基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入及检测方法，在局部特征区域构造的过程中，对原始灰度图像进行特征点的提取，得到原始图像特征点集，并以原始图像特征点为中心，利用自相关矩阵构造得到一系列椭圆特征区域，计算其椭圆特征区域的PHT，并选取稳定的PHT，采用量化调制PHT幅值的方法实现水印信号的嵌入。采用与嵌入过程相同的量化公式，达到对每个局部特征区域水印信息的检测。由于结合了PHT和椭圆特征区域构造理论，使得本发明能够很好的抵抗常规攻击及去同步攻击，可以有效的提高数字水印鲁棒性，同时保证了数字水印的不可感知性和水印的信息量。
【专利说明】基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多媒体信息安全中信息隐藏与数字水印【技术领域】，尤其是一种不仅具 有较好的不可感知性，而且对常规信号处理(中值滤波、边缘锐化、叠加噪声和JPEG压缩等） 和去同步攻击(旋转、平移、缩放、剪切、翻转等）均具有较好的鲁棒性的基于局部内容特征 的鲁棒数字水印嵌入及检测方法。
【背景技术】
[0002] 数字水印（Digital Watermarking)作为传统加密方法的有效补充手段，是一种 可W在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，近年来已引起人们高度重 视，并已成为国际学术界研究的一个热点。所谓数字图像水印，就是将具有特定意义的标记 (水印)，利用数据嵌入的方法隐藏在数字图像产品中，用W证明创作者对其作品的所有权， 并作为鉴定、起诉非法侵权的依据，同时通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可 靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。
[0003] 所谓去同步攻击，并非指该种攻击能够从含水印图像中去除水印信息，而是指其 能够破坏数字水印分量的同步（即改变水印嵌入位置)，从而导致检测器找不到有效水印。 去同步攻击包括全局仿射变换（即旋转、缩放、平移）和一般性去同步攻击(剪切、尺度变换、 行列去除等)。近年来，人们主要采用H种措施设计抗去同步攻击的图像水印方案，分别为 构造几何不变量、隐藏模版、利用原始图像重要特征。
[0004] 近年来，抗几何攻击数字图像水印方法研究取得了很大进展，但如何构造均匀且 稳定的特征点检测器及局部特征区域，如何在现有灰度图像数字水印算法的基础上，使其 具有更好的数字水印鲁棒性和不可感知性，W及如何解决现有基于图像特征数字水印算法 中存在的所选用局部特征区域结构与水印嵌入策略过于简单，限制了系统的容纳水印信息 能力等问题，现有算法未能很好的解决，因而必然影响数字水印的鲁棒性和不可感知性。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有图像水印方法存在的上述问题，提供一种不仅具有较好的不可感 知性，而且对常规信号处理（中值滤波、边缘锐化、叠加噪声和JPEG压缩等）和去同步攻击 (旋转、平移、缩放、剪切、翻转等）均具有较好的鲁棒性的基于局部内容特征的鲁棒数字水 印嵌入及检测方法。
[0006] 本发明的技术解决方案是；一种基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其 特征在于按照如下步骤进行： 步骤1 ;对原始灰度图像进行特征点的提取，得到原始图像特征点集； 步骤2 原始图像特征点为中也，利用自相关矩阵构造得到一系列楠圆特征区域； 步骤3;将构造出的楠圆特征区域映射为圆形区域，外接成方形子图像，计算方形子图 像的raT; 步骤4 ;在获得的方形子图像的PHT中选取稳定的PHT，采用量化调制PHT幅值的方法 实现水印信号嵌入。
[0007] 所述步骤1如下： 步骤11 ;求取图像亮度矩阵中每个点巧X，}')的概率密度； 步骤12 ;求取每一点巧x>)概率密度二阶导数、巧J.:
【权利要求】
1. 一种基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其特征在于按照如下 步骤进行： 步骤1:对原始灰度图像进行特征点的提取，得到原始图像特征点集； 步骤2 :以原始图像特征点为中心，利用自相关矩阵构造得到一系列椭圆特征区域； 步骤3 :将构造出的椭圆特征区域映射为圆形区域，外接成方形子图像，计算方形子图 像的PHT; 步骤4 :在获得的方形子图像的PHT中选取稳定的PHT，采用量化调制PHT幅值的方法 实现水印信号嵌入。
2. 根据权利要求1所述的基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其特征所述步 骤1如下： 步骤11 :求取图像亮度矩阵中每个点的概率密度； 步骤12 :求取每一点X(U)概率密度二阶导数年、& :
步骤13 :以Piy为输入信息，构建以点X(U)为中心的局部区域的二阶自相关矩 阵：
步骤14 :构建尺度图像金字塔，进而得到基于概率密度的改进的SURF算子特征点检测 器，最终得到稳定的特征点位置。
3. 根据权利要求2所述的基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其特征所述步 骤2如下： 步骤21 :用Bay等人提出的改进的SURF方法，构建以点X(Xj)为中心的改进的二阶自 相关矩阵:
步骤22 :利用二阶自相关矩阵的特征值UliI2)求取长短轴，利用二阶自相关矩阵的特 征向量m求取角度，构造以此特征点X(U)为圆心的椭圆局部特征区域，其中：
步骤23 :综合预攻击图像方法及面积排序方法对椭圆区域进行筛选。
4. 根据权利要求3所述的基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其特征所述步 骤3如下： 步骤31 :将构造出的椭圆特征区域映射为圆形区域； 步骤32 :根据得出的椭圆方向角《，长半轴&和短半轴^，选取参数沒、fn-和i++'n， 按照5: 0 4It, :O4： 〇 4 的顺序依次将椭圆区域像素映射到对应的圆 形区域，公式如下：
其中，a为椭圆方向角，#、rH-和rH为三个映射所需的参数，^ x和eewrerj.'为圆形区域圆心位置，z和_7为映射得到的圆形区域坐标，由此得到映射的圆形 区域图像； 步骤33 :将原始图像中的每个局部区域四周"补0"，以得到外接方形子图像； 步骤34 :计算各方形子图像的PHT，通过下式限制PHT的阶数和重复度： |?i| + |w|<Z 其中，提PHT的最高阶数，对于任意一个J，PHT的个数为(尤二if 。
5. 根据权利要求4所述的基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法，其特征所述步 骤4如下： 步骤41 :对载体图像进行几何攻击和常规攻击，找到攻击前后变化率小的 矩，选取稳定矩的规则如下： (1)除去重复度为/=4w,iweZ的矩值；（2)对于互为共轭的PHT，只选取正阶数的矩； 最终选定的矩以及矩的个数满足下式：
步骤42 :采用量化调制PHT幅值的方法实现水印信号嵌入，选取的PHT为 ￡ = ,对应的幅值为J=(為=%，為,量化规则如下：
式中：[|是四舍五入操作，A是量化步长，丨是通过密钥Key产生的量化函数，且满足
量化PHT幅值时，修改它关于中心对称位置的PHT幅值，嵌入 水印之后得到的PHT幅值为分=(4^ U对应的PHT为F= (A; 步骤43 :对选取的PHT嵌入水印信息前后分别进行重构，得到两个重构图像，对这两个 重构图像做差值运算，将得到的差值叠加到原载体对应局部图像中，即得到了局部含水印 图像； 步骤44:依次将每个圆形区域都嵌入水印，然后将嵌入水印的圆形区域图像映射为椭 圆区域，最终得到含水印图像。
6. -种与权利要求1、2、3、4或5所述的基于局部内容特征的鲁棒数字水印嵌入方法 相对应的检测方法，其特征在于按如下步骤进行： 步骤51 :对含水印图像进行图像特征点提取，得到稳定的特征点位置； 步骤52 :求得一系列含水印图像的椭圆特征区域； 步骤53 :求得椭圆区域的PHT值； 步骤54:数字水印的提取： 步骤541 :利用稳定矩的选取规则，选择的PHT为F= …，￡丨乂），设其对应的 PHT幅值为义=h;
步骤543 :采用与嵌入过程相同的量化公式，用两个量化函数忒0丨，出1丨分别量化Alm_(i=L-"-.￡J；
通过上式，可以得到两组向量式UiirI和u丨i; 步骤544 :通过比较及其两组量化式距离提取水印信息，即
步骤545 :完成对每个局部特征区域水印信息的提取。
【文档编号】G06T1/00GK104504643SQ201410817022
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】杨红颖, 张妍, 王向阳 申请人:辽宁师范大学