基于dct算法数字图像水印嵌入方法

专利名称：基于dct算法数字图像水印嵌入方法
技术领域：
本发明属于图像水印嵌入技术领域，特别涉及一种基于DCT(离 散余弦变换)算法数字图像水印嵌入方法。
背景技术：
随着时代的进步，网络和通信技术的迅猛发展给人类的信息交 流带来了极大的便利，而多媒体数据的数字化更是推动了多媒体信 息的存取，使信息的交流传播达到了前所未有的广度和深度，然而 随之而来数字产品版权保护和安全认证问题也变得十分严重，传统 的加密技术和数字签名技术不能完全解决版权保护问题，难以满足 当今时代的要求。变换域算法嵌入的水印信号能量能够分布到空域 所有像素上，是应用较为广泛的一类算法，但其嵌入位置为整个图 像，不利于水印的不可见性。

发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基 于DCT (离散余弦变换)算法数字图像水印嵌入方法，具有防伪、 防篡改、认证、保障数据安全和完整性的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是 一种基于DCT 算法数字图像水印嵌入方法，包括如下步骤
第一步，将原始公开图像和黑白水印图像分别读取到二维数组I和W;
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不
覆盖的2 2W个图像块，计算子块的平均灰度m和方差^，并对原始 图像子块进行DCT变换
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(ij)位置 的像素的灰度值；^代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下 -加法准则 v〃W' 或乘法准则 v:",(l + "",)
其中W分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，",
是第f个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
<formula>formula see original document page 11</formula>式中m,v二0,1,…，7V —1， w，w = 0,l,...，7V-l ， /(附，")是空域二维 向量中的元素，c("，力是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。
对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；
第五步，合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像
将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
由于本发明采用DCT算法数字图像水印嵌入方法，该算法将水 印嵌入到DCT域感觉容量最重要的系数DC分量上，具有防伪、防 篡改、认证、保障数据安全和完整性的特点。


图1为本发明水印信息嵌入流程图。
图2为本发明原始水印信息样图。
图3为样图，其中(a)水印嵌入前的样图；(b)为水印嵌入后 的样图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见附图l、 2、 3， 一种基于DCT算法数字图像水印嵌入方法， 包括如下步骤
第一步，将原始公开图像和黑白水印图像读取到二维数组I与W;
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像w分别分割为互不 覆盖的2Wx2W个图像块，计算子块的平均灰度m和方差一，并对原始图像子块进行DCT变换:
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；^代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的 子块中，当^小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下.
加法准则
或乘法准则 v:",(l + "w,)
其中v,、 v,'分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，^ 是第/个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
式中i/,v二0,l，…，7V-l，附，w二O，l，...，AA-l ， /(附,")是空域二维 向量中的元素，c(",v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。 对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间
(2w + l)v;r
~~^~~
(2w + l)v;r ~~^~~域像素点；
第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像
将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x，y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。 实施例一
以128X128像素点大小的原始图像、30X30像素点大小的黑白水 印图像为例说明本实施例的实施步骤
第一步，将128X128像素点大小的原始图像、30X30像素点大 小的黑白水印图像分别读取到二维数组I和W;
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的32x32个图像块，计算子块的平均灰度m和方差一，并对原始 图像子块进行DCT变换
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(ij)位置 的像素的灰度值；一 代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下页
加法准则 ^ 或乘法准则 v:",(l + fl^,)
其中v v:分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，"，
是第^个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
/、 / w 、Se" 、r(2附")""ir(2" + l)v;r， c(m,v) = "0)"(v)2^2^/(附，")cos[^~~]cos[^~~~]
/n=o"=o 27V
/(",V) = H "(")"0)c(", v) cos[^~^~] cos[^~~]
式中w,v二0,l，…，7V —1，附，"=0,1，...，^-1 ， /(w,")是空域二维 向量中的元素，c(i/，v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。
对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；
第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像 将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。 实施例二
以256X256像素点大小的原始图像、30X30像素点大小的水印图 像为例说明本实施例的实施步骤
第一步，将256X256像素点大小的原始图像、30X30像素点大 小的黑白水印图像分别读取到二维数组I和W;
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的32x32个图像块，计算子块的平均灰度m和方差^，并对原始图像子块进行DCT变换
1 t1"-1
"/ = 0 乂 = 0
1 f "—1
o"2 ="tS5][x("7) —w]2
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；W代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于O.Ol，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下
加法准则
或乘法准则 v:",(l + "w,)
其中\ "分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，", 是第/个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
w—i w_i
c(w,v) = "0)a(v)12^/0,")cos[^~~~]cos[、 ,~]
/(",v) = 1L a(")a(v)c(w， v) cos[^~^~] cos[、 ,~]
式中M，v二0，l，…，iV —1， w，w = 0,l,...，7V —1， /0w,w)是空域二维 向量中的元素，c(w，v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。 对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间
16域像素点；
第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像
将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。 实施例三
以512X512像素点大小的原始图像、58X58像素点大小的水印图 像为例说明本实施例的实施步骤
第一步，将512X512像素点大小的原始图像、58X58像素点大 小的水印图像分别读取到二维数组I和W。
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的64x64个图像块，计算子块的平均灰度m和方差^，并对原始 图像子块进行DCT变换
1 w-l w-l
"/=0 乂=0 1 "-l tt-1
—二iZX![x("力一附]2
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i,j)位置 的像素的灰度值；^代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下-加法准则 v'
或乘法准则 v:=v,(i+ w,)
其中v,、 ^分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，",
是第/个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
/、/ 、 / 、^ ^^1 " 、r(2m + l)w7r (2" + l)v;z"i c(w，v) = flO)flO)2^2^/(附,")cos[^~~~〗cos[、 ,~〗
/(",v) = H a(咖0)c(w, v) cos[~~^~~] cos[~~~~]
式中w，v-0，l，…，iV —1，附，"二0，1,...,〃-1 ， /(m,")是空域二维 向量中的元素，c(w,v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。
对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；
第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像 将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。 实施例四
以512X512像素点大小的原始图像、32X32像素点大小的水印图 像为例说明本实施例的实施步骤
第一步，将512X512像素点大小的原始图像、32X32像素点大 小的水印图像分别读取到二维数组I和W;
第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的64x64个图像块，计算子块的平均灰度m和方差cr2，并对原始
18图像子块进行DCT变换
1 f1"—1
附
"2 二lZZ[T("力—附]2
其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；一 代表子块灰度的方差；
第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于O.Ol，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理
嵌入规则如下
加法准则 ^"'+,
或乘法准则 v:",(i+咖,)
其中"、v,'分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，",
是第/个信息位水印；
第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换
/、 /w、^^/v、r(2w + l)";r，「(2" + l)v;r， c(m，v) = a(")"(v)X2^/(附，")cos[^^^]cos[^^^]
/(w, v) = 2L2^a(M)a(v)c("，v)C0S[^~]cos[，A,~]
式中w，v二0，l,…，H，附，w二0,l,…，7V-l ， /(m,")是空域二维 向量中的元素，c(w,v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。 对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间域像素点；
第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像
将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
权利要求
1、一种基于DCT算法数字图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤第一步，将原始公开图像和黑白水印图像分别读取到二维数组I和W；第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不覆盖的2N×2N个图像块，计算子块的平均灰度m和方差σ2，并对原始图像子块进行DCT变换其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置的像素的灰度值；σ2代表子块灰度的方差；第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的子块中，当σ2小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的纹理嵌入规则如下加法准则或乘法准则 其中vi、分别是修改前和修改后的频域系数，α是拉伸系数，ωi是第i个信息位水印；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换式中u，v＝0，1，...，N-1，m，n＝0，1，...，N-1，f(m，n)是空域二维向量中的元素，c(u，v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为N×N。对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间域像素点；第五步，合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x，y)上，即完成了嵌入水印信息的图像的重构。
2、根据权利要求1所述的一种基于DCT算法数字图像水印嵌入 方法，其特征在于，包括如下步骤第一步，将128X128像素点大小的原始图像、30X30像素点大 小的黑白水印图像分别读取到二维数组I和W;第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的32x32个图像块，计算子块的平均灰度m和方差^，并对原始 图像子块进行DCT变换<formula>formula see original document page 3</formula>其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；X代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；^代表子块灰度的方差；第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理嵌入规则如下加法准则 v'"'+, 或乘法准则 v;=V,(l + w,)其中\ v,'分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，"-是第/个信息位水印；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换 /、 , w 、vS" 、r(2附+ l)"^r(2" + l)v;r，/(",v) = 11 "(")"O)c(", v) cos[~~^^] cos[、 ,~]式中m，v二0，1,…，7V —1 ， m，"二0，l，…，A^ —1 ， /(附,")是空域二维 向量中的元素，咖,v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；第五步，合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像: 将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
3、根据权利要求1所述的一种基于DCT算法数字图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤第一步，将256X256像素点大小的原始图像、30X30像素点大 小的黑白水印图像分别读取到二维数组I和W;第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的32x32个图像块，计算子块的平均灰度附和方差一，并对原始 图像子块进行DCT变换<formula>formula see original document page 5</formula>其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；^代表子块灰度的方差；第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的 子块中，当^小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理嵌入规则如下加法准则或乘法准则其中、v:分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，", 是第/个信息位水印；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换v) = "(w)"(v)2^2^/(柳，")cos[^^~~]cos[、 ,~] /(",v) = L L "("M"c(m, v) cos[~~^^] cos[^^^]式中M，V:^0，l,…，iV —1， W,"二0，1，…，W—1 ， /(w,")是空域二维向量中的元素，c(w，v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。 对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
4、根据权利要求1所述的一种基于DCT算法数字图像水印嵌入 方法，其特征在于，包括如下步骤以512X512像素点大小的原始图像、58X58像素点大小的水印图 像为例说明本实施例的实施步骤第一步，将512X512像素点大小的原始图像、58X58像素点大 小的水印图像分别读取到二维数组I和W。第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的64x64个图像块，计算子块的平均灰度附和方差cx2，并对原始 图像子块进行DCT变换<formula>formula see original document page 0</formula>其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i，j)位置 的像素的灰度值；一 代表子块灰度的方差；第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理嵌入规则如下加法准则 或乘法准则其中V 、分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，", 是第/个信息位水印；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换c(w,v) = "(w)"0)2^2^/(附,")cos[^~^~]cos[、 Z~〗 /(",v) H a(咖(v)cO, v) cos[^~^~〗cos[、 J~]式中M,"0，1,…，H，附,"二0,1,…，7V-1 ， /(m，")是空域二维 向量中的元素，c("，v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像 将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x,y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
5、根据权利要求1所述的一种基于DCT算法数字图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤第一步，将512X512像素点大小的原始图像、32X32像素点大 小的水印图像分别读取到二维数组I和W;第二步，将原始公开图像I和黑白水印图像W分别分割为互不 覆盖的64x64个图像块，计算子块的平均灰度m和方差^，并对原始 图像子块进行DCT变换-<formula>formula see original document page 8</formula>其中，N代表自然数；m代表子块的平均灰度；n代表子块中包含像素 点数；i代表像素的横坐标；j代表像素的纵坐标；x代表位于(i,j)位置 的像素的灰度值；一 代表子块灰度的方差；第三步，取黑白水印图像W中的一个元素W(p,q)嵌入纹理复杂的 子块中，当一小于等于0.01，认为块均匀，反之认为块包含着复杂的 纹理嵌入规则如下加法准则 "=v'+, 或乘法准则 v:",(l + "",)其中W分别是修改前和修改后的频域系数，"是拉伸系数，", 是第/个信息位水印；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换c(m,v) = a(m)a(v)2^/(附,")cos[~~^~]cos[、 Z~]/(w,力=11 "O)"O)c(w, v) cos[^^——]cos[^~^~]式中w,v二0，l,…，7V —1， w,w = 0,l,...,iV —1 ， /(w,")是空域二维 向量中的元素，c(",v)是变换后系数阵列的元素，阵列的大小为NXN。对每一个频域点按上式进行运算，得到包含黑白水印信息的空间 域像素点；第五步，合并图像块,得到嵌入黑白水印后的图像 将经过DCT变换的像素点，依然放置在原始位置(x，y)上，即完 成了嵌入水印信息的图像的重构。
全文摘要
一种基于DCT算法数字图像水印嵌入方法，包括如下步骤第一步，将原始公开图像和黑白水印图像分别读取到二维数组I和W；第二步，将原始公开图像I和水印图像W分别分割为互不覆盖的2^N×2^N个图像块，计算子块的平均灰度m和方差σ²，并对原始图像子块进行DCT变换；第三步，取黑白水印图像中的一个元素W(p，q)嵌入纹理复杂的子块中；第四步，对嵌入水印信息后的图像块进行反DCT变换；第五步，合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像；具有防伪、防篡改、认证、保障数据安全和完整性的特点。
文档编号G06T9/00GK101504758SQ20091002156
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者兀旦晖, 李秦君, 萍 杨, 歆 谭, 赵晨飞 申请人:陕西科技大学