CN1517855A

CN1517855A - 图像数字水印方法

Info

Publication number: CN1517855A
Application number: CNA031171680A
Authority: CN
Inventors: 李炳法; 孙家水
Original assignee: CHENGDU YUFEI INFORMATION ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: CHENGDU YUFEI INFORMATION ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-08-04

Abstract

本发明公开了一种图像数字水印方法，其特征是输入产品数据，由数据变换件将其变换为频域数据，用户输入私人信息，由RS件生成水印信息，由水印嵌入件将水印信息嵌入到产品频域数据中，再由数据变换件将嵌有水印的频域数据变换到空域/时域形成产品数据，最后由产品输入输出件输出添加水印的产品进行发布；水印检测将待检测产品数据变为频域数据，将个人信息由RS件生成水印检测验证所需信息，由水印信息检测件将产品频域数据与水印检测验证数据进行相关分析，结果由解释件进行解释。具有隐形性、稳健性好、防止各种猜测攻击的优良性能。

Description

图像数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种信息隐藏技术，确切说是涉及一种图像数字的频域水印方法，是一种可以在开放的信息环境下使携带数字水印信息的作品、产品能被合法使用，而作品、产品中所隐藏的水印信息，能随时被提供检测使用，可以为知识产权的保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和仿伪提供非常有效的解决办法。

背景技术

随着计算机技术的发展，多媒体产品迅速增加。同样由于网络的迅速普及使得这些产品的获取渠道也飞速拓宽，操作这些媒体的各种工具也猛增。所有这些都使得数字产品的合法使用成为一个非常严峻的课题。为保护这些产品的版权，仅靠注册其所有权已无法有效保护作者的合法利益。随意拷贝、随意发布，甚至偷换所有权来牟利，这些都严重损伤作者的利益。因此，如果通过信息伪装技术，将版权所有者的个人信息隐藏于其本身作品中，以便随时鉴别，则维护作者的合法利益将变得比较容易。同样，将这样的信息隐藏于注册的商标中，也可以防止造假者伪造商标；再与其他的防伪技术相复合，可以防止非法拷贝、复印。将信息隐藏技术与传统的加密技术(如PGP、数字签名等)相结合，可产生像个人指纹一样的数据，根据注册的ID来进行各种认证操作。

数据隐藏类似数据加密，但不同于传统的加密。数据隐藏的目的不在于限制正常的资料存取，而在于保证隐藏数据不被侵犯和非法重视。另外，信息伪装必须考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后而免遭破坏的能力。在图像传递过程中，机密资料若是在非法拦截者破解的过程中消失，则机密资料可以说是安全的，倘若机密资料是在正常的处理过程中消失，则机密资料的传递算是失败的、无效的，必须重新传递。一般的多媒体形式的文件，其信息量都非常大，为了节省传递时间，在传递之前都会将传递的信息资料进行压缩处理。因此，信息伪装还必须考虑诸如图像压缩这种非恶意操作造成的威胁，使机密资料对正常的有损压缩技术具有免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏资料的信息不易被有损压缩破坏，也不易被通常的信号变换操作破环。要求隐藏的数据量与隐藏的免疫力是互相矛盾的，不存在一种完全满足这两种要求的方法。通常只能根据需求的不同有所侧重，采取某种妥协。从这一点来看，实现真正有效的数据隐藏的难度很大，因而十分具有挑战性。信息伪装具有以下几个特性：

隐藏性：这是信息伪装的基本要求，经过一系列隐藏处理的图像(宿主图像)没有明显的变质，隐藏的信息无法被人的感官直接感受。

隐藏场所的安全性。应将欲隐藏的信息藏在目标图像的内容之中，而非文件头等处，防止因格式变换而遭到破坏。

免疫性：隐藏处理后的图像，具有抗拒因图像文件的某种改动而导致隐藏信息的丢失的能力。所谓改动包括：传输过程中的信息噪声、过滤操作、重新采样、编码、有损压缩、模/数转换。

隐藏数据编码的非对称性。保证不使存取难度增加。

编码纠错性。为了保证隐藏数据的完整性，使其在经过各种操作和变换后仍能很好的恢复。

隐藏数据的自产生性。经过一些变换，可能使图像产生较大的破坏，如果仍能从留下的数据中恢复隐藏信号，而且恢复过程中不需要宿主图像，这就要求隐藏的数据必须具有某种自相似特性。

数字水印技术正是这样一种信息隐藏技术，但又与之不完全相同。近来被作为媒体产品版权保护的强有力的方法在到处都被推荐使用。数字水印是一种媒体数据添加少量信息，在对原数据作微小修改之下使之具有作版权保护的版权信息的一种技术。在从嵌入水印媒体数据中检测/提取信息的帮助下，它可以用于跟踪和鉴别标识作品的所有权、数据的授权使用认证等。例如在数字水印技术用于数字作品的版权保护时，为保证作品的使用不受版权保护要求的影响(如果采用数据加密，则加密后的数据必须经过解密后才能使用)，就必须将版权信息或其他标志版权的信息隐形地嵌入到数据中，这是传统数据加密技术无法处理的。同样，根据需要可将这样类似的信息嵌入到媒体数据中，再将其印刷输出，则可形成数字水印防伪标签，由于这样的标签可以防伪造，但不能防复印拷贝，就必须将数字水印技术与其他的防拷贝技术复合，复合后的防伪标签将可以以低成本的优势应用于各种大小商品的防伪。

数字水印有感觉上可见与不可见之分。对于可见水印，就如同货币的有形图案，我们可以通过感觉器官感知；而不可见水印，是指无法直接感知，但又确实存在的东西，我们可以通过特定的方法进行某种处理之后感觉到，如货币上的隐形水印，需借助紫外线照射才可能看见。

通常，不可见水印有两个基本的要求：(1)隐形性，即不能干扰被保护的媒体数据正常使用；(2)稳键性，即水印必须难以被破坏或伪造。对于一般的信号处理或恶意攻击，应不影响水印的正常检测。特别地，水印在信号处理后仍能被检测/析取。这些信号处理包括：D/A和A/D转换，重采样，滤波、平滑、增强、压缩、几何变换(旋转、缩放)、剪切等。另外，该水印还应具有防御故意的想删除水印的攻击行为的能力。数字水印系统应能保证假水印产生的可能性接近没有。应该注意的是，这两个基本要求，隐形性和稳健性，是互相冲突的。事实上，数字水印的一个基本问题就是要在这两者之间达成一个好的平衡。

数字水印的早期研究集中于隐形上，而没有考虑稳健性要求。最近，大量工作都集中在设计一个稳健的水印方案。各种视觉模型也被用到，以达到两个基本要求之间的最佳平衡。

通常，水印方案按水印添加的数据状态可分为两类：空域和频域方案。空域方法是将水印信息在需保护数据的时域(或空域)直接进行某种幅值调制，而这种调制过程不明显影响该数据的正常使用。M.Kutter就使用空域方法，并基于测试图像领域平均评估了原图像数据，同时探索性估计了测试图像的判决门限。所谓频域方法是指水印信息是嵌入在原数据经过某种变换后的频域数据中。由于绝大多数信号处理操作，在频域具有很好的特性，且前期的许多好的视觉模型也是在频域中研究的。因此，频域水印方案有很大的优势。

水印方案按检测方式可分为：基于提取的水印方法和基于检测的水印方法。水印检测可根据不同要求采取不同的方式。比如有时需要检测出水印确切信息，有时又只需要检测有无指定水印信息。因此，相应的水印检测，可用信号提取方法和信号统计检测分析方法。

所谓水印提取法，指按一定方法从数据中提取出水印信息，然后该水印信息与所有者的水印信息进行比较。一般来说，能进行水印提取的信息是由有一定意义的信息序列表示的，这些信息按二进制串的形式排列。在嵌入数据中后以各种状表示，比如以数据的正负表示0、1值；当所有0、1序列从数据中提取出形成一个串时就形成了提取的水印信息。所谓水印检测法，指不用进行水印提取，而直接从可能含有水印信息的特征集中进行统计分析，以判断是否具有指定水印。例如，在数据D中嵌入由所有者提供的信息产生的伪随机序列S，生成带水印的数据X作为发行版，在检测时，只将待检测的数据X与S进行相关性分析，根据相关程度给出鉴别的真伪。

许多水印方案都要求提供原始数据以供水印检测，也有一些提出了不需原始数据的水印位检测。这些方案都不能直接用于版权保护，许多都只能用于一般信息隐藏，不能防破坏攻击或伪造。以图像数据为例作如下分析：

给定原始图像I，签字信息S，然后将S嵌入I创建一带水印图像I′，I与I′在感觉上是一样的。通常，嵌入过程可以是任意函数f(I，s)，但实际应用中的许多嵌入操作只是简单的加法。水印检测时，给定等检测图像X(假定有确定的水印信息)，首先从X中析取S′(这经常需要使用原始图像I)，后将S′与S进行相似分析，其相似值与一门限比较，以确定X是否是原始图像的带水印的某种版本。以前普遍认为，不可见水印方法可用于数字媒体版权保护，因为从数据中提取的信息必须与拥有者所提供的信息相匹配。然而，研究发现，一个伪劣的水印方案可导致许多人同时宣称拥有某一作品。换句话说：“作品的真正作者再不能以他在此作品中嵌入了他的隐形信息而宣布拥有权，因为别人在技术上可以有同等的证据表明同样具有所有权”。当一个水印方案的检测需要原始数据时，就会出现这种情况，这称为逆镶嵌水印攻击。出现这一问题的关键点在于，这种水印方法的检测过程是基于待检测数据与原始数据的差异进行的。

可以假定I与X之间的差异为可能的水印信息。如果拥有I的人和当前保存X的人都知道这样一种关系，则他们都可以宣称另外一个是带水印版本，而他自己所保存的为原始版本。当然，X的拥有者不应被假设为知道这种关系。因此，表面看来，X的拥有者不能声明I是X的水印版。但是，拥有X的人实际上可以用X创建一个减去他自己的签名信息S_x且感觉上与I一样的复制品X′。现在X的拥有者可以完全知道X与X′之间的关系。对于X′而言，只要签名信息S_x被承认，I与X是统计相当的，则X′与I就有复制的这种关系。因此，X的拥有者准确知道X′与I之间的关系，他就可以声称他拥有原始数据X′，I与X是X′的水印版本。此时，同一种数据就有了两个甚至多个主权人，没有其他任何人可以区分真假。更有可能，X的拥有者都懒得作一个复制品X′，直接声称自己没有发行任何水印版本的数据，而I的所有者只是从X中减去了签名信息Sx得到I，对法官来说根本无法判断谁是罪犯。

发明内容

本发明的目的在于：为解决目前在多媒体数字作品版权保护和认证来源认证、篡改认证、网上发行及用户跟踪等方面存在的一系列问题，提供一种隐形性、稳健性、自相似性好，能有效防止逆镶嵌水印攻击、防御故意删除水印攻击的图像数字水印方法，为数字产品的知识产权保护，数字图像的隐蔽标识，为法庭、医学、新闻及商业所需的篡改提示，数字信息的隐蔽通信和印刷防伪提供可靠的保证。

本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：

一种图像数字水印方法，由水印信息生成，水印信息隐藏及水印信息检测方法组成，其特征在于：水印信息的生成与隐藏按下述方法进行：由用户提供需保护的产品和个人信息，包括个人的注册ID或有意义的文本，自己保存的私人密码，通过一个单向过程将个人信息嵌入至产品中；该过程将按某种算法将生成的水印序列S₁，以一定强度叠加到产品的频域数据D_f中；具体说为给产品添加水印来进行版权保护，其做法是先将产品文件由输入输出件读入，形成产品数据；由用户在信息输入件中填充私人信息；在用户进行确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印添加所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据，再由水印嵌入件将水印信息数据嵌入到频域数据中；之后，由数据变换件将频域数据变换到时域/空域形成产品数据；最后，由产品输入输出件输出形成添加水印后的产品进行发布；为了检测一产品版权信息的真伪，水印信息的检测按下述方法进行：将待检测产品由产品输入件读入形成产品数据；由用户在用户信息输入件中输入自已的私人信息；在用户确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印检测验证所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据；由水印信息检测件，将频域数据与水印信息验证数据进行相关分析，输出一相关值；最后由结果解释件对相关输出值进行解释。

本方法的优点在于：本方法采用的随机数序列与常规随机数序列相比较，克服了常规方法的准周期特性；本方法创造的关联序列，其可靠性无论是对正向猜测攻击，还是逆向数据分析攻击都具有阻断墙作用，其水印检测的可靠性和有效性得到了极大提高；本方法采用的双通道水印技术进行水印信息的添加与检测，在水印信息序列长度一般情况下，可以保证水印检测的有效性和可靠性；在给定门限时，本方法的误检率是传统相关检测误检率的平方，检测可靠性提高了一个几何量级，有效克服了水印信息隐形性与稳健性间的矛盾；本方法中采用的小波变换技术，使得能够定量的分析图像中水印信息的能量最优值，使得能够同时保证水印的隐形性和稳健性，本方法对印刷产品的检测研究，拓宽了水印技术应用领域。

附图说明

图1为水印添加过程及控件组成示意图

图2为水印检测过程及控件组成示意图

图3为水印信息嵌入件的模块构成示意图

图4为水印信息检测件的模块构成示意图

图5为RS件模块构成示意图

图6为关联随机序列发生的模块结构示意图

图7左图为常规方法产生的随机数序列图，右图为混沌映射产生的随机数序列图

具体实施方式

一种图像数字水印方法，由水印信息生成，水印信息隐藏及水印信息检测方法组成，其特征在于：水印信息的生成与隐藏按下述方法进行：由用户提供需保护的产品和个人信息，包括个人的注册ID或有意义的文本，自己保存的私人密码，通过一个单向过程将个人信息嵌入至产品中；该过程将按某种算法生成的水印序列S₁，以一定强度叠加到产品的频域数据D_f中；具体说为给产品添加水印来进行版权保护，其做法是先将产品文件由输入输出件读入，形成产品数据；由用户在信息输入件中填充私人信息；在用户进行确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印添加的所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据，再由水印嵌入件将水印信息数据嵌入到频域数据中；之后，由数据变换件将频域数据变换到时域/空域形成产品数据；最后，由产品输入输出件输出形成添加水印后的产品进行发布；为了检测一产品版权信息的真伪，水印信息的检测按下述方法进行：将待检测产品由产品输入件读入形成产品数据；由用户在用户信息输入件中输入自已的私人信息；在用户确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印检测验证所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据；由水印信息检测件，将频域数据与水印信息验证数据进行相关分析，输出一相关值；最后由结果解释件对相关输出值进行解释，以此判断版权信息的真伪。其中：

a、产品输入输出件：是支持多种媒体文件格式的系统，能根据系统给出的指令，读取产品的某些数据作为空域/时域数据，传递给数据变换件；还根据指令接收空域/时域数据，并将之放置回产品的指定位置形成修改后的产品。

b、用户信息输入件：是用户提供个人信息的界面，该界面可接收文本或图像。

c、数据变换件：由于小波分析具有较好的时频特性、快速计算能力、可并行计算及可根据用户指定数据特性和分析需要自行构造小波等优点，本方法选择基于小波变换的频域水印方法；数据变换件根据要求完成数据的正向和逆向数据变换，本方法采用了二维数据的正向和逆向小波变换。

d、随机序列产生控件，简称RS件：数字水印信息包括水印序列S和水印所在位置序列P两个数据，这两个序列由RS件产生，因此它是水印信息数据生成件；RS件的输入接收用户信息输入件传来的明文信息和个人密钥，嵌入或水印检测所需要的水印序列和位置序列。由于数字水印的关键问题，是解决用户水印信息的唯一性，可靠性和安全性，即用户在提供有效或无效输入时所产生的结果，必须满足是版权检测所期望发生的，这个保证就完全由RS件的可靠性和安全性来保证。所以，RS件必须满足数字水印技术的单向性，同时也必须有足够的计算复杂度，以防止攻击者按正向搜索寻找到密码和明文信息，因此RS应满足以下要求：

①不可逆：即不能留下逆镶嵌攻击漏洞。

②不能分析猜测；分析猜测往往根据输入与输出的规律分布，从水印序列和位置序列反猜输入数据的范围区间，缩小搜索的空间以较快地获得猜测的成功。这可以通过增加输入至输出的敏感性来克服，即选择可行算法使得输入数据的微小变化都会引起输出序列的大范围漂移，从而无法定位输入与输出的大致映射关系。

③单一输入对应唯一输出；为减少不同输入产生相同输出的可能性，需要使输入与输出为一一映射，这同时也减小了猜测攻击的可能性。

④随机猜测概率为0；当过程不可逆且整个输入与输出的映射为随机映射时，攻击者就可能会简单地采取猜测攻击方法，这时，若随机猜测概率非常小即接近于0时，可以说只有产品所有者才能知道自己的水印信息所在。

对于不可逆性，很多映射函数都具有单向性。因此，主要是防止分析猜测，尽量使单一输入对应唯一输出。因为分析猜测主要是根据映射的规律进行的，若这种映射是随机的，则就不会有规律可寻，其随机猜测概率就非常小。因此，提高水印信息序列的随机性是水印技术的一个重要方面。本方法采用动力混沌系统的混沌映射来产生随机序列，同时在映射过程中进行一些变换以增强对输入的敏感性；同样，为尽量减小随机猜测的概率，本方法以并联方式生成关联的水印序列与位置序列，这样，即使随机猜中其中一个，也无法同时猜中另外一个。图5给出了RS件的构成，图中密码k和明文信息d来自用户信息输入件。本RS件的功能是生成水印信息随机序列。它首先要确定一个与输入对应的随机数种子，该种子产生的序列必须满足前述基本要求，序列产生操作是用于产生随机位置序列和服从N(0，1)分布的随机正态序列；一般情况下，可由模余随机数发生器产生均匀随机整数序列作为位置序列，由正态随机数发生器产生正态分布序列；本方法用混沌映射来产生[0，1]间的均匀随机数序列，并以此生成位置序列；同样以此均匀随机数序列进一步产生正态分布序列；图6给出了具体模块结构；图中[0，1]均匀分布随机序列发生器，用于产生一个随机分布序列，产生方法是基于混沌映射理论建立的人字满映射，其映射的数学描述为：

式中的初始值为前面生成的随机数种子seed，μ为人字映射的左边斜率值，其中μ取值为3/8。正态序列发生器根据mi序列产生正态分布序列S_i，每个S_i的产生以mi为种子，其数学描述为：

S_{i} = Σ_{j = 1}^{12} rj - 6

式中rj为以mi为种子生成的在[0，1]间均匀分布的12个随机数；位置序列P的生成过程相对比较复杂一点，在[0，1]均匀分布随机数序列产生后，根据输入密码位序列的位值(0/1)来确定是否对mi进行逆转变换；再将这个随机数序列映射到[a，b]上，形成一个整数随机数序列，即位置序列P。

其数学描述为：

P_i＝a+(b+1-a)·m_i

式中下标i对应随机数序列的位置，如果i大于输入密码位序列的尺寸，则循环取值。密码位序列是将密码串的各个字符按二进制方式组成的二进制串。

从RS件的构成可以看出，任何输入密码的微小变化将引起序列种子的变化，其产生的随机数序列也将随之漂移，密码序列的微小改动更会使得最后的位置序列大相径庭。

由于攻击往往通过逆向猜测来进行，即先从数据中选取某些位置的数据作为添加有水印的特征集，因此选定后的水印信息数据，应同时包括给定的位置序列和水印序列。如果要通过猜测来获取输入密码和明文信息，则必须同时通过位置序列和正态序列的猜测，这使得猜测成功概率极大缩小。在某些情况下，根本就不会出现这种攻击成功的可能性。

e、水印信息嵌入件：是水印嵌入过程的关键件，它首先从频域数据D_f中提取特征集I，再将水印信息序列按给定算法叠加到I中，形成特征集I′，再将I′置换频域数据D_f中对应位置的数据，形成带水印的频域数据D′_f。图3给出了水印信息嵌入件的模块构成，图中的特征集提取操作，就是从频域数据D_f中，根据位置序列P来选取用于水印嵌入操作的数据，根据水印的隐形性要求和稳健性要求，水印数据应嵌入到中低频段，这既可以防止故意用滤波或压缩等数字方法来删除水印，又可以在一定质量保证下保护原数据的完好性。提取的特征集I是频域数据D_f的一个子集，其数学描述为：I＝f(D_f，P)，这里f函数为从D_f中选取操作，如果位置序列为P_i∈[a，b]的序列，D_f总数据个数为m个，低频数据为m_l个，高频数据为m_h个，则选取函数f定义为：

I_{i} = f (D_{f} {, P}_{i}) = D_{f} [m_{l} + (Σ_{k = 0}^{i} P_{k}) % (m - m_{l} - m_{h})]

式中下标i，k为元素在集合中的位置，其

m_{l} + (Σ_{k = 0}^{i} Pk) % (m - m_{l} - m_{h})]

为计算特征集第i个元素在频域数据D_f中的位置；图中特征集回置操作是将修改后的特征集I′数据，置换频域数据D_f中对应位置的数据，该操作是特征集提取操作的逆过程，其数学描述为：

D_f[g(D_f，P_i))]＝I_i

式中函数g为计算特征集第i个元素在频域数据D_f中的位置，函数g定义为：

g (D_{f}, P_{i}) = m_{l} + (Σ_{k = 0}^{i} P_{k}) % (m - m_{l} - m_{h})

嵌入操作是将水印序列S按一定模型叠加至特征集数据中，也是水印数据真正嵌入到产品中的操作，其数字描述为：

I′＝I+G(I)·S₁

其中G(I)为叠加强度，它控制嵌入数据的隐形性。

f、水印信息检测件：是产品版权鉴定过程的关键件；它首先从频域数据D_f中提取特征集I，再将由RS件产生的水印信息验证序列S₂与特征集I进行相关性分析，输出相关结果值供参考。由于水印序列S₁与水印信息验证序列S₂由同一RS件产生，在一样的输入时，产生的序列S₂＝S₁；图4描述了水印信息检测件的构成。图中特征集提取操作与水印信息嵌入件的特征集提取操作完全一样，就是从频域数据D_f中根据位置序列P来选取用于水印检测操作的数据。

本方法产生的位置随机序列与常规伪随机整数序列比较表明：常规方法产生的伪随机序列，在给定种子后产生的周期性重复与随机数据的随机性要求不相符，图7分别为本方法混沌映射生成序列图和常规随机数产生方法产生的随机数序列图，由图看出本方法有非常好的随机效果，而常规方法显示出周期性导致安全性较差。

相关检测门限的选取。

门限的选取需要综合考虑各方面因素，其中主要是随机序列的可靠性，一般选择为添加信息强度的一半。本方法中的关联水印技术，其安全性已得到极大提高，因此适当降低门限值不会威胁到水印技术的安全性和可靠性。

根据双通道数字水印技术理论分析，相对于单通道水印技术，在相同门限下的误检率要低一个几何量级。例如对于门限T＝5的误检率，由5.73×10^-7降低到3.28×10^-13。假设对本方法水印技术的每秒猜测搜索1个水印信息，要获得一个达到给定相关检测输出门限的时间需要3 16881年。如果我们将门限调为4，则单通道误检率为6.33×10^-5，本方法双通道技术下的误检率为4.01×10^-9，即在同样假设下获得一个达到检测门限的时间为7.9年，因此，实际应用中可以将门限设定为4。

本方法数字水印技术在CPU主频为850M的微机上，检测一个水印信息所花费时间大约为0.8秒。针对门限值4，如果要搜索寻找一个达到要求的水印信息需要5～6年时间。

目标图像提取

用HP6L打印机打印输出的图像，经EPSON扫描仪输入的图像。用小波变换进行高通滤波处理，所获得的边缘数据非常好，使用不同长度的正交小波基进行滤波处理，所得到的边界数据完全一致，因此考虑长度较长的小波基光滑效果较好。

水印的隐形性

其度量指标是图像的失真度：均方误差(MSE)，信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)。其计算按下面公式进行：

其中：

σ^{2} = \frac{1}{N} Σ_{i = 0}^{N - 1} {(Xi - \overset{__}{X})}^{2},

\overset{__}{X} = \frac{1}{N} Σ_{i = 0}^{N - 1} Xi,

X为添加水印后图像的像素值。添加水印后的图像与原图像相比其隐形性按上述指标分别为：MSE＝2.1，SNR＝33.6，PSNR＝44.9。以肉眼观察两图没有差别，该水印技术的隐形性非常好，符合水印技术的基本要求。

数字水印的稳健性

在各种环境下的生存能力，其主要指标为受各种干扰后的相关检测输出值。

本方法中的图像以Lena256为例进行实验，水印添加强度为10，添加信号序列长度为2048。则添加水印后没有经过处理的图像检测结果为：q＝{14.3，16.4，17.7}。其中大括号内的数据表示图像红、绿、蓝三色分量的相关检测值，每个值为双通道检测结果的平均值。数字水印信息在各种图像处理和故意攻击下，需要保持足够的稳健性。这种稳健性的强弱体现为对图像的合法发行和合法使用的保证程度，如果不能可靠保证水印信息稳健性，则无法保证产品被合法使用，更无法维护作者的权益。

首先，图像要经过传输发行，因此必须进行有损压缩。本文采用JPEG标准进行图像压缩，并对添加水印的图像在各种品质因子下的压缩进行了相关检测比较。实验结果表明，在一般质量要求下的水印检测值达到要求。

在图像处理中，图像的缩放是比较平凡的。因此，保持此过程中数字水印的稳健性是非常必要的。

首先是图像经过放大再缩小，一般情况下这样的处理不改变像基本特征，只可能引入噪声，因此数字水印在这种情形下与处理前是变化不大的。本文将Lena256放大2.7倍后，其相关检测值为q＝{14.3，16.4，17.7}。再缩小回原尺寸时，其相关检测值q＝{14.3，16.4，17.7}因此图像先放后缩不影响水印信息的检测值。

其次，图像先缩后放大回原尺寸，则由于缩小过程中的信号丢失，将影响数字水印信息的检测。且该过程随缩小幅度增大，水印的相关检测值减小。实验数据表明，当比例因子小于0.5后，水印相关检测值急剧减小。但从图像质量来看，即使比例因子为0.5，此时的图像失真度也非常大，其放大回原尺寸的图像与原图像的比较度量，峰值信噪比已减小到26.2。因此，在保证图像质量的信号处理中可以保证数字水印信息检测的正确性。

有时图像会受到许多因素的干扰，此时能否保证图像中数字水印信息检测的可靠性，本文就通过实验来验证。图像干扰包括对图像进行各种信号处理，如添加各种噪声、图像剪切覆盖、模糊图像等。

首先对图像进行某块剪切或覆盖，其水印相关检测值的可靠性。其水印相关检测值为：q＝{13.1，14.8，15.7}。但是，如果对图像进行切边处理，则本文水印方法的水印检测将受到严重干扰，一个实验是将Lena256图像的长度宽度减小3个象素，则此时的相关检测值为q＝{0.7，0.6，0.7}，说明几乎不能进行水印信息检测。但一般来讲，对图像进行切边处理后的图像，是能够与原图像进行比较以确定原始图像的，可以采用其他方法来克服该缺陷。

其次，对图像进行模糊处理也是一种比较严重的干扰措施。一般来讲通过低通滤波可以去除一些高频噪声，同时也将弱化数字水印信息的相关检测值。本文采用图像软件ACDSee对图像进行一次90％的模糊处理。此时的水印相关检测值为q＝{7.4，9.0，10.0}，水印相关检测值已降得很低了，但此时的图像质量也下降许多，峰值信噪比为31.7。尽管如此，这里仍然需Z 要进行一步研究如何在图像模糊使得水印信息衰减的情况下，取得比较好的检测输出值。

另外，图像中数字水印信息在噪声中的生存能力与噪声类型和强度的种种关系。一般来讲，使用最多的噪声是高斯噪声、均匀白噪声和伽玛噪声，它们以其不同的分布对数据产生不同影响，分别对应添加的高斯噪声、均匀噪声图像，水印检测结果为q＝{9.0，10.4，10.5}和q＝{11.4，12.6，13.4}。与原始添加水印后的图像比较一致，即在传输过程中由噪声引起的干扰不会明显破坏水印稳健性。

同样，有时需对图像进行有意的处理，如强化图像特征而进行图像锐化、图像增强，图像变换的图像抖动处理，甚至图像的打印或照片输出。在这些情况下，更应保持水印信息的可靠性。

本文采用ACDSee软件对带水印图像进行一次锐化处理，此时的相关检测值为q＝{16.6，18.3，19.5}。由此可见，经过锐化处理的图像，其水印信息得到加强，该作用可以用于处理图像在被模糊处理后检测效果不太明显时增强相关检测值。但需要注意的是此时图像的失真情况，其峰值信噪比减小到32.7。

本文采用二值抖动方法对图像进行抖动处理，尽管图像仅剩下轮廓，但水印检测效果非常好，q＝{7.7，7.7，7.7}。这里三分量值相同是因为抖动之后的图像象素点为二值的，只有黑白两种颜色。该抖动后图像的相关检测结果表明，该方法可用于图像作品的印刷发行或选题要求不高的实时图像传输，因为二值化后的图像熵急剧缩减，可以得到非常大的压缩比。

正如前面所提到，图像作品同样可以通过期刊杂志进行发行以送到读者的面前。但为了避免非法的未经作者授权的作品传播，需要提供一种用于检测发行作品是否作者所允许。这种方法主要用于避免发行商否认发行作品为作者所有，从而伤害作者权益的行为。因此，图像作品在经过D/A、A/D转换后，应能保持水印信息的稳健性。本文对此进行了大量的研究发现，这是完全可行的。通过对提取图像的水印信息检测，得到打印输出图像的版权信息检测结果为8.4，各种检测结果比较表明该检测结果是非常好的。

正交小波基长度对水印的影响

由于本文使用的都Daubechies小波基，因此小波基的紧支长度对本文数字水印的影响就显得尤其重要。从理论上讲，小波基的紧支长度越长，对数据的光滑作用就越好。特别是当嵌入数据幅度较大时，即使客观标准变化不大，其视觉影响也会随之增加。因此，可以通过适当提高小波基长度来克服。同时，也正因为这个原因，水印信息的稳健性会随着小波基紧支长度的增加而增强。综上所述本文的随机数序列与常规随机数序列的产生相比较，具有明显的优点。克服了许多以前常规方法的准周期特性。本关联序列的可靠性无论是正向猜测攻击还是逆向数据分析攻击都具有阻断墙作用，其水印检测的可靠性和有效性得到了极大提高。

本文小波方法的使用，使我们能够定量的分析图像中信息的能量最优值，使得能够同时保证水印的隐形性和稳健性。本文对印刷产品的检测研究，可以拓宽水印技术应用领域。

Claims

1、一种图像数字水印方法，由水印信息生成，水印信息隐藏及水印信息检测方法组成，其特征在于：水印信息的生成与隐藏按下述方法进行：由用户提供需保护的产品和个人信息，包括个人的注册ID或有意义的文本，自己保存的私人密码，通过一个单向过程将个人信息嵌入至产品中；该过程将按某种算法生成的水印序列S₁，以一定强度叠加到产品的频域数据D_f中；具体说为给产品添加水印来进行版权保护，其做法是先将产品文件由输入输出件读入，形成产品数据；由用户在信息输入件中填充私人信息；在用户进行确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印添加所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据，再由水印嵌入件将水印信息数据嵌入到频域数据中；之后，由数据变换件将频域数据变换到时域/空域形成产品数据；最后，由产品输入输出件输出形成添加水印后的产品进行发布；为了检测一产品版权信息的真伪，水印信息的检测按下述方法进行：将待检测产品由产品输入件读入形成产品数据；由用户在用户信息输入件中输入自已的私人信息；在用户确认后，输入数据经RS件，即随机序列产生控件，生成水印检测验证所必须的水印信息数据；产品数据由数据变换件将之变换为频域数据；由水印信息检测件，将频域数据与水印信息验证数据进行相关分析，输出一相关值；最后由结果解释件对相关输出值进行解释。

2、按照权利要求1所述的图像数字水印方法，其特征在于：生成水印信息数据的RS件，由水印生成算法、原始水印数据w(数字水印信息)、计算生成水印信息随机离散序列f(I，w，k)所组成，通过对水印信息的随机离散序列化，将水印信息整理成随机形式，不为攻击者所猜测到；采用正态分布的伪随机序列作为水印序列，这主要是因为若采用标准正态分布的数据序列，其均值为0，其方差为1，对原数据不会产生太大的影响，很好的满足了隐形性要求，数字水印信息包括水印数据序列和水印所在位置序列两种数据。

3、按照权利要求1所述的图像数字水印方法，其特征在于：将水印信息嵌入目标产品中的水印信息嵌入件，由水印嵌入算法、原始图象I、水印信息S所组成；在水印的嵌入过程中，由用户提供需保护的产品和个人信息，包括个人的注册ID或有意义的文本，自己保存的私人密码，通过一个单向过程将个人信息嵌入至产品中；该过程按算法生成的水印序列S₁以一定的强度叠加到产品的变换域数据D_f中。

4、按照权利要求1所述的图像数字水印方法，其特征在于：检测水印信息的水印信息检测方法是在检测过程中，由用户提供需检测的产品和个人信息，包括个人的注册ID或有意义的文本，自己保存的私人密码，将个人信息按认证系统的算法生成一个私人水印序列S₂，要求在个人信息与添加过程的完全一样时，S₂与S₁是高度相关的；再经过相关器的相关性分析，输出S₂与检测产品的变换域数据D_f的相关值，根据相关结果就可以确定产品的版权真伪。