一种结合非重叠分块和等频带融合的水印嵌入及提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息安全和数字图像信号处理交叉研究领域，设及一种水印嵌入及提 取方法，特别设及一种结合非重叠分块和等频带融合的水印嵌入及提取方法。
【背景技术】
[0002] 多媒体和网络技术的发展，使人们能够更加方便地获得各种数字图像信息。数字 图像具有易存储性、易传输性W及易操作性等优点，但同时也使得盗版者可W对其进行未 授权的复制和传播；恶意攻击者可容易地对其进行篡改或伪造，从而易造成严重后果和导 致重大经济损失。
[0003] 针对图像信息安全，人们已提出多种方法，如:①将明文图像转换为密文图像的数 字图像加密技术;②将机密图像隐藏于非相关载体中的数字图像隐写技术;③结合现有技 术特点对图像的真实性和完整性进行甄别的数字图像盲取证技术;④将机密图像拆分为影 子图像，利用部分分发影子图像重构秘密图像的数字图像分存技术W及⑤给图像添加版权 认证标识，对图像的真实性和完整性，来源者和使用者进行鉴别认证的数字图像水印技术。 其中数字图像水印技术，已成为图像信息安全的研究热点。
[0004] 化n Schyndel等较早提出数字水印（A digital watermark.Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing,1994,2:86-90.)。
[0005] 传统的水印技术通常关注的是水印如何嵌入，W减少对掩体视觉质量或听觉质量 的影响，而对水印嵌入位置的安全性却较少设及，通常采用将水印嵌入到频域变换的固定 位置。如:Lai等将水印分成两部分，分别通过修改掩体图像1级化ar小波分解的LH和化子带 白勺奇异f直来嵌/VzJc目P (Digital image watermarking using discrete wavelet transform and singular value decomposition.IEEE Transactions on Inst;rumen1:ation and Measurement,2010,59( 11) :3060-3063.) ;Tao等将经过仿射变换的 水印嵌入到掩体图像3级小波分解的化3子带系数的各个分块中，并利用粒子群优化算法来 优化水目P嵌入强度（A wavelet-based particle swarm optimization algorithm for digital image watermarking. Integrated Computer-Aided Engineering,2012,19(1): 81-91.) ;Zope等将Arnold变换加密的水印嵌入到掩体图像3级小波分解的化3和H也频带的 /j、波系数中（Robust copyright protection of raster images usin邑 wavelet based digital watermarking.2014 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS) ,2014:3129-3132. );Preda等用2级整数小波分解的LL2频带的系数生 成水印，对其进行随机置换后嵌入化i、LHi和皿1频带的小波系数中（Self-recovery of unauthentic images using a new digital watermarking approach in the wavelet dom3in.2014 10th IEEE Internstionsl Conference on Communic曰tions,2014:1-4.)。
[0006] W上方法关注的是将水印嵌入到载体中，使其满足视觉上的不可见性，而对水印 嵌入策略的安全性没有设及，采用固定的频域变换导致水印在掩体上的嵌入位置固定。一 些方法尽管试图通过对水印进行置乱来增强对嵌入的水印进行保护，但依然使用固定的频 域变换来进行水印嵌入，由此在掩体上的嵌入位置也依然固定。固定的嵌入位置导致水印 嵌入策略一旦公开，所嵌入的水印就可被轻易地剔除或篡改掉。
[0007] 为克服传统的水印技术使用固定的小波基来实现小波变换运一缺陷。Meerwald等 将参数化小波变换应用到水印系统，提出了基于参数化离散小波变换的安全水印方法 (Watermark security via wavelet filter parametrization.Proceedings of the IE邸 International Conference on Image Processing,2001,3:1027-1030.),其基本思 想是通过构造参数化滤波器来试图实现不同的小波参数对应不同的变换域，并通过对参数 进行保密而保护水印的嵌入位置，W提高数字水印的安全性。在此基础上，Wu等提出一种基 于参数化整数小波的半脆弱水印图像认证方法(A secure semi-fragile watermarking for image authentication based on integer wavelet transform with parameters.Proceedings of the Australasian workshop on Grid computing and e-research，2005，44:75-80.)，为同时获得安全性和较低的计算复杂性，使用提升算法构造 参数化整数小波变换。该方法将掩体图像进行3级参数化整数小波分解，然后通过修改低频 子带化3中系数的最低五位嵌入水印。化amlawi等在Wu的基础上添加了Piva等的方法（Self recovery 曰uthentic曰tion of images in the DWT dom曰in.Internstionsl Journ曰I of Image and Gra地ics,2005,5(I): 149-165.)提出了基于参数化小波的图像认证和恢复方 法（Wavelet based image authentication and recovery. Journal of Computer Science and Technology,2007,22(6) :795-804.),通过嵌入双重水印达到图像认证和恢 复的功能。
[0008] 但将参数化小波用于决定和影响水印的嵌入位置W提高水印嵌入策略的安全性， W上方法都没有进行理论上的分析，其所依据的只是实验个例。经实验检验，使用参数化整 数小波对于参数值改变的敏感性难W满足实际需求，当参数化小波的参数发生改变时，依 然能够近似提取嵌入的水印，因此嵌入的水印的安全性依然难W保证。
[0009] 在所申请的发明专利:基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入及提取方法 (邵利平，祝奎.一种基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入及提取方法[P].中国， 中华人民共和国国家知识产权局，201510145048.6.)，将掩体图像MD5值、用户密钥和初始 参数与Logistic映射绑定，用于对水印加密和嵌入环节的多级小波系数进行随机选择，再 利用选取的多级小波系数加权和量化来嵌入水印。结合多级小波系数嵌入水印，在获得较 好性能的同时也存在W下问题：图像经过变换时，对不同级小波系数的影响不同且不同级 小波系数变化量相同时，对图像矩阵变化量的影响也不同，尽管我们通过权重和调整小波 系数加权均值平衡了各级小波系数的影响，平衡了水印算法的不可见性与鲁棒性，但各级 小波系数的性能差异导致短板效应，使提取的水印质量下降，抗攻击能力减弱。
【发明内容】
[0010] 本发明在于克服现有技术缺陷，提供一种结合非重叠分块和等频带小波系数融合 的可公开敏感水印嵌入和提取方法，通过将掩体图像的細A-I值和用户密钥与生成水印加 密和随机位置选择过程的初始值和参数绑定来提高水印嵌入和水印提取的安全性且有效 避免了将不同级小波系数融合在一起所带来的短板效应，避免了对提取水印进行2次调整 的孤立点滤除策略，但依然能提供足够的嵌入安全性。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0012] -种结合非重叠分块和等频带融合的水印嵌入方法，，包括W下步骤：
[001引第1步:记掩体图像A= (Pi, j )MXN对应的160位甜A-I值为Asha-I，将Asha-I转换为40个 16进制数，构成16进制序列，记为Sa= <日日，'。，ak,…，日39>，￡ikE{0,l,'''，15};
[0014] 第2步：由用户密钥XinitE (0，1)和iiinite [3.57,4]产生长度为40的伪随机序列Sb = <bo,'..，bk,。'，b39> ,bkE (0,1);
[0015] 第3步：由Sa和Sb计算用于水印保护的中间初始值XO和参数iio;
[0016] 第4步:记2值水印图为W= (Wi, j)mxn，由XO和y〇产生长度为m X n的伪随机序列Sc = < CO, ... ,Ck, ... ,CmXn-l> , CkE (0,1 );
[0017]第5步:将伪随机序列S。转化为2值矩阵E= (eij)mxn，对W进行加密得到加密后的水 印图W' =(W' i,j)mXn;
[001引第6步.刹田S。巧Sk卢年大小为el Xel的不重叠分块，不重叠分块的数量为mXn，满 足el是偶数且'
其中MXN是掩体图像A= (Pi, j)MXN的大小；
[0019] 第7步:记bl〇ck〇，bl〇ckl，…，blockmXn-l为产生的各个分块，依次对各个分块进行1 级小波金字塔变换形成31+1个子带，且满月
[0020] 第8 步：记61〇。1^，4 = 0，1，...，111乂11-1的化1和师频带所有系数为^，^' = 0，1，--.， num-1，其中num为巧巧'和王巧f频带系数的个数，由V^', j = 0，1，…，num-l计算融合系数 wei邑htk;
[00別]第9步:对融合系数￥61旨帕，4 = 0,心'',111乂]1-1进行量化调整嵌入2值水印；
[0022] 第10步:将各个分块进行1级小波金字塔逆变换，重构含水印图像=(P^M)MXNc
[0023] 进一步，第1步将Asha-I转换为40个16进制数，构成16进制序列的具体方法为从 Asha-I的左起最高位开始依次将Asha-I转换为40个16进制数；
[0024] 第2步由用户密钥XinitE (0，1)和iWte [3.57,4]产生长度为40的伪随机序列Sb = <bo,…，bk,…，b39> ,bkE (0,1)的具体方法为由用户密钥XinitE (0,1)和]IinitE [3.57,4] 作为式（1)中的初始值X和参数y并驱动式（1)产生长度为40的伪随机序列Sb = <bo,…， bk,…，b39>，bkE (0,1)，为消除暂态效应，将迭代前count含0次结果抛弃，从count+1次起 产生Sb ,count由用户给定；
[0025] X=UX(I-X) (1);
[0026] 第3步由Sa和Sb计算用于水印保护的中间初始值XO和参数iio的具体方法为将Sa和Sb 代入式(2)和式(3)计算用于水印保护的中间初始值XO和参数iio;
[0027] 倒；
[0028] (3):
[0029] 第4步由XO和y〇代入式（I)产生长度为m X n的伪随机序列Sc = <CO，…，Ck，…，CmXn-I >，Cke (0，1)的具体方法为将XO和iio代入式（1)产生长度为m X n的伪随机序列Sc = <CO，…， Ck,…，CmXn-l> ,CkE (0,1)，同样为消除暂态效应，将迭代前count ^ 0次结果抛弃，从count+ 1起产生Sc ,count由用户给定。
[0030] 进一步，第5步将伪随机序列Sc转化为2值矩阵E= (ei,j)mxn的具体方法为按式(4) 将伪随机序列Sc转化为2值矩阵E= (ei, j)mxn:
[003 U
(4);
[0032] 第5步对W进行加密得到加密后的水印图的具体方法为：
[0033] 巧)；
[0034] 第6步利用Sa和Sb产生大小为e