CN1477507A - 变换域数字水印的同步检测方法 - Google Patents

Abstract

一种变换域数字水印的同步检测方法，用混沌伪随机序列加密和扩频后的水印嵌入到载体图像块DCT变换域的中高频系数中，形成嵌入水印的图像。接收端根据密钥复制扩频码矩阵，并对其中除左上角被保护部分外的元素进行二维DCT反变换，得到对应空间域的检测码矩阵。对空间域检测码矩阵进行几何变换，使每个检测码矩阵与几何攻击后的载体图像中对应水印比特嵌入位置对准。将对准后的检测码矩阵和载体数字图像相关检测判决得到对应比特水印信息，解密并重排后还原出水印信息。本发明用水印的异域提取和水印追踪检测技术来完成变换域数字水印在几何变换等攻击下的同步检测，有效提高水印系统在压缩等信号处理以及几何攻击条件下的整体鲁棒性。

Description

变换域数字水印的同步检测方法

技术领域：

本发明涉及一种变换域数字水印的同步检测方法，是一种特别适用于对数字图像、视频等产品中数字水印在几何变换攻击情况下进行同步检测的方法。

背景技术：

近年来，随着计算机和Internet技术的普及，以及多媒体存储和传输技术的发展，数字产品的传输与共享变得非常容易，但这也带来了一系列关于版权纠纷的问题，如大量数字产品被非法复制。为了保护版权所有者的利益，希望能够找到一种有效的办法来保护这些数字产品的知识产权。数字水印就是在这样的背景下产生的适用于数字图像、视频等产品进行版权保护、发布追踪以及身份认证的技术。一般来说，数字水印技术在数字产品中嵌入不可见的但是可以标识产品所有者的信息，作为数字产品版权声明以及认证的依据，通过这种方式来保护所有者的利益。当前数字水印在两方面研究：一方面是鲁棒水印，主要用来进行多媒体数据内容的保护版权，它要求水印能够具有很高的鲁棒性。再者是脆弱水印，它主要应用于多媒体数据内容传输的认证方面，它要求水印对数字产品的篡改具有高度的敏感性。就实现难度而言，前者明显高于后者，同时对鲁棒水印的应用需求也更大；因此，当前国内外研究重点主要放在鲁棒水印上。鲁棒水印的设计要求考虑数字产品在发布过程中受到不影响其使用价值的处理时仍然能够提取出可用于版权认证的水印信息。这些处理可以分为两类：一类是通过去除或破坏数字产品中的水印信息来使水印提取失败，主要有压缩、滤波、噪化以及水印重复嵌入等方式；另一类处理不致力于去除数字产品中的水印而通过对数字产品的剪切、放缩、旋转等处理使水印提取时无法实现同步，进而使水印提取失败。当前的数字水印算法已经对前一类处理具有较好的鲁棒性，而对后者仍处于积极探索阶段，要找到在两种处理下同时具有鲁棒性的水印方案是当前研究的重点。

在目前研究的鲁棒数字水印当中，有以下两个典型例子。

(1)抵抗有损压缩和噪声污染的鲁棒水印算法示例

近年来，有一些文献提出了在图像或者视频的变换域(离散傅利叶变换(DFT)域、离散余弦变换(DCT)域和离散小波变换域等)嵌入扩频数字水印，同样在变换域用相关检测器来实现水印提取。例如，参考文献“Secure spreadspectrum watermarking for multimedia[J]，”(Cox I.J.，Kilian J.，Leighton F.t.，IEEE Transactions on Image processing，Vol.12，No.6，1997，pp：1673～1687.)提出了一种基于DCT域的扩频数字水印算法，通过将数字水印信息经过扩频嵌入到图像DCT域内中高频系数中来嵌入水印，提取时则通过相关检测并做判决得到水印数据。该方法对压缩、滤波以及噪声污染具有很强的鲁棒性，同时考虑人眼的视觉特性，因此水印信息具有很好的隐蔽性，数字媒体的主观质量也很好，故成为当前研究扩频水印和变换域水印的一个典型方法。

但是，这种方法没有考虑几何变换下的水印同步问题，同时由于水印的嵌入和提取均在变换域进行，因此对在空间域进行的几何变换(剪切、放缩、旋转)不具有鲁棒性。即使在准确知道数字图像(视频等)媒体经历的几何变换类型时，通过几何反变换回来的图像再变换到DCT域时中高频系数变化很大，因此相关检测到的水印与原来水印也已近相差甚大，即水印同步失败。

(2)抵抗几何变换攻击的数字水印算法

有一些学者提出专门针对几何变换攻击(剪切、缩放、旋转等)情况的鲁棒水印算法。这些算法通过对图像经历的几何变换进行估计来达到水印提取时的同步，例如，参考文献“Watermarking resisting to translation，rotation andscaling，”(M.Kutter，Proc.Of the SPIE：Multimedia Systems and Aplications，Boston，USA，Nov.1998，Vol.3528.pp：423-431)以及参考文献“Analysis ofpilot-based synchronization algorithms for watermarking of still images，”(Manueliguez；Fernando Pérez-González，Signal Processing：Image Communication，Vol.17，Is.8，Sept.2002，pp：611-633)的基于校准信号的水印同步方法，这些方法通过对图像的几何变换的估计，能够对一些常见的如剪切、放缩、旋转等处理具有一定的鲁棒性。

但这些方法仍然没有成熟，有以下两个缺陷：

(1)这些方法主要考虑对几何变换估计，估计后对数字图像进行几何逆变换，进一步的处理造成水印信息的进一步丢失；同时对几何变换中插值处理的影响只能被动的接受，没有进行补偿，因此对水印同步的效果还不够理想。

(2)与这些方法结合使用的往往是空间域的数字水印算法。空间域的数字水印算法对压缩、滤波以及噪声污染等处理的鲁棒性往往不及变换域的算法，同时嵌过水印的数字图像主观质量也稍差于变换域的方法。如果将基于校准信号的水印同步方法对现有的变换域水印方法同步，其效果不能令人满意。

综上所述，当前鲁棒水印算法中：变换域算法具有对压缩、噪声污染等处理的强鲁棒性，而对几何变换攻击鲁棒性较差；空间域设计的针对几何变换攻击的鲁棒水印，对几何变换具一定的鲁棒性，却又没有了变换域算法的优越性。设计拥有变换域水印算法和针对几何变换攻击设计的鲁棒水印算法所具有的优势的水印算法是当前鲁棒水印的研究重点。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种变换域数字水印的同步检测方法，用于对数字图像和视频的变换域扩频盲水印在几何攻击下进行有效的同步检测。

为实现这样的目的，本发明首先用混沌伪随机序列加密和扩频后的水印嵌入到载体图像块DCT变换域的中高频系数中，形成嵌入水印的图像。接收端根据密钥复制扩频码矩阵块，并对每个扩频码矩阵中除左上角被保护部分外的元素进行二维DCT反变换，得到对应空间域的检测码矩阵。对空间域检测码矩阵进行几何变换预处理，使每个检测码矩阵与几何攻击后的载体图像中对应水印比特嵌入位置对准。将对准后的检测码矩阵和载体数字图像相关检测判决得到对应比特水印信息。水印比特解密并重排，还原出水印信息。

本发明的具体操作步骤如下：

1)先用混沌序列发生器生成伪随机序列，并排列成矩阵形式作为水印信息的扩频码矩阵，将扩频码矩阵分成小块，每个小块扩频码对一个加密的水印比特进行扩频。

2)水印嵌入(变换域)。将载体图像分成小块，对每个小块进行二维DCT变换，每个小块内对左上角低频系数进行保护后与加权后的对应比特扩频水印信息相加；对每个小块做二维DCT逆变换并将各个小块重新组合起来，得到嵌入水印的图像。

3)水印异域提取检测码矩阵生成。首先根据密钥复制混沌伪随机序列，并排列成扩频码矩阵，将该扩频码矩阵按照水印嵌入时图像分块形式分成小块，并对每个小块扩频码矩阵中除左上角被保护部分外的扩频码进行二维DCT反变换，得到对应空间域的检测码矩阵，为水印在空间域的提取提供检测码矩阵。

4)水印对准追踪。根据估计的几何变换攻击类型和参数，对每个水印比特对应空间域检测码矩阵进行同样的几何变换，使每个检测码矩阵与几何攻击后的载体图像中对应水印比特嵌入位置对准，实现对载体数字图像中每个水印比特的对准追踪；

5)水印同步检测。将每个水印比特对应对准后的检测码矩阵和载体数字图像送入相关检测器，经检测判决得到对应比特水印信息。将得到的水印比特解密并重新排列，还原出原来的水印信息序列。采用上述的水印异域提取和水印追踪检测与现有的鲁棒水印方法相比：

1)本发明同时拥有了变换域水印和空间域算法的各自优点：水印信息扩频后嵌入到变换域，使得水印对压缩、滤波、噪化等处理下具有鲁棒性，同时保证载体数字图像(视频)更好的主观质量；水印提取在图像空间域进行，不用将载体图像重新变换到线性变换域，这样处理为几何变换攻击下水印的同步检测建立了好的前提，因为空间域水印提取方法对几何变换攻击更加有效。

2)本发明对载体图像中水印进行追踪后进行同步检测：这样一方面不用象现有同步检测方法那样用几何逆变换将载体图像变换回来，减少了载体图像中水印信息的二次处理丢失；另一方面，用同样的几何变换对空间域检测码矩阵进行几何预变换，可以实现它与载体图像中水印的最佳对准，因此可以有效地提取出载体图像中剩余的水印信息。

本发明用水印的异域提取和水印追踪检测技术，来完成变换域数字水印在几何变换等攻击下的同步检测，克服了当前水印算法的对工作域的依赖性，能有效提高水印系统在压缩、滤波、噪声污染以及几何变换等联合攻击下的整体鲁棒性，同时对现有的主要水印算法具有很好的兼容性，符合水印系统标准化发展趋势。

附图说明：

图1为本发明的数字水印嵌入流程。

图2为本发明的数字水印同步提取流程。

图3为DCT域低频系数掩模矩阵。

图4.(a)Pepper原图(b)二值水印图像(c)加密的二值水印图像(d)嵌入水印后的Pepper图像(PSNR＝40.7606dB)(e)无攻击条件下提取的水印图像(BER＝0.00073242)；

图5.(a)JPEG压缩后的Pepper图及提取的水印(BER＝0.1497)

(b)高斯噪声(σ²＝130.05)污染后的Pepper图及提取的水印(BER＝0.2002)

(c)缩小(最近差值)为原图像60％的Pepper图及提取的水印(BER＝0.1655)

(d)旋转30°(双线性插值)后的Pepper图及提取的水印(BER＝0.0696)

(e)联合攻击(缩小85％、旋转10°后进行边沿剪切)后的Pepper图及提取的水印

具体实施方式；

下面结合附图对本发明的实施方式加以详细的说明。

图1是数字水印的嵌入流程，图2是数字水印的同步提取流程。本发明的方法按图1图2所示流程，包括如下具体步骤：1.扩频码矩阵生成及水印加密

为了得到扩频码块矩阵来对水印比特进行扩频，本发明采用混沌映射的方法来产生。混沌序列是非线性方程(组)的一个特解，它的随机输出由一确定的方程(组)决定。本发明通过控制一组关于混沌系统的参数并且把它们当作是水印系统密钥的一部分。考虑如下一类一维混沌映射：

                  z_n+1＝f(α，z_n)  z_n∈[z_min，z_max]

其中，恰当选取参数α则该映射可能产生混沌现象，此时初值z₀的微小改动将产生完全不同的序列；如果知道初值z₀和参数α就能精确恢复该序列，否则，任何人都无法得到该序列，因此可以将初值z₀和参数α作为秘钥进行控制，从而保证系统的安全性。恰当选取初值z₀和参数α，并保证系统是混沌的，迭代运算得到一个一维随机序列z_n，对该序列进行±1量化得到p_n，保证p_n序列中的-1和+1出现的概率是相等的。将该序列排列成一个与载体图像形状相同的矩阵： $P=$ ${\[p_n\]}_{M_1\×M_2\text{'}}$ 这里M₁×M₂是载体图像X(i，j)，(1≤i≤M₁；1≤j≤M₂)的大小。将P矩阵均分成N₁×N₂个小块，则每个小块的大小为(M₁/N₁)×(M₂/N₂)；每个小块对应一个水印比特信息，则可以用来对N₁×N₂比特水印进行扩频，记第i个扩频码矩阵为P_i，其中1≤i≤N₁×N₂，且P_i中的元素均值为零。

扩频码块矩阵在两种情况下生成：1)水印嵌入之前用于水印扩频；2)水印检测时，按照密钥生成扩频码矩阵用于生成空间域检测码矩阵。

对水印数据进行加密既可以保证水印数据的安全性，同时可以使加密后的二进制水印数据两种取值(±1或者′0/1′)的概率相等。本发明同样采用一维混沌映射产生N₁×N₂长度的伪随机序列二值量化后对水印数据模2加进行加密，对加密后的数据进行扩频嵌入到数字图像当中。2.水印嵌入

载体灰度图像为X(i，j)，(1≤i≤M₁；1≤j≤M₂)，加密后的水印数据为二进制水印比特b＝{b_i|b_i＝±1，1≤i≤N₁×N₂}。按照水印b_i将载体图像分成N₁×N₂个小块，每个图像块对应P中的一个扩频块矩阵P_i；对每个图像块做二维DCT变换得到变换域系数矩阵，记作X_i。X_i中左上角的系数较大，对应图像块中的低频分量，右下方向的系数对应中高频分量。根据人眼的视觉特性将水印信息嵌入到X_i中高频分量上。用扩频码块矩阵P_i对加密后的水印进行调制后与掩模矩阵Q(如图3所示)中的对应元素相乘(对X_i中的低频分量系数进行保护)，得到矩阵与X_i相加完成水印嵌入： $\widetilde{X_1}=X_1+(b_1\·{\mathrm{\α}}_1\·P_1)\·Q....\left(1\right)$

其中，α_i是嵌入水印的强度 ，α_i根据X_i中高频系数的强度及方差 ${\mathrm{\δ}}_1^2=\mathrm{Var}(X_1\·Q)$ 来确定，α_i选取要求考虑图像的视觉效果和水印鲁棒性之间作出权衡；另外，掩模矩阵Q的选取也要考虑水印的鲁棒性和载体数字图像的质量，且式中的乘法是矩阵对应元素相乘。对

做二维DCT反变换，并将各小块组装得到嵌过水印的空间域图像 3.水印异域提取检测码矩阵生成

用密钥生成与水印嵌入阶段一致的扩频码矩阵 $P=$ ${\[p_n\]}_{M_1\×M_2},$ 并将其分成N₁×N₂个小块，每个小块同样记作P_i；用与嵌入阶段一样的固定掩模矩阵Q与扩频码矩阵P_i中对应元素相乘得到Q·P_i(其元素均值为0)，并对乘得的扩频码矩阵Q·P_i进行二维DCT反变换得到对应空间域的检测码矩阵SP_i。由于DCT正变换和反变换都是线性变换，因此SP_i中元素也是均值为零的随机变量。SP_i块矩阵同样可以排列成与P大小一致的大矩阵SP。4.水印对准追踪。

在收到载有水印的图像Y，Y可能受到包括几何变换在内的一种或多种攻击，本发明在几何变换攻击已知或者正确估计的前提下实现水印同步检测。几何变换攻击表示为T(ξ)，其中ξ表示几何变换的参数。为了追踪Y中的剩余水印信息，将空间域对应的检测码矩阵SP_i排列成大矩阵SP，并用同样的几何变换T(ξ)进行预攻击，得到攻击后的检测码大矩阵SP_T。为了将SP_T内对应SP_i的各个子块区分开来，每次只对SP中的一个空域检测码矩阵SP_i进行变换，而其它位置的SP_i置零，即对SPⁱ＝{SP|SP_i＝SP_i，SP_j＝0，j≠i}进行几何变换T(ξ)操作得到对应的SP_T ⁱ。SP_T ⁱ矩阵的大小与Y一致，但是其对应b_i比特的部分与水印比特凸b_i在Y中存在的对应位置是对准的。5.水印同步检测。

将Y和几何预攻击后的检测码矩阵SP_T ⁱ进行相关检测，判决得到对应的水印比特_i： ${\hat{b}}_i=\mathrm{sgn}(\mathrm{sum}<Y\&CenterDot;S{P}_T^i>)....\left(2\right)$ 式中，sum<x·y)表示求矩阵x和y的对应元素相乘并求和，对应于相关检测器的功能：

是符号函数，它完成判决器的功能，判决得出的_i取值为±1。考虑SP_T ⁱ与整幅图像Y的大小一致，相关运算时要求较大的运算量：同时，SP_T ⁱ中非零的部分仅占SP_T的一小部分，因此，可以只将Y和SP_T ⁱ中非零的那部分进行相关运算，其它为0的部分不进行运算，从而有效提高运算效率。根据密钥用混沌映射恢复解密序列，对_i进行解密，得到解密的水印信息。

实施例：

以下通过一个具体的例子对本发明的方法性能进行评价。

载体图像为512×512像素的8位灰度图像Pepper图，水印数据为一幅64×64比特的二值水印图像。用logist映射来产生扩频码块矩阵：

              z_n+1＝α·z_n·(1-z_n)，z_n∈[-1，+1]式中，当3.6＜α≤4时，系统是混沌的；取迭代初值z₀＝0.711，参数α＝4，并将参数α和初值z₀作为密钥的一部分。迭代生成长度为512×512的伪随机序列，并量化成取值为±1的p_n；将p_n排列成扩频码矩阵P。将矩阵P分成64×64个子块P_i，每个子块为一个8×8的扩频码矩阵P_i。生成另外一组64×64长度的伪随机序列，量化成0/1等概的序列，用该序列与64×64大小的二值水印图像进行模2加运算得到加密后的水印图像b。对每个b_i进行映射： 映射后的b_i取值±1。

载体图像X分成64×64个小块，每块大小为8×8像素，对每个小块经二维DCT变换后得到X_i。掩模矩阵Q的大小为8×8，取左上角的8个对应X_i低频分量系数的元素为零，对X_i的低频分量系数进行保护。水印强度α_i根据X_i的中高频系数的强度和方差来确定： ${\mathrm{\&alpha;}}_i=\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\sqrt{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2/(64-8)},$ 其中λ为一个常数，λ越大则α_i也越大，则载体图像的峰值信噪比(PSNR，Peak Signal-to-Noise Ratio)就越小，本例中取λ＝3。按照(1)式将水印b_i嵌入X_i中到得到 对 做二维DCT反变换，并将各小块组装得到嵌过水印的图像

相对原始图像X的峰值信噪比PSNR＝40.7606dB，与原始图像的主观质量相比看不出差别。

分别考虑嵌过水印的载体图像 在发布过程中经历JPEG压缩、噪声污染、缩放、旋转、剪切以及联合攻击等处理，接收的图像为Y，Y经历的几何变换记为T(ξ)。

接收端用密钥控制logist映射来生成与水印嵌入阶段一致的扩频码矩阵P＝[p_n]_512×512，并其分成8×8的小块扩频码矩阵P_i；对掩模后的矩阵Q·P_i进行二维DCT反变换得到对应空间域的检测矩阵SP_i，并组成SP。进而求得SP中每个SP_i在几何变换后T(ξ)作用后得到SP_T ⁱ，每个SP_T ⁱ与图像Y大小一致。将SP_T ⁱ和图像Y送入相关检测器进行水印提取，判决得到对应的第i个水印比特_i，进行映射 根据密钥用混沌映射恢复解密序列，对映射后的_i进行解密并排列成，为恢复的二值水印图像。

附图4和附图5的实验结果说明：本发明的方法使水印系统在JPEG压缩、高斯噪声污染处理以及缩放、旋转、剪切等几何攻击下均具有较强的鲁棒性。

附图4中：加密的二值水印图像(c)加密前的水印图像(b)相差甚大，看不出其间的联系，同时加密后的水印数据中0/1分布近似等概。水印嵌入对Pepper图像主观质量影响很小，同时在没有攻击的条件下能很好的恢复出水印图像(e)。

附图5中给出了几种攻击下用本发明的方法提取水印的效果：(a)中嵌有水印的Pepper图像经JPEG压缩由原来的257KB变为压缩后的43.3KB，从中提取的水印仍然可以识别。(b)中用零均值的高斯白噪声(方差＝130.5)对嵌有水印的Pepper图像噪化，噪化后的图像相对噪化前的峰值信噪比PSNR＝26.8645dB，从中提取的水印误码率为的0.2002，水印仍可识别。(c)和(d)中分别将嵌有水印的Pepper图像由原来512×512像素的缩小307×307像素和进行旋转30°的操作，并分别采用最近插值法和双线性插值法进行插值，从经过变换后的图像中提取的水印误码率分别为0.1655和0.0696。(d)依次对嵌有水印的Pepper图进行缩小(85％)、旋转(10°)后再将边沿部分剪切，联合攻击得到的图像为378×378像素的图像，从中提取的水印边沿部分由于对应载体被剪切，水印丢失，而中间部分仍然能够很好地识别水印内容。

综上所述，本发明采用水印的异域提取和水印追踪检测技术来完成变换域数字水印在几何变换等攻击下的同步检测，具有变换域水印算法对压缩、噪化的强鲁棒性以及更好的载体质量的优点，同时也具有了针对几何攻击设计的空间域鲁棒水印算法的优点。将本发明应用于数字图像、视频等产品中数字水印在几何变换攻击情况下的同步检测，可以提高变换域水印算法的同步性能，从而提高水印系统的综合鲁棒性。

Claims (1)

1、一种变换域数字水印的同步检测方法，其特征在于包括如下具体步骤：

1)先用混沌序列发生器生成伪随机序列，并排列成矩阵形式作为水印信息的扩频码矩阵，将扩频码矩阵分成小块，每个小块扩频码对一个加密的水印比特进行扩频；

2)水印嵌入：将载体图像分成小块，对每个小块进行二维离散余弦变换，每个小块内对左上角低频系数进行保护后与加权后的对应比特扩频水印信息相加；对每个小块做二维离散余弦逆变换并将各个小块重新组合起来，得到嵌入水印的图像；

3)水印异域提取检测码矩阵生成：首先根据密钥复制混沌伪随机序列，并排列成扩频码矩阵，将该扩频码矩阵按照水印嵌入时图像分块形式分成小块，并对每个小块扩频码矩阵中除左上角被保护部分外的扩频码进行二维离散余弦逆变换，得到对应空间域的检测码矩阵，为水印在空间域的提取提供检测码矩阵；

4)水印对准追踪：根据估计的几何变换攻击类型和参数，对每个水印比特对应空间域检测码矩阵进行同样的几何变换，使每个检测码矩阵与几何攻击后的载体图像中对应水印比特嵌入位置对准，实现对载体数字图像中每个水印比特的对准追踪；

5)水印同步检测：将每个水印比特对应对准后的检测码矩阵和载体数字图像送入检测器，经检测判决得到对应比特水印信息，将得到的水印比特解密并重新排列，还原出原来的水印信息序列。

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