一种数字水印嵌入和提取方法及装置的制作方法

专利名称：一种数字水印嵌入和提取方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像处理技术领域，尤指一种用于数字图像权限管理的数字水印嵌入 和提取方法及装置。
背景技术：
随着国际互联网(Internet)技术的发展，网页浏览器呈献给用户越来越多的图 片、音乐和视频供用户使用和下载，由于其资源廉价且使用方便，不需要仓储和库存，交易 几乎可以在瞬间完成，快捷便利。因此，Internet逐渐发展为一个优秀、庞大的数字媒体发 行系统。互联网络加速了数字媒体的传播，方便了用户使用数字媒体文件，但由于网络上 资源的权限保护相对薄弱，侵权行为(例如媒体文件的非法复制、盗版、随意篡改等)变得 日益猖獗。这给媒体内容所有者带来了很多困扰和麻烦，尤其是电影制片厂和音乐录制棚 等数字媒体文件的版权所有者开始高度关注并采取各种措施对版权进行保护，以保护自身 的合法权益。在图像中嵌入数字水印作为版权保护的一种新技术，越来越多的受到用户的关 注。目前，数字水印虽然也有一些商业应用。但由于其技术发展还不够成熟、完善，使用数 字水印会造成图像失真的程度比较大，而限制了其大规模应用。尤其是一些对图像保真要 求比较高的应用环境中，比如医学图像，军事图像等，嵌入数字水印带来的失真可能会误 导医生或者部队指挥官，导致错误的操作和决定。可逆水印的使用，使得拥有水印提取和图像恢复授权的用户可以在对图像进行恢 复后得到真实的图像。但使用起来却很麻烦，每次使用时还必须得对数字图像进行恢复处 理。而对于未授权的其他用户，则还是只能看到含有水印的、失真的图像。现有技术中，为了防止非法复制、盗版、随意篡改等非法侵权行为而嵌入的可逆水 印，仍然会给图像带来较大的改变，造成较大程度的图像失真。而对于在具有高保真要求的 应用环境中应用的数字图像，较严重的失真给图像使用者带来了很多不便，因此，使得可逆 水印在数字图像的权限管理中的应用依然具有很大的局限性。

发明内容
本发明实施例提供一种数字水印嵌入和提取方法及装置，用以解决现有技术中存 在的可逆水印嵌入造成数字图像失真较大的问题。一种数字水印嵌入方法，包括将待嵌入水印的原始图像的一维像素值向量划分为三个分向量包含设定数量的 像素值的第一分向量和第二分向量、及包含剩余像素值的第三分向量；根据设定的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划分为若干像素值组，并 计算所述像素值组的预测值；以及根据包含像素值0的所述像素值组的预测值确定第一阈 值和根据包含像素值255的所述像素值组的预测值确定第二阈值；
将第一阈值和第二阈值采用替换的方式分别嵌入划分出的第一分向量和第二分 向量中；并根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码， 确定待嵌入二进制码；根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候选像素值组，并 计算各所述候选像素值组的预测误差；根据所述待嵌入二进制码、所述预测误差和设定的预测误差阈值，对所述候选像 素值组进行像素值调整。一种数字水印嵌入装置，包括向量划分模块，用于将待嵌入水印的原始图像的一维像素值向量划分为三个分 向量包含设定数量的像素值的第一分向量和第二分向量、及包含剩余像素值的第三分向 量；预测计算模块，用于根据设定的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划分 为若干像素值组，并计算所述像素值组的预测值；以及根据包含像素值0的所述像素值组 的预测值确定第一阈值和根据包含像素值255的所述像素值组的预测值确定第二阈值；替换模块，用于将第一阈值和第二阈值采用替换的方式分别嵌入划分出的第一分 向量和第二分向量中；并根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出 的二进制码，确定待嵌入二进制码；误差计算模块，用于根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确 定候选像素值组，并计算各所述候选像素值组的预测误差；嵌入模块，用于根据所述待嵌入二进制码、所述预测误差和设定的预测误差阈值， 对所述候选像素值组进行像素值调整。本发明实施例提供的数字水印嵌入和提取方法及装置，通过将待嵌入水印的原始 图像的一维像素值向量划分为三个分向量；根据设定的水印模板将划分出的第三分向量中 的像素值划分为若干像素值组，并计算所述像素值组的预测值；根据包含像素值0的所述 像素值组的预测值确定第一阈值和根据包含像素值255的所述像素值组的预测值确定第 二阈值，将第一阈值和第二阈值采用替换的方式分别嵌入划分出的第一分向量和第二分向 量中；并根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码，确 定待嵌入二进制码；根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候选像 素值组，并计算各所述候选像素值组的预测误差；根据所述待嵌入二进制码、所述预测误差 和设定的预测误差阈值，对所述候选像素值组进行像素值调整。通过水印模板的设置，使得 对图像像素值的最大改变为1 ；通过嵌入水印的像素值组的筛选，对图像中像素值调整时， 能够保证由设定比例的像素值不被改变，从而使得嵌入水印后的图像能够满足高保真应用 环境的要求，且通过上述方法嵌入的水印能够正确提取和恢复原图像，具有很好的应用灵 活性。


图1为本发明实施例中数字水印嵌入方法的流程图；图2为本发明实施例中对图像进行往复式扫描的示意图；图3为本发明实施例中数字水印提取方法的流程图4为本发明实施例中数字水印嵌入装置的结构示意图；图5为本发明实施例中数字水印提取装置的结构示意图。
具体实施例方式针对现有技术中可逆水印嵌入时，没有充分考虑图像保真的要求，存在的图像失 真问题。本发明实施例基于对图像保真度的两个基本要求指标^almost-lossless”和 “near-lossless”，提供了一种数字水印嵌入和提取方法及装置，用以解决现有技术中存在 的问题，使得嵌入数字水印后的图像能够满足高保真应用环境中对图像保真度的要求。其 中，“almost-lossless”是指对图像进行处理时，至少要有的像素点保持不变，其中，ρ 根据保真度设定的能够满足保真度要求一个比例值。“near-lossless”，是指对图像进行处 理时，对其中每个像素点像素值的最大修改只能为1。本发明实施例提供的数字水印嵌入方法，其流程如图1所示，执行步骤如下步骤SlO 获取待嵌入水印的原始图像所对应的一维像素值向量。对待嵌入水印的原始图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像素点的像素值 组成的一维像素值向量。例如如图2所示的一个8位灰度图像，按照图中带箭头的折线所指的路径，对图 像中的各像素点进行逐一扫描，依次记录扫描到的各像素点的像素值，得到该图像对应的 一维像素值向量I。步骤Sll 将得到的一维像素值向量划分为三部分，得到三个分向量。依次获取得到的一维像素值向量的前m个像素值组成第一分向量，然后，获取接 下来的m个像素值组成第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量。其中，m的大小需要考 虑选定的水印模板、以及下面确定出的第一阈值和第二阈值的二进制码的位数。根据像素值的取值范围可以知道第一阈值和第二阈值不会大于255，当水印模板 为W = (-L l·，-D，取4倍的第一阈值和第二阈值的二进制码，其均不会大于16位，所以一 般可以选取m为16或大于等于16的值。当选用其他水印模板时，需要取得的倍数t可能 会不同，从而需要选择的m值也不同。沿用上边的例子，将图2所示的图像对应的一维像素值向量划分为三个分向量Ip 12、13。分割方法如下提取该一维像素值向量的前16个像素值，得到I1 ；提取接下来的16 个像素值，得到I2，剩余的像素值组成13。步骤S12 根据设定的水印模板，将划分出的第三分向量中的像素值划分为若干 像素值组。具体包括根据设定的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量，然后根据确定出 的上述数量，将第三分向量中的像素值按顺序分为若干像素值组。例如设定的水印模块为W= (_1，1，_1)，则每个像素值组中包含的像素值的数量 3 ；若设定的水印模板W = (-1，-1，1，-1，-1)，则每个像素值组中包含的像素值的数量5。下面以将三个像素值分为一组为例，将第三分向量中的像素值按顺序每三个分成 一组，得到若干像素值组。假设第三分向量中包含η个像素值，则第三分向量分组后可以表示为Z3 =(Ci)Il
其中，Ci = (Xi, yi Zi) ；Xi = a3i_2, Yi = 卜” Zi = a3i ；k = η/3的整数部分，i为大于等于1的正整数；a31_2, Ct31^, a31为第三分向量中的第3i_2，3i_l，3i三个像素值。步骤S13 计算各像素值组的预测值。根据选定的水印模板和各像素值组中包含的像素值的数量，确定一个使得嵌入水 印前后预测值能够保持不变的预测值计算公式，使用确定出的公式计算各像素值组的预测值。例如当设定的水印模板为W= (-1,1, -1)，可以使用公式义=(\.+狄+2,)/4来计算各像素值组的预测值；容易发现当嵌入水印时，使用该水印模板对像素值组中的像 素值进行调整后，该像素值组的预测值可以保持不变。当然，当设定的水印模板为W = (_1，_1，1，-1，_1)，也可以使用类似的公式实现预 测值的计算。沿用上边的例子，对于上述划分出的每个像素值组，由于其中包含的是三个像素 值，所以可以通过公式计算每个像素值组的预测值(也可以说是中间像 素值1的预测值)。步骤S14 根据包含像素值0的各像素值组的预测值确定第一阈值和根据包含像 素值255的各像素值组的预测值确定第二阈值。首先，确定出上述得到的像素值组中包含像素值0的第一像素值组集合和包含像 素值255的第二像素值组集合。由于本申请中是对像素值进行加上或减去一个水印模板W的处理来实现嵌入水 印的，且本申请中对像素值的调整不会大于1;例如w= (1，-1，1)。对于包含像素值0和 像素值255的像素点在嵌入水印、对像素值进行调整时，可能会出现小于0和大于255的 值，即其像素值可能出现-1或者256的情况。而这对于8位灰度图像来说是非法的。因此 嵌入水印前需要将包含像素值0和像素值255的像素点组先剔除掉。具体为将得到的像素值组中包含像素值0的像素值组提取出来，得到第一像素值组集合 N。。即N。中包含的每个像素值组中至少有一个像素值为0。将得到的像素值组中包含像素值255的像素值组提取出来，得到第二像素值组集 合Nu。即Nu中包含的每个像素值组中至少有一个像素值为255。然后，确定出第一像素值组集合中各像素值组的预测值的最大值，作为第一阈值； 确定出第一像素值组集合中各像素值组的预测值的最小值，作为第二阈值。max Λmin Λ例如，确定出集合N。的最大值为 {少,}和凡的最小值 {只}，则第一阈值Ci e I\QC,, e Jyumax Λmin Λ为 =c eNo {^,}，第二阈值为 =Ci€N 。步骤S15 将确定出的第一阈值和第二阈值分别嵌入到划分出的第一分向量和第 二分向量中。—般可以采用采用替换的方式嵌入。由于第一阈值和第二阈值有可能不是整数， 因此，可以采用嵌入tTmin和tTmax(即t倍的Tmin和Tmax)的方式，实现将第一阈值和第二阈值的分别嵌入到划分出的第一分向量和第二分向量中。其中，t根据选用的水印模板确定， 当选用不同水印模板时，每个像素值组中的像素值个数会不同，导致计算预测值的计算公 式不同，因此为了保证嵌入的的值为整数，需要扩大的倍数t也不同。较佳的，可以采用替换最低有效位(Least Significant Bit, LSB)的方式实现。 具体为将确定出的第一阈值的t倍所对应的二进制码依次替换到第一分向量的各像素 值的最低有效位LSB中；以及将确定出的第二阈值的t倍所对应的二进制码依次替换到第 二分向量的各像素值的最低有效位LSB中。步骤S16 根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出的二 进制码，确定待嵌入二进制码。从第一分向量和第二分向量替换出的二进制码，将作为后续要嵌入第三分向量中 的待嵌入二进制码的一部分，嵌入到第三分向量中，以便在水印提取时能够恢复第一分向 量和第二分向量中的像素值。因此，待嵌入的二进制码中依次包括从第一分向量中替换出的二进制码、第二分 向量中替换出的二进制码和根据待嵌入的水印信息转化得到的二进制码。例如，当采用替换最低有效位的方式时，上述从第一分向量中替换出的二进制码 即为第一分向量中各像素值的最低位，从第二分向量中替换出的二进制码即为第二分向量 中各像素值的最低位。步骤S17 根据确定出的第一阈值、第二阈值和各像素值组的预测值，确定候选像 素值组。具体为选取预测值大于第一阈值且小于第二阈值的像素值组，组成候选像素值组。即所 选取的像素值组的预测值满足rmin <yt <rmax。由于确定出的第一阈值为包含像素值0的像素值组的预测值的最大值，第二阈值 为包含像素值255的像素值组的预测值的最小值，因此，选取预测值大于第一阈值且小于 第二阈值的像素值组，这些像素值组中必然不包含像素值0和255。由于本申请中，对像素值的调整值不会大于1 ；因此，对这样的像素值组的像素值 进行调整处理(加上或减去W)后，不会出现像素值小于0和大于255的情况。步骤S18 计算确定出的各候选像素值组的预测误差。根据设定的水印模板确定计算预测误差时所需要的像素值组中的参照像素点。例 如当水印模板为W= (-1,1,-1)或W= (-1,-1,1,-1,-1)时，选择水印模板中像素值调 整量为1的中间像素点作为参照像素点。将参照像素点的像素值减去该像素值组的预测值得到的差值作为预测误差。各像 素值组的预测误差Cli的计算公式如下dn其中，Yi为选定的参照像素点的像素值；；;,.为像素值组的预测值。步骤S19 并根据确定出的待嵌入二进制码、预测误差和设定的预测误差阈值，对候选像素值组进行像素值调整，实现水印的嵌入。根据计算出的预测误差，选择预测误差绝对值大于等于N-I且小于N的像素值组， 依次嵌入需嵌入的水印信息的二进制码。嵌入水印信息时，对各像素值组像素值的改变是 通过加减水印模板W= (-1,1,-1)来实现的。注由于预测值是通过公式^计算得到的，所以再加减水印模板 后每个像素值组Ci的预测值λ是保持不变的。也就是说首先需要依次将每个候选像素值组的预测误差绝对值与预测误差阈值 N进行比较。若候选像素值组的预测误差绝对值小于Ν-1，则确定该像素值组中不嵌入待嵌入 的二进制码，且不对该像素值组中的像素值进行调整。若候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N-I且小于N，则确定该像素值组中 嵌入待嵌入的二进制码；且根据需嵌入的二进制码的值和预测误差，确定不对该像素值组 中的像素值进行调整，或对该像素值组进行加上或减去水印模板的调整。若候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N，则确定该像素值组中不嵌入待嵌 入的二进制码，且根据预测误差，对该像素值组进行加上或减去所述水印模板的调整。即嵌入水印时，对各像素值组中像素值的修改满足下列关系式其中，C「表示对像素值组Ci进行像素值调整后的像素值组；sign (Cli)表示Cli值的正负符号；b为需嵌入的水印信息中的一个二进制码。上式表明，携带水印信息的像素值组为满足限制条件N-I ( IdiI <N的像素值组， 而为了避免嵌入水印信息之后，含有水印信息像素值组的预测误差Cli和未嵌入水印信息的 像素值组的预测误差Cli冲突，必需把所有I Cli I ^ N的像素值组的像素值进行调整，以改变 其预测误差。采用本发明实施例提供的上述水印嵌入方法嵌入水印信息后，即对像素值进行调 整后第三分向量13中各像素值组的预测误差的分布，可以包括下列四种情况(1)若果某个像素值组的预测误差< e (-(#-l),iV-l)，则说明该像素值组中的像 素值没有被修改，且该像素值组也未携带水印信息。(2)若果某个像素值组的预测误差< e[iV-l，iV)，则说明该像素值组中的像素值 没有被修改，且该像素值组携带的水印信息为二进制码b = 0。(3)若果某个像素值组的预测误差+ ，则说明该像素值组加上或减去 了一个水印模板W，即像素值被修改了，且该像素值组携带的水印信息为二进制码b = 1。(4)若果某个像素值组的预测误差< e[iV + l，oo),则说明该像素值组加上或减去 了一个水印模板W，即像素值被修改了，且该像素值组也未携带水印信息。本发明实施例还提供的一种数字水印提取方法，用于提取通过上述提供的数字水 C；C, CiCi +Sign(Cii)-W, C^sign(Jdi)-W,ifif N-\<\d\<N and b = 0\ if N-\<\d\<N and b = \\ if Kl ^ A^;印嵌入方法嵌入图像中的水印，恢复原始图像。其流程如图3所示，执行步骤如下步骤S20 获取已嵌入水印的图像所对应的一维像素值向量。对已嵌入水印的图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像素点的像素值组成 的一维像素值向量。具体实现过程同步骤S10，此处不再赘述。步骤S21 采用与嵌入水印时相同的划分方式，将得到的一维像素值向量划分为 三部分，得到三个分向量。其中，第一分向量和第二分向量中包含设定数量的像素值，第三 分向量中包含划分出第一分向量和第二分向量后剩余的像素值。例如依次获取一维像素值向量的前m个值和接下来的m个值，分别组成第一分向 量和第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量；即将获取的一维像素值向量划分为三个 分向量Γ、/;、厂。其中，m与嵌入水印时的取值相同。具体实现过程同步骤S11，此处不再赘述。步骤S22 根据嵌入水印时使用的水印模板，将划分出的第三分向量中的像素值 划分为若干像素值组。根据嵌入水印时使用的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量，然后 根据确定出的上述数量，将第三分向量中的像素值按顺序分为若干像素值组。例如设定的水印模块为W= (-1，1，-1)，则每个像素值组中包含的像素值的数量 3 ；若设定的水印模板W = (-1，-1，1，-1，-1)，则每个像素值组中包含的像素值的数量5。下面以将三个像素值分为一组为例，将第三分向量中的像素值按顺序每三个分成 一组，得到若干像素值组。假设第三分向量中包含η个像素值，则第三分向量分组后可以表示为r = {cnU其中，C<=< ；k = η/3的整数部分，i为大于等于1的正整数；’ <_,，<为第三分向量中的第3i-2，3i_l，3i三个像素值。步骤S23 计算上述确定出的像素值组的预测值。根据嵌入水印时使用的预测值计算公式。沿用上边的例子，当嵌入水印时使用的水印模板为W = (-1，1，_1)，所使用的计算 公式为乃=(χ. + 2少+ /4。则将嵌入水印后的第三分向量中各像素值组的像素值带入上述公式中，即可以通 过公式;^ = (χ；计算每个像素值组的预测值。且嵌入水印后计算出的预测值 与嵌入水印前计算出的预测值相同。步骤S24:根据嵌入水印时所采用的替换方式，从划分出的第一分向量和第二分 向量中提取出第一阈值和第二阈值其中，由于为了保证嵌入时的值为整数，在将第一阈值和第二阈值嵌入时，嵌入的 是第一阈值和第二阈值的t倍，因此，提取出嵌入的二进制码后需要作除以t的处理后，确 定出第一阈值和第二阈值。
当嵌入水印时，采用替换最低有效位的方式将第一阈值和第二阈值嵌入到第一分 向量和第二分向量中时，则从嵌入水印后的第一分向量中依次提取出其各像素值的最低有 效位LSB，并确定由提取出的最低有效位组成的二进制码的Ι/t为第一阈值；以及从嵌入水 印后的第二分向量中依次提取出其各像素值的最低有效位LSB，并确定由提取出的最低有 效位组成的二进制码的Ι/t为第二阈值。其中，t根据所述水印模板确定，与嵌入水印时的 取值相同。即得到嵌入水印时，嵌入第一分向量和第二分向量中的第三分向量中包含像素值 0的像素值组的预测值的最大值Tmin和包含像素值255的像素值组的预测值的最小值Tmax。步骤S25 根据提取出的第一阈值、第二阈值和各像素值组的预测值，确定候选像 素值组。选取预测值大第一阈值且小于第二阈值的像素值组，组成候选像素值组。即所选 取的像素值组的预测值满足
权利要求
1.一种数字水印嵌入方法，其特征在于，包括将待嵌入水印的原始图像的一维像素值向量划分为三个分向量包含设定数量的像素 值的第一分向量和第二分向量、及包含剩余像素值的第三分向量；根据设定的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划分为若干像素值组，并计算 所述像素值组的预测值；以及根据包含像素值0的所述像素值组的预测值确定第一阈值和 根据包含像素值255的所述像素值组的预测值确定第二阈值；将第一阈值和第二阈值采用替换的方式分别嵌入划分出的第一分向量和第二分向量 中；并根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码，确定 待嵌入二进制码；根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候选像素值组，并计算 各所述候选像素值组的预测误差；根据所述待嵌入二进制码、所述预测误差和设定的预测误差阈值，对所述候选像素值 组进行像素值调整。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将待嵌入水印的原始图像的一维像素 值向量划分为三个分向量，具体包括对所述原始图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像素点的像素值组成的一维像 素值向量；依次获取该一维像素值向量的前m个像素值和接下来的m个像素值，组成第一分向量 和第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量；其中，所述m根据所述水印模板、第一阈值 和第二阈值的二进制码的位数确定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据设定的水印模板将划分出的第三 分向量中的像素值划分为若干像素值组，具体包括根据设定的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量；根据确定出的所述数量，将所述第三分向量中的像素值按顺序分为若干像素值组。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算所述像素值组的预测值，具体包括根据所述水印模板和各像素值组中包含的像素值的数量，确定一个使得嵌入水印前后 预测值能够保持不变的预测值计算公式，使用确定出的公式计算各像素值组的预测值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阈值为包含像素值0的所述像素 值组的预测值的最大值；所述第二阈值为包含像素值255的所述像素值组的预测值的最小值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将第一阈值和第二阈值的分别嵌入划分出 的第一分向量和第二分向量中，具体包括将确定出的第一阈值的t倍所对应的二进制码依次替换到所述第一分向量的各像素 值的最低有效位LSB中；以及将确定出的第二阈值的t倍所对应的二进制码依次替换到所述第二分向量的各像素 值的最低有效位LSB中；所述t根据所述水印模板确定。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定候选像素值组，具体包括选取预测值大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的所述像素值组，组成所述候选像素值组。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各所述候选像素值组的预测误差， 具体包括根据设定的水印模板确定计算所述预测误差时所需要的像素值组中的参照像素点，将 所述参照像素点的像素值减去该像素值组的预测值得到的差值作为所述预测误差。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述待嵌入二进制码、所述预测误 差和设定的预测误差阈值，对所述候选像素值组进行像素值调整；具体包括依次将每个所述候选像素值组的预测误差绝对值与所述预测误差阈值N进行比较； 若所述候选像素值组的预测误差绝对值小于N-1，则确定该像素值组中不嵌入所述待 嵌入的二进制码，且不对该像素值组中的像素值进行调整；若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N-I且小于N，则确定该像素值组中 嵌入所述待嵌入的二进制码；且根据需嵌入的二进制码的值和所述预测误差，确定不对该 像素值组中的像素值进行调整，或对该像素值组进行加上或减去所述水印模板的调整；若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N，则确定该像素值组中不嵌入所述 待嵌入的二进制码，且根据所述预测误差，对该像素值组进行加上或减去所述水印模板的 调整。
10.如权利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，所述待嵌入二进制码中依次包括 从第一分向量中替换出的二进制码、第二分向量中替换出的二进制码以及所述水印信息转 化得到的二进制码。
11.一种数字水印嵌入装置，其特征在于，包括向量划分模块，用于将待嵌入水印的原始图像的一维像素值向量划分为三个分向量 包含设定数量的像素值的第一分向量和第二分向量、及包含剩余像素值的第三分向量；预测计算模块，用于根据设定的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划分为若 干像素值组，并计算所述像素值组的预测值；以及根据包含像素值0的所述像素值组的预 测值确定第一阈值和根据包含像素值255的所述像素值组的预测值确定第二阈值；替换模块，用于将第一阈值和第二阈值采用替换的方式分别嵌入划分出的第一分向量 和第二分向量中；并根据待嵌入的水印信息以及从第一分向量和第二分向量中替换出的二 进制码，确定待嵌入二进制码；误差计算模块，用于根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候 选像素值组，并计算各所述候选像素值组的预测误差；嵌入模块，用于根据所述待嵌入二进制码、所述预测误差和设定的预测误差阈值，对所 述候选像素值组进行像素值调整。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述向量划分模块，具体包括向量组成单元，用于对所述原始图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像素点的 像素值组成的一维像素值向量；划分单元，用于依次获取该一维像素值向量的前m个像素值和接下来的m个像素值，组 成第一分向量和第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量；其中，所述m根据所述水印模 板、第一阈值和第二阈值的二进制码的位数确定。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述预测计算模块，具体包括数量确定单元，用于根据设定的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量；分组单元，用于根据所述数量确定单元确定出的所述数量，将所述第三分向量中的像 素值按顺序分为若干像素值组；预测计算单元，用于根据所述水印模板和各像素值组中包含的像素值的数量，确定一 个使得嵌入水印前后预测值能够保持不变的预测值计算公式，使用确定出的公式计算各像 素值组的预测值；阈值确定单元，用于确定包含像素值0的像素值组的预测值的最大值作为第一阈值， 以及确定包含像素值255的像素值组的预测值的最小值作为第二阈值。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述替换模块，具体包括阈值嵌入单元，用于将确定出的第一阈值的t倍所对应的二进制码依次替换到所述第 一分向量的各像素值的最低有效位LSB中；以及将确定出的第二阈值的t倍所对应的二进 制码依次替换到所述第二分向量的各像素值的最低有效位LSB中；其中，t根据设定的水印 模板确定；信息确定单元，用于从第一分向量中替换出的二进制码、第二分向量中替换出的二进 制码以及所述待嵌入的水印信息转化得到的二进制码，确定出所述待嵌入二进制码。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述误差计算模块，具体包括选取确定单元，用于选取预测值大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的所述像素值 组，组成所述候选像素值组；误差计算单元，用于根据设定的水印模板确定计算所述预测误差时所需要的像素值组 中的参照像素点，将所述参照像素点的像素值减去该像素值组的预测值得到的差值作为所 述预测误差。
16.如权利要求11-15任一所述的装置，其特征在于，所述嵌入模块，具体包括比较单元，用于依次将每个所述候选像素值组的预测误差绝对值与所述预测误差阈值 N进行比较；调整执行单元，用于若所述候选像素值组的预测误差绝对值小于N-1，则确定该像素值 组中不嵌入所述待嵌入的二进制码，且不对该像素值组中的像素值进行调整；若所述候选 像素值组的预测误差绝对值大于等于N-I且小于N，则确定该像素值组中嵌入所述待嵌入 的二进制码，且根据需嵌入的二进制码的值和所述预测误差，确定不对该像素值组中的像 素值进行调整，或对该像素值组进行加上或减去所述水印模板的调整；若所述候选像素值 组的预测误差绝对值大于等于N，则确定该像素值组中不嵌入所述待嵌入的二进制码，且根 据所述预测误差，对该像素值组进行加上或减去所述水印模板的调整。
17.—种水印提取方法，其特征在于，包括采用与嵌入水印时相同的划分方式，将已嵌入水印图像的一维像素值向量划分为三个 分向量；根据嵌入水印时使用的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划分为若干像素 值组，并计算所述像素值组的预测值；根据嵌入水印时所采用的替换方式，从划分出的第一 分向量和第二分向量中提取出嵌入的第一阈值和第二阈值；根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候选像素值组，并计算各所述候选像素值组的预测误差；根据所述预测误差和嵌入水印时设定的预测误差阈值， 从所述候选像素值组中提取出嵌入的二进制码并恢复各像素值组中的像素值；根据所述嵌入的二进制码得到嵌入的水印信息和从所述第一分向量、第二分向量中替 换出的二进制码；将所述替换出的二进制码还原至第一分向量和第二分向量中的对应位置 处，得到原始图像。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述将已嵌入水印图像的一维像素值向 量划分为三个分向量，具体包括对所述已嵌入水印图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像素点的像素值组成的一维像素值向量；依次获取该一维像素值向量的前m个像素值和接下来的m个像素值，组成第一分向量 和第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量；其中，所述m与嵌入水印时的取值相同。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述根据嵌入水印时使用的水印模板将 划分出的第三分向量中的像素值划分为若干像素值组，具体包括根据嵌入水印时使用的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量； 根据确定出的所述数量，将所述第三分向量中的像素值按顺序分为若干像素值组。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述计算所述像素值组的预测值，具体包括采用和嵌入水印时相同的计算公式，计算所述像素值组的预测值；所述计算公式根据 所述水印模板确定，且使得嵌入水印前后预测值能够保持不变。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，根据嵌入水印时所采用的替换方式，从划 分出的第一分向量和第二分向量中提取出包含的第一阈值和第二阈值，具体包括从所述第一分向量中依次提取出其各像素值的最低有效位LSB，确定由提取出的最低 有效位组成的二进制码的Ι/t为所述第一阈值；以及从所述第二分向量中依次提取出其各像素值的最低有效位LSB，确定由提取出的最低 有效位组成的二进制码的Ι/t为所述第二阈值； 所述t根据所述水印模板确定。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述确定候选像素值组，具体包括选取预测值大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的所述像素值组，组成所述候选像素值组。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述计算各所述候选像素值组的预测误 差，具体包括根据嵌入水印时所使用的水印模板，确定计算所述预测误差时所需要的像素值组中的 参照像素点，将所述参照像素点的像素值减去该像素值组的预测值得到的差值作为所述预 测误差。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述从所述候选像素值组中提取出嵌入 的二进制码，具体包括依次将每个所述候选像素值组的预测误差绝对值与所述预测误差阈值N进行比较； 若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N-I且小于N，则确定该像素值组中 嵌入的二进制码的值为0并提取；若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N且小于N+1，则确定该像素值组中嵌入了二进制码的值为1并提取； 所述恢复各像素值组中的像素值，具体包括若所述候选像素值组的预测误差绝对值小于N，则不对该像素值组中的像素值进行调整；若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N，则根据所述预测误差，对该像素值 组中进行减去或加上所述水印模板的调整，得到嵌入水印前的的原始像素值。
25.如权利要求17-M任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述嵌入的二进制码得 到嵌入的水印信息和从所述第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码，具体包括根据第一分向量和第二分向量中包含的像素值的个数，依次获取对应数量的提取出的 二进制码，得到第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码；以及 由提取出的剩余的二进制码得到嵌入的水印信息。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述将所述替换出的二进制码还原至第 一分向量和第二分向量中的对应位置处，具体包括将得到从第一分向量中替换出的二进制码，依次还原至第一分向量的各像素值的最低 有效位LSB中；以及将得到从第二分向量中替换出的二进制码，依次还原至第二分向量的各像素值的最低 有效位LSB中。
27.—种水印提取装置，其特征在于，包括向量划分模块，用于采用与嵌入水印时相同的划分方式，将已嵌入水印图像的一维像 素值向量划分为三个分向量；预测计算模块，根据嵌入水印时使用的水印模板将划分出的第三分向量中的像素值划 分为若干像素值组，并计算所述像素值组的预测值；阈值提取模块，用于根据嵌入水印时所采用的替换方式，从划分出的第一分向量和第 二分向量中提取出嵌入的第一阈值和第二阈值；误差计算模块，用于根据所述第一阈值、第二阈值和各所述像素值组的预测值，确定候 选像素值组，并计算各所述候选像素值组的预测误差；水印提取模块，用于根据所述预测误差和嵌入水印时设定的预测误差阈值，从所述候 选像素值组中提取出嵌入的二进制码并恢复各像素值组中的像素值；信息还原模块，根据所述嵌入的二进制码得到嵌入的水印信息和从所述第一分向量和 第二分向量中替换出的二进制码；将所述替换出的二进制码还原至第一分向量和第二分向 量中的对应位置处，得到原始图像。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述向量划分模块，具体包括向量生成单元，用于对所述已嵌入水印图像进行往复式扫描，得到由其包含的所有像 素点的像素值组成的一维像素值向量；向量划分单元，用于依次获取该一维像素值向量的前m个像素值和接下来的m个像素 值，组成第一分向量和第二分向量，剩余的像素值组成第三分向量；其中，所述m与嵌入水 印时的取值相同。
29.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述预测计算模块，具体包括数量确定单元，用于根据嵌入水印时使用的水印模板确定每个像素值组中包含的像素值的数量；分组单元，用于根据确定出的所述数量，将所述第三分向量中的像素值按顺序分为若 干像素值组；预测计算单元，用于采用和嵌入水印时相同的计算公式，计算所述像素值组的预测值； 所述计算公式根据所述水印模板确定，且使得嵌入水印前后预测值能够保持不变。
30.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述误差计算模块，具体包括选取单元，用于选取预测值大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的所述像素值组， 组成所述候选像素值组；误差计算单元，用于根据嵌入水印时所使用的水印模板，确定计算所述预测误差时所 需要的像素值组中的参照像素点，将所述参照像素点的像素值减去该像素值组的预测值得 到的差值作为所述预测误差。
31.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述水印提取模块，具体包括误差比较单元，用于依次将每个所述候选像素值组的预测误差绝对值与所述预测误差 阈值N进行比较；水印提取单元，用于若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N-I且小于N，则 确定该像素值组中嵌入的二进制码的值为0并提取；若所述候选像素值组的预测误差绝对 值大于等于N且小于N+1，则确定该像素值组中嵌入了二进制码的值为1并提取；像素恢复单元，用于若所述候选像素值组的预测误差绝对值小于N，则不对该像素值组 中的像素值进行调整；若所述候选像素值组的预测误差绝对值大于等于N，则根据所述预 测误差，对该像素值组中进行减去或加上所述水印模板的调整，得到嵌入水印前的的原始 像素值。
32.如权利要求27-31任一所述的装置，其特征在于，所述信息还原模块，具体包括提取分离单元，用于根据第一分向量和第二分向量中包含的像素值的个数，依次获取对应数量的提取出的二进制码，得到第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码；以及 由提取出的剩余的二进制码得到嵌入的水印信息；信息还原单元，用于将所述第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码分别还原至 第一分向量和第二分向量中的对应位置处。
全文摘要
本发明公开了一种数字水印嵌入和提取方法及装置，该方法包括将原始图像的一维像素值向量划分为三个分向量；将第三分向量中的像素值划分为若干像素值组，并计算各像素值组的预测值；根据包含像素值0的像素值组的预测值确定第一阈值和根据包含像素值255的像素值组的预测值确定第二阈值，分别嵌入第一分向量和第二分向量中；并根据待嵌入的水印信息、从第一分向量和第二分向量中替换出的二进制码，确定待嵌入二进制码；根据第一阈值、第二阈值和各像素值组的预测值，确定候选像素值组并计算其预测误差；根据待嵌入二进制码、预测误差和设定的预测误差阈值，对候选像素值组进行像素值调整。使得嵌入水印后的图像能够满足高保真应用环境的要求。
文档编号G06T1/00GK102044054SQ200910236058
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月19日 优先权日2009年10月19日
发明者李晓龙, 杨斌, 王祥, 郭宗明 申请人:北京北大方正电子有限公司, 北京大学, 北大方正集团有限公司