构算法可以表示成下列模式(1)： $\left\{S_k^j\right\}\⊕\left\{d_k^j\right\}=\left\{S_k^{j+1}\right\}----\left(1\right)$

在Haar系统中，例如按照预定的分解算法，{s_k ^j}分解成{s_k ^j-1}和{d_k ^j-1}。

在Haar系统中，上述模式在算术上由下列等式(2)和(3)表示。 $S_k^{j-1}=\frac{1}{\sqrt{2}}(S_{2k-1}^j+S_{2k}^j)----\left(2\right)$ $d_k^{j-1}=\frac{1}{\sqrt{2}}(S_{2k-1}^j+S_{2k}^j)----\left(3\right)$

此外，利用等式(2)和(3)，该重构算法可以由下列等式(4)和(5)表示。 $S_{2k-1}^j=\frac{1}{\sqrt{2}}(S_{2k-1}^j+d_k^{j-1})----\left(4\right)$ $S_{2k}^j=\frac{1}{\sqrt{2}}(S_{2k}^{j-1}+d_k^{j-1})-----\left(5\right)$

根据上述重构算法，例如，按已加水印的图像设置{s_2k-1 ^j}，而按密钥设置{s_2k ^j}。此外，当主图像是{s_k ^j}，签名图像是{d_k ^j}时，所重构的图像被表示成{s_k ^j+1}，加了水印的图像可以{s_2k-1 ^j+1}由表示，而该密钥可以由{s_2k ^j+1}表示。

现在，水印领域的熟练技术人员会理解，可能利用该密钥从加了水印的图像中提取签名的图像。

如上所述，根据本发明的水印方法，主图像数据集和签名图像数据集利用小波重构算法进行组合，使得它们之间满足线性独立的关系。因此，由于嵌入的签名图像正交于与之组合的图像，所以组合图像的扰动等效地作用于组合图像分量和嵌入的签名图像分量，即两个正交的分量。结果，由于嵌入的签名图像和与之组合的图像线性独立，所以它们的失真度相互类似。

因此，根据本发明的水印图像和嵌入与之组合图像中的签名图像，就存在和耐用性来说，是相互类似的。此外，与不附加签名图像的情况一样容易恢复该主图像。

上述数字图像水印方法可以用于数字图像编码方法。

此外，由数字图像编码方法编码的图像可以由用于从加了水印的图像中提取签名图像的数字图像解码方法解码，其中该数字图像解码方法包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法。

此外，该数字图像水印方法和该数字图像编码方法可以是由个人计算机或服务器计算机实施的程序可写入的。该程序代码和构造该程序的代码段可以很容易地由该领域的计算机程序员推导出来。此外，该程序可以存储在计算机可读介质上。该记录介质的实例可以包括磁记录介质、磁光记录介质核对媒体记录介质。

此外，上述数字图像水印方法可以由数字图像水印处理器实现。图3是根据本发明的数字图像水印处理器的方框图。参考图3，根据本发明的数字图像水印处理器包括填充部分302、第一设置部分304、第二设置部分306、重构部分308和图像密钥产生部分310。该数字图像水印处理器基于图2所使得数字图像水印方法进行设计。

该数字图像水印处理器按如下方式运行。填充部分302以零作为像素值填充在签名图像数据集中的各自数据之间，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同。第一设置部分304按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集。第二设置部分306按定标函数的定标系数集设置主图像数据集。重构部分308依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。然后图像/密钥产生部分310根据从重构部分308输出的重构定标系数集产生加了水印的图像和密钥。

上述数字图像水印处理器可以包括在数字图像编码设备中。

此外，上述数字图像解码方法可以由数字图像解码设备实现。该数字图像解码设备(未示出)包括解码器，用于解码由数字图像编码方法编码的图像，其中该数字图像解码方法包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法。该解码器利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。水印领域的熟练技术人员应该可以理解利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。由于基于应用到编码的水印方法的特性，从存在和耐用性来说，该签名图像类似于组合图像，所以可以以一种更稳定的方式从组合图像中分离出签名图像。

虽然这里已经描述和图解了小波系数集和定标系数集的交替配置，但本领域的熟练技术人员应该清楚，在不脱离附属的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和改进。

如上所述，根据本发明，嵌入组合图像的签名图像就存在和耐用性来说，类似于组合图像。

                     工业应用性

数字水印可以用于提供基于数字格式的材料的版权保护的目的。

Claims (35)

1.一种数字图像水印方法，包括步骤：

通过线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定方法组合主图像数据集和签名图像数据集；以及

根据组合图像产生水印图像和密钥。

2.根据权利要求1的数字图像水印方法，还包括步骤：利用密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

3.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求1的数字图像水印方法。

4.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求2的数字图像水印方法。

5.一种数字图像水印方法，包括步骤：

(a)在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；

(b)按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；

(c)按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及

(d)依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。

6.根据权利要求5的数字图像水印方法，其中该预定的像素值是零。

7.根据权利要求5的数字图像水印方法，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

8.根据权利要求6的数字图像水印方法，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

9.根据权利要求5的数字图像水印方法，还包括步骤：(e)根据重构的定标系数集产生加了水印的图像和密钥。

10.根据权利要求9的数字图像水印方法，还包括步骤：(f)利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

11.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求5的数字图像水印方法。

12.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求6的数字图像水印方法。

13.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求7的数字图像水印方法。

14.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求8的数字图像水印方法。

15.一种数字图像编码方法，包括根据权利要求9的数字图像水印方法。

16.一种计算机可读介质，用于存储实现数字图像水印方法的程序代码，该数字图像水印方法包括步骤：

(a)在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；

(b)按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；

(c)按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及

(d)依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。

17.根据权利要求16的计算机可读介质，其中该预定的像素值是零。

18.根据权利要求16的计算机可读介质，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

19.根据权利要求17的计算机可读介质，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

20.根据权利要求16的计算机可读介质，还包括步骤：(e)根据重构的定标系数集产生加了水印的图像和密钥。

21.根据权利要求20的计算机可读介质，还包括步骤：(f)利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

22.一种数字图像解码方法，用于解码由数字图像编码方法编码的图像，该用于解码由数字图像编码方法包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法，该数字图像解码方法包括步骤：利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

23.一种数字图像水印处理器，包括：

填充部分，用于在签名图像数据集中的各自数据之间填充预定的像素值，以使得签名图像数据集的大小与主图像数据集的大小相同；

第一设置部分，用于按小波函数的小波系数集设置已经填充的签名图像数据集；

第二设置部分，用于按定标函数的定标系数集设置主图像数据集；以及

重构部分，用于依照其中小波系数集和定标系数集线性独立地配置的预定小波重构算法，按照在比小波系数集和定标系数集所属的层更高的层上的定标系数重构这两种集。

24.根据权利要求23的数字图像水印处理器，其中该预定的像素值是零。

25.根据权利要求23的数字图像水印处理器，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

26.根据权利要求24的数字图像水印处理器，其中该预定的小波重构算法包括步骤：交替地配置小波系数集的系数和定标系数集的系数。

27.根据权利要求23的数字图像水印处理器，还包括步骤：(e)根据重构的定标系数集产生加了水印的图像和密钥。

28.根据权利要求27的数字图像水印处理器，还包括步骤：(f)利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

29.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求23的数字图像水印处理器。

30.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求24的数字图像水印处理器。

31.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求25的数字图像水印处理器。

32.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求26的数字图像水印处理器。

33.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求27的数字图像水印处理器。

34.一种数字图像编码设备，包括根据权利要求28的数字图像水印处理器。

35.一种数字图像解码设备，用于解码由数字图像编码方法编码的图像，该数字图像编码方法包括步骤：实现用于以线性独立地组合主图像数据集和签名图像数据集的预定组合方法，组合主图像数据集和签名图像数据集，并用于根据组合图像产生加了水印的图像和密钥的数字水印方法，该数字图像解码设备包括解码器，用于利用该密钥从加了水印的图像中提取签名图像。

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