CN1396569A - 一种用于向数字图像信号加入和提取数字水印的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于向数字图像信号加入和提取提取数字水印的方法，它通过对图像进行分层、分块，然后采用非线性整数变换对图像的分块进行变换，达到图像数据的无损重构。对嵌入的图像数据采用Hash函数来对其位置进行加密，利用Hash函数产生伪随机序列。通过大整数以及整数DCT变换的系数来达到极高的安全性。在水印提取过程中，用Hash函数再现随机序列，获取水印图像的信息。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，具有广泛的商业价值。

Description

一种用于向数字图像信号加入和提取提取数字水印的方法

技术领域：本发明涉及一种用于向数字图像信号中加入和提取数字水印的方法。

背景技术：随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上以密码学理论为基础，其保护方式均是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读，随着多媒体技术的广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上来说就是数字信号，如果对这类信号也采用密码加密的方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统的密码学的技术路线，尝试采用各种信号处理的方法对声像数据进行隐蔽加密，并将该技术应用于制作多媒体的“数字水印”。

几年来，数字水印技术(Digital Watermark)已经被大量应用于数字图像版权保护等领域。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐含的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印设计必须满足非法用户不能识别，只能够被合法的版权拥有者所确认的要求。

数字水印技术已经发展了两大类方法：第一种是将数字水印嵌入到频域中，频域中振幅较小的特定的某一段被改变。水印被嵌入到对图像影响最小的DCT系数中去了；第二种是水印被嵌入一个空的字段中。一个预定的非随机的像素集被选出来并被修改。对于第一种方法而言，现今所有的变换域上的嵌入数字水印的技术都是采用浮点运算，在加入和提取过程中都存在舍入误差，如：DCT、DFT、小波变换、Hadamard变换。基于这些变换的数字水印方法都是将水印信息嵌入到变换域的高频部分，但这些方法会产生下列问题：如果我们将图像的变换域上的高频分量提取的话，水印就被提取了，而且图像的损失很小，达不到水印加密的目的。如果嵌入低频分量中，由于在变换中会带来误差，图像和水印信息的损失都很大，对图像影响太大了。

对于第二种方法而言，由于是对特定的空字段加入水印信息，本身就加大了图像的数据量，而且加密的水印与图像本身结合不强，从而会带来安全的隐患。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在数字图像中加入和提取数字水印的方法，这种方法由于采用了整数DCT变换，可实现图像的无损重构，具有很好的安全性及很高的图像质量。

为实现上述目的，在数字信号中加入水印信号的步骤为：

-分块器将待加水印的数字图像分层、分块；

-随机取块器将分块的图像随机取块；

-判别器将随机取块器确定的块与临时表中的块比较，若无相同块，则存入临时表中，并将其送到整数DCT变换器，否则，回到随机取块器重新取块；

-整数DCT变换器将随机取块器确定的图像块进行整数DCT变换；

-水印插入器将水印信号插入整数DCT系数中，输出嵌入水印的整数DCT数据块；

-反整数DCT变换器将水印插入器输出的嵌入水印的整数DCT数据块进行反整数DCT变换，还原为嵌入水印的RGB图像；

-合成器将嵌入水印的RGB图像与未嵌入水印的RGB图像合并，输出完整的嵌入水印的数字图像信号。

从数字水印图像信号中提取水印信号的步骤为：

-分块器将待加水印的数字图像分层、分块；

-随机取块器将分块的图像随机取块；

-判别器将随机取块器确定的块与临时表中的块比较，若无相同块，则将其送到整数DCT变换器，否则，回到随机取块器重新取块；-整数DCT变换器将随机取块器确定的图像块进行整数DCT变换，转换成整数DCT数据块；

-水印提取器将水印信息从嵌入水印的整数DCT数据块中提取出来；

-合成器将水印提取器输出的水印信息合并成数字水印信号。

采用本发明方法得到的数字水印信号所具有的优点是：它具有很高的图像质量和很高的安全性。

具本实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是根据本发明表示在数字信号中加入水印信号的示意框图。

图2是根据本发明表示提取水印信号的示意框图。

参见图1，在将水印嵌入到数字图像中时，首先由分块器1对数字图像进行分层，将其分为R、G、B三层，然后对每一层分块，将其分为8*8的块，并且按照一定的顺序编号。分块后由随机取块器确定水印信息嵌入的位置，一般用(x，y，l，b)表示水印嵌入的位置，其中l表示R、G、B中的一层，取值为(0，1，2)，分别代表图像的R层、G层、B层。b表示R层图像或G层图像或者B层图像分块的序号，实际上我们是将RGB层图像进行分块，然后对这些分块进行编号，b实际上是表示水印信息嵌入的块。x、y则表示在分块中嵌入的位置。如果作8*8分块的话，x、y的取值范围为(0-7)。水印嵌入的位置(x，y，l，b)是这样确定的：对每一幅图像取一个标识ID_i，随机选取两个大的素数，p，q，计算参数n＝p×q，这里p和q是秘密的，n是公开的。p和q均有512位，图像的密码设为K。一、随机种子的产生，则分别取： $X={\mathrm{ID}}_i^k\mathrm{mod}n$ $L={\mathrm{ID}}_i^{\left(k^3\right)}\mathrm{mod}n$ $Y={\mathrm{ID}}_i^{\left(k^2\right)}\mathrm{mod}n$ $B={\mathrm{ID}}_i^{\left(k^4\right)}\mathrm{mod}n$ 其中(X、Y、L、B)为(x、y、l、b)的随机种子。二、初始大整数序列的产生，(Lx、Ly、Ll、Lb)L_x＝X²modn                   L_l＝L²modnL_y＝Y²modn                   L_b＝B²modn三、随机序列的产生(x、y、l、b)x＝L_xmodm_x                   l＝L_lmodm_ly＝L_ymodm_y                   b＝L_bmodm_b(mx、my表示图像分块的大小)  (l为图像分的层数)四、大整数序列的产生(Lx、Ly、Ll、Lb) L_x＝L_x ²modn                  L_y＝L_y ²modnL_l＝L_l ²modn                  L_b＝L_b ²modn五、由四产生的(Lx、Ly、Ll、Lb)

转到由三产生下一

个(x、y、l、b)，如此循环，得到了一个伪随机序列。在上面确定水印插入位置的随机过程中，存在两个问题。首先，位置

可能被重复选择，从而出现一个水印不同的位将被嵌入到同样的位置，这样可能会丢失一些水印的字节信息。另外，如果将水印信息嵌入到直流分量，这样图像的损失很大，破坏了原有的图像，而嵌入到高频时图像的损失很小，安全性又得不到保证。

为解决上述的问题，我们在判别器3中用一个临时的矩阵表来纪录所有的随机块x＝L_xmodm_x，  y＝L_ymodm_y，  l＝L_lmodm_l   b＝L_bmodm_b

当一个随机块产生后，判别器3将这个随机块和临时矩阵表中所有的块进行比较，如果新的随机块在临时矩阵表中已存在，则放弃此随机块。否则，将新的随机块记录到临时矩阵表中。这样可防止一个水印不同的位将被嵌入到同样的位置。

在前面的论述中，已经知道了如果将水印信息嵌入到直流分量时会给图像带来很大的损失，破坏原有的图像。如果将图像嵌入到高频时图像的损失很小，安全性得不到保证，因此只有将水印信息加入到图像的中低频部分，这样才能保证既有较高的安全性又有良好的图像质量。为此，判别器3在获取随机数(x，y，l，b)以后，将对其作一个判断，如果(x，y)＝(0，0)，就表明取的是直流分量，则弃掉此随机块，同样，如果得到的x＝7或者是y＝7，则表明取到的是高频分量，同样也该略去。

随机取块器2确定的图像块经判别器3判别后，由整数DCT变换器4将其作整数DCT变换，这里简要介绍一下整数DCT，对于DCT-II，设x(n)(n＝0，1，...，N-1)是一个实的输入序列。设N＝2′，这里t＞0。DCT-II定义如下： $X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\cos \frac{\mathrm{\π}(2n+1)k}{2N},k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1$ 设

为DCT-II的变换矩阵： $C_N^{\mathrm{II}}=\left(\cos \frac{\mathrm{\π}(2n+1)}{2N}\right),k,n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1$ 变换矩阵 能被分解为： $C_N^{\mathrm{II}}=P_N\left[\begin{array}{cc}{I}_{N/2}& 0\\ 0& U_{N/2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{C}_{N/2}^{\mathrm{II}}& 0\\ 0& C_{N/2}^{\mathrm{II}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{I}_{N/2}& 0\\ 0& D_{N/2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{I}_{N/2}& {\hat{I}}_{N/2}\\ I_{N/2}& {\widehat{-I}}_{N/2}\end{array}\right]$ 其中，I_N/2表示N/2阶的单位阵； 表示N/2阶的反对角单位阵 $D_{N/2}=\mathrm{diag}(2\cos \frac{\mathrm{\π}}{2N},2\cos \frac{3\mathrm{\π}}{2N},...,2\cos \frac{(N-1)\mathrm{\π}}{2N}),$

表示长度为N/2的DCT-II变换。有了这个分解，我们再用分数(形如β/2^λ)来代替

，然后对分解

式做几次变换，最后便得到了IntDCT-II的快速算法：step1：计算

g(n)＝x(n)+x(N-1-n)，h(n)＝x(n)-x(N-1-n)，n＝0，1，....，N/2-1；step2：计算 $\hat{h}={\stackrel{\‾}{E}}_{N/2}{\stackrel{\‾}{F}}_{N/2}h$ $\hat{h}={(\hat{h}\left(0\right),\hat{h}\left(1\right),...,\hat{h}(N/2-1))}^{\′},h={(h\left(0\right),h\left(1\right),...,h(N/2-1))}^{\′};$ step3：计算长度为N/2的IntDCT-II序列g(n)和h(n)，输出为G(k)，H(k)；step4：计算

X(2k)＝G(k)，k＝0，1，...，N/2-1，

X(1)＝H(0)/2，X(2k+1)＝H(k)-X(2k-1)，k＝1，2，…，N/2-1；

从而我们的到了IntDCT-II的快速算法。

整数DCT变换器4将随机取块器2确定的图像块转换成整数DCT数据块，然后再送到水印插入器5。水印插入器5顺序的读取一个水印信息(1位)，然后判断其为0还是1，如果是0，则表示为偶数，再对相应的整数DCT系数块(x，y)处的DCT系数进行判断，如果为偶数则保持不变，如果为奇数则将系数加1，使其变为偶数。同样，对取1时采用相反的过程，这样就将水印信息嵌入到了图像中。然后将嵌入水印的整数DCT系数块送到反整数DCT变换器6，反整数DCT变换器6将嵌入水印的整数DCT数据块进行反整数DCT变换，转换成嵌入水印的RGB图像，然后将嵌入水印的RGB层图像送到合成器7中，在这里与其它没有插入水印的图像块合并成包含数字水印的完整图像信号，这样就将数字水印插入了数字图像中。

参见图2，要将数字水印图像中的水印信号提取出来，首先由分块器8对数字水印图像进行分层，将其分别分为R、G、B三层。然后对每一层分块，将其分为8*8的块，并且按照一定的顺序编号。分块后由随机取块器9确定水印信息嵌入的位置，其确定过程和水印插入时相同，然后由判别器10将这个位置和临时矩阵表中所有的位置进行比较，如果新的位置在临时表中已存在，则放弃此位置，否则，将位置记录到临时表中。随机取块器9确定的图像块经判别器10判别后，由整数DCT变换器11将其作整数DCT变换，转换成整数DCT数据块，然后再送到水印提取器12。水印提取器12对随机获取位置的DCT系数作判断，看它的奇偶性，如果为偶数我们就将其视为0，为奇数就将其视为1，这样我们就得到了水印一个的数据流，重复这一过程我们就可以将水印数据从图像中完全提取出来。然后将提取出来的水印数据送到合成器13中，并将之与提取出来的水印数据合并成数字水印图像信号，这样就将插入数字图像信号中的数字水印提取出来了。

Claims (2)

1、一种用于向数字图像信号加入水印信号的方法，包括以下步骤：

-分块器(1)将待加水印的数字图像分层、分块；

-随机取块器(2)将分块的图像随机取块；

-判别器(3)将随机取块器确定的块与临时表中的块比较，若无相同块，则存入临时表中，并将其送到整数DCT变换器(4)，否则，回到随机取块器(2)重新取块；

-整数DCT变换器(4)将随机取块器(2)确定的图像块进行整数DCT变换；

-水印插入器(5)将水印信号插入整数DCT系数中，输出嵌入水印的整数DCT数据块；

-反整数DCT变换器(6)将水印插入器(5)输出的嵌入水印的整数DCT数据块进行反整数DCT变换，转换为嵌入水印的RGB图像；

-合成器(7)将嵌入水印的RGB图像与未嵌入水印的RGB图像合并，输出完整的嵌入水印的数字图像信号。

2.一种从已加水印的数字图像中提取水印信号的方法，包括以下步骤：

-分块器(8)将已加水印的数字图像分层、分块；

-随机取块器(9)将分块的图像随机取块；

-判别器(10)将随机取块器(9)确定的图像块与临时表中的块比较，若无相同块，则存入临时表中，并将其送到整数DCT变换器(11)，否则，回到随机取块器(10)重新取块；

-整数DCT变换器(11)将随机取块器(9)确定的图像块进行整数DCT变换，转换成整数DCT数据块；

-水印提取器(12)将水印信息从嵌入水印的整数DCT数据块中提取出来；

-合成器(13)将水印提取器输出的水印信息合并成数字水印信号。

Images