CN1963865A - 一种安全多功能图像数字水印系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子数字水印技术，用于解决数字图像版权通知、版权保护和拷贝跟踪等问题。其特征在于：在数字图像中嵌入可见水印实现版权通知，该水印各像素的嵌入系数由三维混沌系统的y、z序列控制。在含可见水印图像中又嵌入一种隐形水印用于图像版权保护，该隐形水印的嵌入位置由三维混沌系统的x、y序列实现随机选择，运用双参数量化系数方法在宿主图像子块的提升小波域低频系数中嵌入。而将图像发行给购买用户时，可见水印被完全消除；但同时将标识用户身份的隐形水印嵌入宿主图像另一些子块的提升小波域低频系数，嵌入位置也被置乱，用于跟踪用户非法再拷贝。该水印系统的可见水印很难被非法消除，而隐形水印则具有抵抗攻击的强鲁棒性。

Description

一种安全多功能图像数字水印系统

技术领域：

本发明涉及计算机应用和信号处理领域，特别是计算机信息安全中的多功能数字水印技术。

背景技术描述：

数字图像版权通知、版权保护和拷贝跟踪涉及到通信和电子商务应用领域的数字图像产品宣传、版权通知、版权保护和滥用跟踪等问题。已有数字水印技术大都只关注解决单一的版权保护问题。已有的少数多功能图像水印技术最多也仅关注同时解决图像的版权通知和版权保护二重问题；而且缺乏安全措施，即用于版权通知的可见水印容易被去除；也不能对图像产品用户的非授权拷贝行为提供追究措施，因为无法找到非授权拷贝的源头。

发明内容：

本发明的目的在于扩展数字图像水印系统功能。对用于版权通知和广告宣传的样品图像，嵌入了高安全性的可见水印，增加可见水印被非法消除和提取的难度，加大对样品图像的保护力度。对于盗版数字图像，不仅可以验证图像的版权，而且可以追踪盗版产品的来源。

将作为可见水印的灰度图像采用改进的图像融合方式与被保护图像叠加，利用混沌系统的二维序列控制各点叠加系数的大小，得到含可见水印图像；再将版权保护水印图像逐像素地嵌入到被保护图像中不含可见水印的图像子块小波域低频系数，得到样品图像，用于产品宣传和版权通知。对于购买图像的注册用户，利用混沌密钥消除样品图像的可见水印，并将用户的身份标识作为另一种隐形水印，嵌入到消除可见水印后的图像，确保嵌入的用户标识水印和原作者的版权水印互不影响，得到含有两种隐形水印的图像作为发行给用户的图像。版权拥有者可以从被使用和传播的图像中提取版权水印和用户标识水印，以验证版权所有者和追踪图像的来源。主要特征如下：

可见水印嵌入算法：

①确保可见水印图像大小不超过被保护图像，如果小于被保护图像，可以在在周围补白色像素，使其与被保护图像等大。

②设定三维统一混沌系统状态初值(x₀，y₀，z₀)、系统演化起止时刻t₀和t_f(区间长度与图像尺寸N有关)；可见水印嵌入权重系数的最小值r₁和最大值r₂，根据实验得到经验值r₁＝0.25，r₂＝0.50。

③利用变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法，求解给定初值的混沌系统微分方程组，得到三个足够长的混沌序列：X₁，Y₁，Z₁。然后取每个序列后部分子序列得到三个长度为N的混沌序列：X＝{x(i)}，Y＝{y(i)}，Z＝{z(i)}，i＝1，2，...，N。

④对图像空间的任一嵌入点(i，j)，计算嵌入权重系数α_ij：

temp＝(|y(i)×z(j)|-|y(i)×z(j)|)×10³    (1)

α_ij＝(r₂-r₁)×temp/999+r₁    (2)

并计算β_ij＝V_ij/V_max，V_ij是可见水印图像空间点(i，j)处的像素值，V_max是可见水印图像的最大像素值。

⑤利用公式： $A_{\mathrm{ij}}^{\′}=(a_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2-a_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2)A_{\mathrm{ij}},$ 将点(i，j)处的水印像素嵌入到载体图像，得到嵌入可见水印的一个像素点值A_ij′。

⑥重复④～⑤，对所有可见水印像素进行嵌入，直到全部可见水印嵌入完毕，得到含可见水印图像。

版权保护隐形水印嵌入算法：

用于版权保护的原始水印为二值图像W_R1＝{w_r1(i，j)，1≤i≤L_w11，1≤j≤L_w12}，以隐形方式嵌入被保护图像，并且是鲁棒的，对每个水印像素w_r1(i，j)，在载体图像中随机选择一个未嵌入可见水印的8×8子块(称可嵌块)，将w_r1(i，j)嵌入被选中子块的提升小波变换域低频系数。原始图像的可嵌块位置由可见水印中像素均值为V_max的子块位置来确定。而随机选择可嵌块的方式由前面的混沌系统序列X和Y来控制，采用基于二维混沌序列排序进行地址置乱的算法实现。将载体图像的一个8×8子块看成一个点，由于载体图像可以划分成(N/8)×(N/8)个子块，于是处于第i行和第j列的子块可以表示为blk(i，j)。从实值混沌序列X，Y中分别取长度为N/8的子序列X₀和Y₀：X₀＝{x(i)，i＝1，2，...，N/8}；Y₀＝{y(j)，j＝1，2，...，N/8}。首先将混沌序列X₀和Y₀按大小排列成有序序列X₀′和Y₀′，由于实值混沌序列的无周期性，原序列中无重复值，因此原序列的每一个值都在有序序列中有一个唯一的位置序号与之对应。用px(i)表示有序序列X₀′中的第i个值在原序列X₀中的位置序号，px(i)＝1，2，...，N/8；用py(j)表示有序序列Y₀′中的第j个值在原序列Y₀中的位置序号，py(j)＝1，2，...，N/8。随机选择可嵌子块位置的思路是：对应于第(k，l)位置点的版权水印像素，将位置(k，l)映射成混沌序列X₀′和Y₀′的元素下标对(i，j)，再将元素下标对(i，j)映射到另一个位置序号对(px(i)，pY(j))；然后将坐标位置(px(i)，py(j))决定的子块blk(px(i)，py(j))作为候选子块。如果该子块blk(px(i)，py(j))为不可嵌子块，则按一定次序考察下一组元素下标对(i′，j′)，判断由新的下标对(i′，j′)所对应的另一个位置坐标(px(i′)，py(j′))处的子块是否可嵌；如此继续，直至找到的子块为可嵌子块，再将鲁棒水印嵌入该子块小波系数。版权水印嵌入算法的关键步骤用伪代码描述如下：

n＝0；％n记录已扫描X₀′和Y₀′的元素对数目

for k＝1：Lw11％Lw11是版权水印图像像素的行数

for l＝1：Lw12％Lw12是版权水印图像像素的列数

n＝n+1；

i＝floor((n-1)/(N/8))+1；％floor()为向下取整函数

j＝n-(i-1)*(N/8)；

while(子块blk(px(i)，py(j))不可嵌)

n＝n+1；

i＝floor((n-1)/(N/8))+1；j＝n-(i-1)*(N/8)；

end while

将可嵌子块blk(px(i)，py(j))作3级提升小波变换；

将鲁棒水印像素w_r1(k，l)用双参数量化法嵌入子块小波系数；

由含水印的小波系数重构子块图像；

end for

end for

可见水印消除算法：

①取与嵌入可见水印时一样的三维统一混沌系统状态初值(x₀，y₀，z₀)、系统演化起止时刻t₀和t_f(区间长度与图像尺寸N有关)；可见水印嵌入权重系数的最小值r₁和最大值r₂。

②利用变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法，求解给定初值的混沌系统微分方程组，得到三个足够长的混沌序列：X₁，Y₁，Z₁。然后取每个序列后部分子序列得到三个长度为N的混沌序列：X＝{x(i)}，Y＝{y(i)}，Z＝{z(i)}，i＝1，2，...，N。

③对图像空间的任一嵌入点(i，j)，计算点(i，j)处的嵌入权重系数α_ij和β_ij：

temp＝(|y(i)×z(j)|-|y(i)×z(j)|)×10³；α_ij＝(r₂-r₁)×temp/999+r₁；β_ij＝V_ij/V_max；

④利用公式： $A_{\mathrm{ij}}=A_{\mathrm{ij}}^{\′}(a_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ii}}^2-a_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2),$ 得到消除可见水印后的像素值A_ij。

⑤重复③～④，对所有点实施可见水印消除运算，直到全部像素点处理完毕，得到消除可见水印的宿主图像。

用户标识水印嵌入算法：

先确定嵌入子块为那些曾经包含可见水印的子块，当可见水印被消除后，将购买者的标识信息嵌入这些子块位置；然后采用与前面嵌入版权水印的相同方法，逐比特将用户标识信息嵌入每个子块的提升小波域低频系数。

版权保护水印和用户标识水印的提取算法：

提取隐形水印的过程分别是嵌入版权信息和客户信息的逆过程，在实施提取算法前，先要用与嵌入时相同的密钥和混沌序列分别找到两种水印的嵌入位置；然后将该位置含有水印的子块作3级提升小波变换；再运用双参数反量化操作从含有水印的小波低频系数C_w′中提取一个水印比特w′；反复这样逐比特提取。提取一个水印比特的具体算法如下：

先计算C_w′的绝对值整除Q后的余数r′，r′＝|C_w′|-|C_w′|/Q×Q。

然后判断r′，如果r′-Q/2＞(Q/2-q)/2，则w′＝b；否则w′＝1-b。

这里C_w′是可能遭到攻击的图像子块的小波低频系数，w′是从该小波系数中提取的一个水印比特，b代表隐形水印中比特值占多数的比特（b＝0或b＝1)。提取水印时并不需要参考原始图像，属于盲提取。

发明的优点和积极效果：

1.突破了现有图像水印系统一般只能实现1～2种功能的限制，本发明能够实现对数字图像进行版权通知、版权保护和拷贝跟踪等三重功能。

2.本发明中，用于版权通知的可见水印嵌入系数由混沌序列控制，增加了可见水印被非法消除的难度，提高了可见水印的安全性。安全性分析如下：

假设非法用户要想完全去除可见水印，那么他必须准确知道图像每个像素点的嵌入权重系数。若采用穷举每点权重系数的办法进行分析，根据产生权重系数的公式(3)和(4)，对图像的每一个像素点，若取混沌序列值小数点后3位数字来随机产生权重系数，则每点的可能值有10³种；这样整个图像像素嵌入权重系数的组合数则有10^3×(N×N)＝1000^(N×N)种。若载体图像的大小为N×N＝512×512，则该组合数为10^{3×(512×512)}种。在现有硬件条件下要搜索到正确的嵌入系数组合方式是不可能的。因此，通过直接穷举嵌入系数方式消除可见水印是行不通的。而作为密钥的混沌系统初值是3个实数，密钥空间巨大；所以，水印系统具有密码学意义的安全性。

3.本发明中，发行到用户手中的图像虽然包含两种隐形水印，但载密图像仍然具有较高的视觉质量，发行图像的质量指标量--峰值信噪比PSNR值可以达到39dB左右。

4.本发明中，发行图像中的两种隐形水印具有较强的抵抗常规图像处理和噪声攻击的鲁棒性，图像在经历传输和使用过程的一般攻击后，仍能从中正常提取版权水印和用尸标识水印。

5.本发明中，两种隐形水印的嵌入方式都是采用小波域嵌入，采用提升小波变换，具有运算速度块、存储开销小的优点。

附图说明

图1安全多功能水印系统框图；

图2被保护图像Goldhill；

图3可见水印图像；

图4版权保护水印；

图5用户标识水印；

图6含原始双水印图像；

图7正确消除可见水印的图像；

图8错误消除可见水印的图像。

具体实施方式：

实施例1：实验采用大小为512×512的8位灰度图像Goldhill作为被保护图像；512×512的8位灰度图像湘雅医学院校徽作为可见水印标志；32×32的文字二值图像“印”字作为版权保护水印；12×85的数字二值图像作为客户标识水印。上述图像分别如附图2～附图5所示。

可见水印的能消除性：对Goldhill载体图像，嵌入可见水印采用的权重系数α_ij的最小、最大值分别设置为r₁＝0.25，r₂＝0.50，每一点产生一个[0.25，0.50]范围的不同系数；嵌入隐形水印的双量化参数这里取Q＝120，q＝12(Q的取值范围为[115，125]，q的取值范围为[8，16]比较合适)。按照前面描述的算法，得到嵌入可见水印和版权标识水印后的图像(如附图6所示)。当采用正确的参数对可见水印进行消除后，所得图像与原始图像的PSNR为41.9549dB，而在原始图像中仅仅嵌入不可见版权水印时的PSNR值也是41.9549dB，这表明在参数正确时，能将可见水印完全去除。在消除了可见水印的图像中再增加用户标识水印的嵌入，最后得到含版权标识和用尸标识两种水印的发行给注册用户图像(如附图7所示)。附图7相对于原始图像的PSNR为39.3333dB。采用其它经典图像实验，得到正确消除可见水印又加入用户标识水印后的图像PSNR值，如附表1所示；表1同时也列出了罗永，成礼智等在2004，27(11)计算机学报发表的“小波变换结合纠错编码的半透明数字水印”参考文献嵌入双水印的最佳PSNR值。本发明中，发行图像含有两种不可见水印，水印容量为(32×32+12×85＝)2044比特；而表1中列出的参考文献的发行图像仅含有30比特的二值序列加上33比特的纠错码，水印容量仅为63比特。在隐形水印容量远大于现有文献的情况下，本方法消除可见水印后的图像质量指标比现有文献还要好。原因在于现有文献中的双重水印嵌入位置是重叠的，先嵌入的可见水印受到后嵌入的不可见水印影响，因此，即使是使用正确密钥也不能将可见水印消除干净。而本文的双重水印嵌入位置是独立的，二种水印互不存在于扰，因此在消除可见水印时不会产生误差。此外，本发明中，隐形水印嵌入算法采用了不同于通常单参数量化算法，而是采用双参数(Q，q)量化算法，考虑了有意义的隐形水印图像中0、1比特的数目不等特性，起到了优化载体图像视觉质量的作用。如果采用通常量化嵌入算法，则上述图像载入两种不可见水印后的PSNR值为37.8214dB(比优化结果低1.5119dB)。

表1合法消除可见水印后图像质量的比较

Image	PSNR	PSNR*(t＝1.230174)
			LenaBarbBoatGoldhillMandrill	39.781739.702839.395039.333339.1249	36.13736.51336.72636.16236.522

注：表1中，PSNR^*为参考文献中的结果。

在消除可见水印时所用的参数若不正确，比如，当混沌系统状态参量x(0)与正确值相差10^-12，则消除可见水印后的图像如附图8所示。附图8相对于原始图像的PSNR值仅为30.2747，表明得到的图像质量很差，直观上也可以明显发现可见水印未能被彻底消除的痕迹，这对非法用户是不利的。

隐形水印抵抗攻击的鲁棒性：发行到用户手中的图像在使用传播过程中，可能遭遇各种图像处理和信道噪声的攻击，实验模拟这些攻击，然后从受到攻击的载体图像中提取两种隐形水印，提取的结果如附表2所示。表2同时计算了提取的版权水印与原始版权水印的归一化相似度系数NC1，提取的用户标识水印与原始用户标识水印的归一化相似度系数NC2。

表2两种隐形水印抗攻击鲁棒性的直观结果和数据结果

攻击类型	提取的版权保护水印	提取的用户标识水印	提取的版权保护水印相似度NC1	提取的用户标识水印相似度NC2
					质参＝20的JPEG压缩	印	0123456789	0.9928	0.9950
缩小到1/2后还原	印	0l23456789	0.9982	0.9913
					强度0.002的高斯噪声	印	0123456789	0.9749	0.9651
强度为0.01的椒盐噪声	印	0123456789	0.9373	0.9402
					窗口大小5×5的中值滤波	印	0123456789	0.9570	0.9922
右下方被剪切1/4面积	印	0123456789	0.9570	0.9922

以上实验表明，隐形水印具有对常规图像处理的鲁棒性。特别是抵抗JPEG压缩的鲁棒性相当强，当JPEG压缩质量参数在24以上时，实验提取的两种隐形水印均可以达到100％的准确度。对于缩放操作，若是先放大，再缩小到原尺寸，则提取的两种不可见水印也均可以达到100％的准确度。可见这种鲁棒水印可以在图像受到常规处理后存活下来，其一能够作为版权标识实现对图像的版权保护；其二能够作为用户标识实现对图像非授权再发行的侵权行为进行跟踪。

Claims (7)

1.一种图像数字水印系统，其特征是：先可见水印和隐形的版权保护水印同时嵌入用于版权宣告和广告宣传的样品图像中，实现对图像的版权通告和版权保护；再将图像中的可见水印完全消除发行给购买用户，并同时在发行图像中加入另一种隐形的用户标识水印，实现对图像进行版权保护和对用户非授权拷贝跟踪。

2.一种根据权利要求1所述的图像水印系统的可见水印嵌入方法，其特征在于采用下述嵌入公式：

$A_{\mathrm{ij}}\text{'}=({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2)A_{\mathrm{ij}}$

其中，A_ij、A_ij′分别为宿主图像点(i，j)处嵌入可见水印前后的像素灰度值；α_ij为位置(i，j)处的嵌入权重系数，权重系数0.25＜α_ij＜0.50，α_ij由统一混沌系统的Y、Z序列控制产生；β_ij＝V_ij/V_max，V_ij/V_max是可见水印图像点(i，j)处的像素值与其最大像素值之比。

3.一种根据权利要求1所述的图像水印系统的隐形水印嵌入方法，其特征在于：用于版权保护的隐形水印各比特被分别嵌入到随机选择的不含可见水印的宿主图像子块小波域低频系数，宿主图像子块分割大小为8×8像素，用于版权保护的水印为一幅二值图像，对任一水印像素，在宿主图像中随机选择一个不含可见水印的8×8子块作为可嵌块，可嵌子块的随机选择方法是基于二维混沌序列X和Y排序实现地址置乱的算法，而水印比特具体的嵌入方法为双参数量化系数法：事先考虑水印图像中0、1比特的数量不等性，定义占多数的比特为优值比特b，占少数的比特为劣值比特1-b；对应于要嵌入水印的子块小波域低频系数，如果待嵌入的水印比特为b，则修改小波域低频系数为一个最邻近区间[k×Q-q/2，k×Q+q/2]范围内的数；如果要嵌入的水印比特为(1-b)，则修改小波低频系数为一个最邻近数k×Q，将嵌入1比特水印后的图像子块做3级提升小波逆变换，得到含水印的图像子块，其中K为整数，Q、q为双量化参数。

4.一种根据权利要求3所述的图像水印系统的版权保护隐形水印的嵌入方法，其特征在于：所述的双量化参数Q，q中，Q的取值范围为[115，125]，q的取值范围为[8，16]。

5.根据权利要求1所述的安全多功能图像水印系统，其特征在于：可见水印的消除公式为：

$A_{\mathrm{ij}}=A_{\mathrm{ij}}\text{'}\·({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}^2)$

其中参数α_ij由混沌系统产生的序列Y、Z生成，该混沌系统与嵌入水印时的系统完全相同，且系统初值一样，产生的混沌序列Y、Z也相同。

6.根据权利要求1所述的图像水印系统，其特征在于：

用于拷贝跟踪的用户标识隐形水印为二值图像，对任意一个用户标识水印像素，在载体图像中随机选择一个未嵌入版权保护水印的8×8子块作为可嵌子块，子块的选择方法也是基于二维混沌序列X和Y排序实现地址置乱的随机性方法。

7.根据权利要求1所述的安全多功能图像水印系统，其特征在于：提取版权保护水印和用户标识水印的过程是嵌入相应水印的逆过程，在实施提取算法前，先用与嵌入水印时相同的初始密钥和混沌序列分别找到版权保护水印、用户标识水印在宿主图像中的嵌入子块；然后将该子块作三级提升小波变换；再运用双参数反量化操作从含有水印的小波低频系数中提取一个水印像素，直到所有隐形水印比特被提取。

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