专利名称：一种能抵抗裁剪攻击的数字水印方法
技术领域：
本发明属于图像数字水印领域，具体涉及一种基于互补扩频码的，能抵抗裁剪攻击的数字水印方法。
背景技术：
数字水印技术是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。通常数据内容叫做 “载体”，记号叫做“水印”。水印通常是不可见或不可察的，但是通过一些计算操作可以被提取。水印与载体紧密结合并隐藏其中，成为载体不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏载体使用价值的操作而存活下来，这种操作通常叫做“攻击”。一般认为数字水印系统是由两部分组成的——水印嵌入和水印提取。根据载体的类型可以将数字水印分为图像水印、 音频水印、视频水印、文本水印、软件水印等。由于图像处理软件的强大功能和普及，相比其他数字水印，图像数字水印遭受攻击的可能性更大、种类更多，即便是不懂专业技术的普通用户也能够对图像进行裁剪、模糊、添加噪声、添加文字、缩放、旋转等操作，因此对图像数字水印的嵌入和提取方法提出了更高的要求。在所有攻击中，裁剪攻击是较难抵抗的攻击。已有的抗裁剪攻击的数字水印方法大多为将裁掉的部分用黑色或者白色图像块补齐图像尺寸，这种方法显然不能满足实际应用的需要。本发明要给出一种能抵抗裁剪攻击的图像数字水印方法，该方法基于互补扩频码技术，水印嵌入图像空域，无需补齐图像尺寸，具有较好的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是给出一种能抵抗裁剪攻击的图像数字水印方法。该方法能够从裁剪过的图像中提取水印。本发明的技术方案是嵌入1.水印预处理以人工输入或者从存储介质上读取的方式获得要嵌入到图像中的水印w，水印w为一 0-1序列，长度为m比特。给水印w加上一个人工构造的长度为1比特的水印头，水印头也是一个0-1序列。然后对加了水印头的水印进行纠错编码。预处理后的水印记为whC，whC是一个长度为η的0-1序列。其中对加了水印头的水印进行纠错编码这一步是可选的，因此η彡1+m。2.水印扩频。2. 1从存储介质上读取η对互补扩频码，记为(C1, S1)，(C2，S2)，. . .，(Cn, Sn)，所有扩频码均为长度为K的一维双极性码，即由+1和-1构成的一维码。2. 2将Ci和Si, i = 1，2，. . .，η均按照从上到下、从左到右的顺序排为Ii1Xlc2的矩阵，其中Ii1Xlc2 = K。2. 3定义一个Ii1Xlc2的全0矩阵CS，循环变量ρ = 1，嵌入强度q。q的值根据实际应用对不可见性和鲁棒性的要求确定，可取正实数中的任何值，一般取0.1-10之间的数值。2. 4 如果 whcp = 1，则 CS = CS+q(Cp+Sp)；否则，CS = CS_q(Cp+Sp)。ρ = p+1。其中whcp表示whc中的第ρ个元素，取值为0或1。2. 5如果ρ >n，转第3步；否则转2. 4步。3.图像预处理从存储介质上读取一个MXN图像，利用图像处理中YIQ变换提取图像灰度Y、色调A和色饱和度B，将灰度分量大小归一化为4ki X 4k2大小，记归一化后的灰度分量为I，将I分为4X4的图像块，共Ii1Xlc2个图像块，记为Iij, i = 1,2, . . .，k1; j =4.嵌入对每一个图像块Iij按照同样的方法嵌入CS中1个元素CSijtl其中CSij 表示矩阵CS中第i行第j列的元素。4. 1计算Iij边上一圈像素的均值&。4. 2将Iu中间4个像素值置为4+0 。修改后的图像块，即嵌入水印的图像块记为 I' iJO5.图像重构将所有I' u拼接出图像灰度分量Γ，恢复图像原始尺寸，即将Γ 大小归一化为MXN，利用YIQ逆变换从色调A和色饱和度B中恢复I ‘的色彩信息，得到重构后的图像，即带水印的图像。提取1.图像预处理从存储介质上读取一个MXN图像，利用图像处理中YIQ变换提取图像灰度Y'、色调A'和色饱和度B'，将灰度分量大小归一化为41^Χ41 2大小，记归一化后的灰度分量为I'，将I'分为4X4的图像块，共Ic1Xli2个图像块，记为I' ij，i = l，
2，· · ·，，j1_，2，···，1^2 ο2.提取对每一个图像块Γ 按照同样的方法提取出CS中1个元素CSU。2. 1计算Γ ,j边上一圈像素的均值 \。2. 2计算I ‘ ,j中间4个像素的均值/"//。2. 3 置CSij=IW2. 4将CS按照一行一行的顺序排为一个一维向量。3.读取水印扩频码重新从存储介质上读取嵌入时用到的η对互补扩频码(C1, S》，(C2，S2)，· ··，(Cn Sn) ο4.计算相关度利用信号处理领域中计算线性相关度的方法，分别计算CS与CJSi 的线性相关度，记为ti; i = 1，2，...，n。5.恢复水印如果、彡0，则恢复出的水印whc' i=l;否则Whc' i = 0，i = l，
2 9 · · · j η ο6.恢复原始水印对whc'进行纠错译码，如果得到的水印头与原始水印头相同， 则水印头之后的部分是原始水印；否则，图像中没有嵌入水印。本发明与其他认证方法相比具有以下特点1.能抵抗裁剪攻击，且提取时无需补齐图像尺寸。2.除能抵抗裁剪攻击外，还能够抵抗滤波、加噪、JPEG压缩、旋转、缩放、添加文字等攻击，鲁棒性好。3.只在图像空域操作，省去了对图像进行频域变换和逆变换的操作，速度快。4.盲提取不需要原始图像，仅凭带水印的图像就能提取出水印。
图1总体流程图。图2嵌入流程图。图3水印预处理流程图。图4水印扩频流程图。
图5图像预处理流程图。图6水印嵌入示意图。图7图像重构流程图。图8提取流程图。图9水印提取示意图。图10恢复原始水印流程图。图11 一个简单的例子。图12实际例子中的原始图像。图13实际例子中的带水印图像。
具体实施例方式图1表示的是本发明的总体流程图。通过嵌入过程将水印嵌入图像中，带水印的图像可能遭受到来自外界的有意或者无意的攻击，可以从遭受到攻击的图像中提取出水印。图2表示的是本发明的嵌入流程图。水印经过预处理和扩频，嵌入到经过预处理的图像中，然后对图像进行重构得到带水印的图像。图3表示的是本发明的水印预处理流程图。以人工输入或者从存储介质上读取的方式获得要嵌入到图像中的水印《，水印为一 0-1序列，长度为m比特。给水印w加上一个人工构造的长度为1比特的水印头h，水印头h也是一个0-1序列，加水印头的目的是提取时用来判断图像中是否有水印。然后对加了水印头的水印进行纠错编码，其中纠错编码可以选用BCH、卷积、重复编码等纠错编码中的任何一种，目的是降低水印误码率。预处理后的水印记为whc，whc是一个长度为η的0-1序列。图4表示的是本发明的水印扩频流程图。从存储介质上读取η对互补扩频码，记为 (C1, S1)，(C2, S2)，· · ·，(Cn, Sn)，所有扩频码均为长度为K的一维双极性码。将Ci和Si, i = 1,2, ..., η均按照从上到下、从左到右的顺序排为Ic1Xli2的矩阵，其中Ic1Xli2 = K，即按照从上到下一行一行的顺序排为矩阵。定义一Ak1Xli2的全0矩阵CS，循环变量P = 1，嵌入强度q。q的值根据实际应用对不可见性和鲁棒性的要求确定，可取正实数中的任何值。如果 whcp = 1，则 CS = CS+q(Cp+Sp)；否则，CS = CS_q(Cp+Sp)，ρ = ρ+1，该过程直到 ρ = η+1 时停止。得到Ic1Xk2的矩阵CS。图5表示的是本发明的图像预处理流程图。从存储介质上读取一个MXN图像，利用图像处理中YIQ变换提取图像灰度Y、色调A和色饱和度B，将灰度分量大小归一化为 4ΚΧ41 2大小，记归一化后的灰度分量为I，将I分为4X4的图像块，共Ic1Xli2个图像块，记为Iij, i = 1，2，...，k1; j = 1，2，... Λ2。其中图像大小M和N、色调Α、色饱和度B需暂时保存，供图像重构时使用。图6表示的是本发明的水印嵌入示意图。对每一个4X4的图像块 Iij按照同样的方法嵌入CS中1个元素CSij, i = 1,2, ... , k1 j = 1,2,..., lc2。记Iij的16个像素分别为Iijl，Iij2，. . .，Iijl6,计算Iij边上一圈像素的均值 4=(/诉+/的+/诉+/辦+/於+/卵+/诉+/诉2+/诉3+/诉4+/诉5+/诉6)/12。将Iij中间4个像素Ii, Iij7，IijIO' IijIi的值均置为，得到新的4X4图像块Γ图7表示的是本发明的图像重构流程图。将所有I' u拼接出图像灰度分量Γ， 恢复图像原始尺寸，即将I ‘大小归一化为ΜΧΝ，利用YIQ逆变换从色调A和色饱和度B中恢复Γ的色彩信息，得到重构后的图像，即带水印的图像。图8表示的是本发明的提取流程图。从经过预处理的图像中提取出CS，并与互补扩频码计算相关度，根据相关度恢复出水印，并经过纠错解码、水印头对比等过程恢复原始水印，或者判断出图像中不存在水印。图9表示的是本发明的水印提取示意图。对每一个图像块Γ。_按照同样的方法提取出CS中1个元素CSij, i = 1，2，. . .，k1; j = 1，2，. . .，1 2。计算Γ ij边上一圈像素的均值/^^+/^43+/^+/^+/^+49+412+413+414+415+^/16)/12和中间 4 个像素的均值/'^=0+/^7+/^10+/^11)/4,置将CS按照一行一行的顺序排为一个一维向量。图10表示的是本发明的恢复原始水印流程图。对Whc'进行纠错译码，取前1比特做为水印头，如果得到的水印头与原始水印头相同，则水印头之后的部分是原始水印；否贝1J，图像中没有嵌入水印。图11是一个简单的例子。虚线上面的是水印嵌入过程，虚线下面的是水印提取
过程。要嵌入的水印W =‘‘01”，长度为m = 2比特。给水印w加上一个人工构造的水印头
h =‘‘10”，长度1 = 2比特。对加了水印头的水印“1001”进行(7，4)BCH纠错编码，编码
后的水印whc =“ 1001110”，长度为η = 7比特。从存储介质上读取η = 7对长度为K =
权利要求
1.一种能抵抗裁剪攻击的图像数字水印方法，其特征在于包括以下步骤嵌入1)水印预处理获得要嵌入到图像中的水印W，水印W为一0-1序列，长度为m比特；给水印w加上一个人工构造的长度为1比特的水印头，水印头也是一个0-1序列；预处理后的水印记为whc，whc是一个长度为η的0-1序列；2)水印扩频；2.1从存储介质上读取η对互补扩频码，记为(C1, S1)，(C2, S2),. . . , (Cn, Sn)，所有扩频码均为长度为K的一维双极性码，即由+1和-1构成的一维码；2. 2将Ci和Si, i = 1，2，. . .，η均按照从上到下、从左到右的顺序排为Ii1Xlc2的矩阵， 其中 Ic1Xk2 = K ；2. 3定义一个Ic1 X k2的全0矩阵CS，循环变量ρ = 1，嵌入强度q ；q的值根据实际应用对不可见性和鲁棒性的要求确定，可取正实数中的任何值，一般取0. 1-10之间的数值；2. 4 如果 whcp = 1，则 CS = CS+q(Cp+Sp)；否则，CS = CS_q(Cp+Sp) ；ρ = ρ+1 ；其中 whcp 表示whc中的第ρ个元素，取值为0或1 ；2. 5如果ρ > n，转第3步；否则转2. 4步；3)图像预处理从存储介质上读取一个MXN图像，利用图像处理中YIQ变换提取图像灰度Y、色调A和色饱和度B，将灰度分量大小归一化为41^Χ41 2大小，记归一化后的灰度分量为I，将I分为4X4的图像块，共Ic1Xli2个图像块，记为Iij, i = 1,2, ... , k1 j = 1， 2，· · ·，；4)嵌入对每一个图像块Iij按照同样的方法嵌入CS中1个元素CSij；其中CSij表示矩阵CS中第i行第j列的元素；4. 1计算Iij边上一圈像素的均值4. 2将Iu中间4个像素值置为修改后的图像块，即嵌入水印的图像块记为I'..；5)图像重构将所有Γu拼接出图像灰度分量Γ，恢复图像原始尺寸，即将Γ大小归一化为MXN，利用YIQ逆变换从色调A和色饱和度B中恢复I ‘的色彩信息，得到重构后的图像，即带水印的图像；提取01.图像预处理从存储介质上读取一个MXN图像，利用图像处理中YIQ变换提取图像灰度Y'、色调A'和色饱和度B'，将灰度分量大小归一化为41^Χ41 2大小，记归一化后的灰度分量为I'，将I'分为4X4的图像块，共Ic1Xli2个图像块，记为Γ ij;i = l，2，...， I^1，j = 1，2，· · ·，k2 ；02.提取对每一个图像块Γ按照同样的方法提取出CS中1个元素CSu ；02. 1计算Γ 边上一圈像素的均值02. 2计算I ‘ ,j中间4个像素的均值/“…02. 3 WOSirW02.4将CS按照一行一行的顺序排为一个一维向量；03.读取水印扩频码重新从存储介质上读取嵌入时用到的η对互补扩频码(C1,S1), (C2，S2)，· · ·，(Cn Sn)；.04.计算相关度利用信号处理领域中计算线性相关度的方法，分别计算CS与CJSi的线性相关度，记为ti; i = 1，2，···，n;.05.恢复水印如果、彡0，则恢复出的水印Whc'i = l;否则Whc' i = 0，i = l， 2 ... J π ；.06.恢复原始水印对whc'进行译码，如果得到的水印头与原始水印头相同，则水印头之后的部分是原始水印；否则，图像中没有嵌入水印。
2.根据权利要求1所述的一种能抵抗裁剪攻击的图像数字水印方法，其特征在于还包括以下步骤步骤1)水印预处理中对加了水印头的水印进行纠错编码；步骤06中恢复原始水印中对whc ‘进行纠错译码。
全文摘要
一种能抵抗裁剪攻击的数字水印方法属于图像数字水印领域。本发明基于互补扩频码的嵌入和提前，能抵抗裁剪攻击的数字水印方法。本发明能抵抗裁剪攻击，且提取时无需补齐图像尺寸，还能够抵抗滤波、加噪、JPEG压缩、旋转、缩放、添加文字等攻击，鲁棒性好。只在图像空域操作，省去了对图像进行频域变换和逆变换的操作，速度快。不需要原始图像，仅凭带水印的图像就能提取出水印。
文档编号G06T1/00GK102456217SQ20121000391
公开日2012年5月16日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者姜楠 申请人:北京工业大学