专利名称：基于混沌特性的鲁棒性盲水印嵌入与提取方法
技术领域：
本发明涉及一种基于混沌特性的鲁棒性盲水印嵌入与提取方法，是一种适用于数字图像产品的版权认证，防止非法拷贝的数字水印方法。
为实现这样的目的，本发明设计了一种新的离散余弦变换(DCT)域鲁棒性图像水印方案，利用混沌随机性好和容易再生的特性置乱、嵌入和提取水印。首先用一个静态hash表处理后的混沌序列置乱水印，而后基于混沌序列在频域中随机选择少量的参考点，并在其邻域内用保留原系数小数部分的奇偶量化法批量嵌入乱序水印。在水印提取过程中，把嵌有水印的图像进行离散余弦变换后用跟嵌入过程同样的混沌密钥找到参考点，确定每个参考点邻域内所隐藏的水印比特数，通过查看每个参考点邻域内修改过的离散余弦变换系数的奇偶区域，来提取水印比特，将提取的乱序水印经过反置乱得到恢复的水印。
本发明的方法主要包括水印嵌入和水印提取，具体步骤如下1、水印嵌入过程利用一个静态Hash表处理后的混沌序列置乱二值水印，把原始图像进行离散余弦变换(DCT)后，在频域内用另一个混沌序列随机选择少量DCT系数作为参考点，然后在参考点的邻域内按一定的规则批量地嵌入不定数量的乱序水印比特，每个参考点邻域内隐藏的水印比特数是随机的，由一个混沌序列来决定。隐藏水印比特的过程也就是修改DCT系数的过程，本发明通过奇偶量化DCT系数来达到隐藏水印的目的。隐藏水印比特时，视水印比特是“0”还是“1”，通过一个量化步长将系数量化到奇偶区域，再加上其小数部分，即为修改后的频域系数。将修改后的频域系数矩阵作DCT逆变换，得到嵌入水印后的图像。
注意到如果存在边缘参考点或邻域重叠嵌入的参考点，将会对水印的提取造成一定的误判。因为本发明是在一个参考点邻域内嵌入多个水印比特，参考点相对于宿主图像的象素数量来说是很少的，因此这类参考点出现的概率是很小的，即使出现，可以在水印嵌入前将这类参考点丢弃。
2、提取水印过程先把嵌有水印的图像进行DCT变换，然后用跟嵌入过程同样的混沌密钥产生的混沌序列找到参考点，确定每个参考点邻域内所隐藏的水印比特数，通过查看每个参考点邻域内嵌有水印的DCT系数的奇偶区域来提取水印比特。将提取的乱序水印经过反置乱得到恢复的水印。
由于是通过量化DCT系数以奇偶区域来隐藏水印，从而赋予了图像频域系数以二值特征，提取水印时，只需查看所修改过的频域系数是偶区域还是奇区域，从而判断水印比特是“0”还是“1”，因此提取水印过程不用原始图像。
本发明可以容易地实现在灰度图像中实时嵌入和提取水印，嵌入的水印安全性和不可见性好，鲁棒性强，而且提取水印时不用原图，易于实时操作；即使图像遭到比较强的破坏，也能提取出视觉可辨认的二值水印，从而达到版权保护的目的。
在
图1中混沌序列用于水印置乱、选择参考点、决定每个参考点邻域内嵌入的水印比特数，混沌系统的初始参数Key1，Key2，Key3作为水印系统的三个密钥。
图2为本发明方法的提取水印过程框图。
在图2中的密钥Key1，Key2，Key3应跟嵌入过程一样，才能正确提取出水印。
图3为水印比特为“0”时，DCT系数的奇偶量化示意图。在图3中，以“0”水印比特为例，给出了DCT系数的奇偶量化示意图。 指所要修改的频域系数，Δ是量化步长。
图4为本发明水印置乱结果。
图4(a)为原始二值水印，图4(b)为置乱后的水印。
图5为加入水印结果。
图5(a)为原始图像，图5(b)为加入水印后的图像，图5(c)为提取的水印。
图6为含水印图像受攻击后提取的水印。
其中，图6(a)剪切50％面积(DR＝13.82％)，图6(b)JPEG压缩到原图像文件大小的50％(DR＝1.54％)，图6(c)加入均值为0标准差为52.43的高斯噪声(DR＝7.91％)，图6(d)5阶30Hz低通滤波(DR＝9.18％)，图6(e)双线形插值法放大2倍(DR＝8.77％)，图6(f)3×1窗口中值滤波(DR＝18.61％)，图6(g)灰度级数为64的直方图均衡(DR＝13.38％)。
图7为量化步长对水印性能的影响。
其中，图7(a)为量化步长对含水印图像的峰值信噪比(PSNR)的影响，图7(b)为量化步长对提取水印的DR的影响。
通过计算可知(fw-f^)∈(-Δ-1,Δ+1),]]>，图像频域系数的变化反映了空域象素值的变化，从而影响了图像的视觉质量，总体上说，频域系数变化越大，则空域中象素值的变化也越大，所以Δ值影响着含水印图像的质量，应合理选择。所用的保留小数部分的奇偶量化法修改频域系数，使得系数的修改在表面上不易被察觉，从而更利于水印的安全隐藏。3.水印提取含水印图像首先作DCT变换。应用跟嵌入过程同样的混沌密钥K2和K3，在DCT域中找到参考点，并确定每个参考点邻域内所隐藏的水印比特数目。水印比特的提取方法如下 用混沌密钥K1，将提取的乱序水印比特作反置乱，再变回二维，得到提取的水印图像。
水印的鲁棒性要求嵌有水印的载体即使受到一定的扰动，也应仍然能恢复水印。通过计算可知，攻击后的DCT系数f′w如果满足(f′w-fw)∈(-Δ，Δ)，则应用本发明所提出的水印方案，水印比特能被正确提取，也就是说量化步长Δ值也影响水印的鲁棒性，Δ值越大，则鲁棒性越好，而水印的不可见性降低，因此Δ值的选择应该在鲁棒性和不可见性之间作折衷考虑。实验结果为了说明本发明所提出的水印方案的性能和有效性，下面给出实验仿真结果。实验中所用的混沌序列均由一维Logistic-map混沌映射产生。图4是用静态Hash表处理后的混沌序列置乱64×64二值水印的结果，从图4中看到水印的置乱效果很好。原始灰度图像‘Lena’大小为512×512，如图5(a)所示。取量化步长Δ＝25，将图4(b)所示的置乱后的二值水印嵌入到宿主图像中，所得的含水印图像如图5(b)所示，可以看出水印的不可见性很好。在含水印的图像没有收到攻击时，使用正确的密钥，提取的水印如图5(c)所示，可见水印被无误地提取。图6(a-g)是含水印图像经过一系列较强程度的图像处理后，提取的水印图像及扭曲率(DR)，其中，图6(a)剪切50％面积(DR＝13.82％)，图6(b)JPEG压缩到原图像文件大小的50％(DR＝1.54％)，图6(c)加入均值为0标准差为52.43的高斯噪声(DR＝7.91％)，图6(d)5阶30Hz低通滤波(DR＝9.18％)，图6(e)双线形插值法放大2倍(DR＝8.77％)，图6(f)3×1窗口中值滤波(DR＝18.61％)，图6(g)灰度级数为64的直方图均衡(DR＝13.38％)。从图中可以看出，尽管含水印图像受到不同程度的破坏，但提取的水印仍可辨认，从而达到版权证明的目的。图7为量化步长对水印性能的影响。其中，图7(a)为量化步长对含水印图像的峰值信噪比(PSNR)的影响，图7(b)为量化步长对提取水印的DR的影响。
与现有技术的水印方案相比，本发明所提出的水印方案多次应用混沌系统，设计的水印方案安全可靠、鲁棒性强，尤其是抗高斯噪声和JPEG压缩的鲁棒性效果更明显。量化步长可根据不同的图像处理和实际中对图像质量、鲁棒性的要求灵活调节，由于实现简单且提取水印时不用原图像，因此便于实时操作。
权利要求
1.一种基于混沌特性的鲁棒性盲水印嵌入与提取方法，包括水印嵌入和水印提取，其特征在于在水印嵌入过程中，利用一个静态Hash表处理后的混沌序列置乱二值水印，把原始图像进行离散余弦变换后，在频域内用另一个混沌序列随机选择离散余弦变换系数作为参考点，然后在每个参考点的邻域内按一定的规则批量地嵌入不定数量的乱序水印比特，其个数由一个混沌序列来决定，隐藏水印比特时，视水印比特是“0”还是“1”，通过一个量化步长将系数量化到奇偶区域，再加上其小数部分，即为修改后的频域系数，将修改后的频域系数矩阵作离散余弦变换的逆变换，得到嵌入水印后的图像；在水印提取过程中，先把嵌有水印的图像进行离散余弦变换，然后用跟嵌入过程同样的混沌密钥找到参考点，确定每个参考点邻域内所隐藏的水印比特数，通过查看每个参考点邻域内修改过的离散余弦变换系数的奇偶区域，来提取水印比特，将提取的乱序水印经过反置乱得到恢复的水印。
全文摘要
本发明提出一种基于混沌特性的鲁棒性盲水印嵌入与提取方法，首先用一个静态Hash表处理后的混沌序列置乱水印，而后基于混沌序列在频域中随机选择少量的参考点，并在其邻域内用保留原系数小数部分的奇偶量化法批量嵌入乱序水印。在水印提取过程中，把嵌有水印的图像进行离散余弦变换后用跟嵌入过程同样的混沌密钥找到参考点，确定每个参考点邻域内所隐藏的水印比特数，通过查看每个参考点邻域内修改过的离散余弦变换系数的奇偶区域，来提取水印比特，将提取的乱序水印经过反置乱得到恢复的水印。本发明对常见的图像处理具有好的鲁棒性，嵌入的水印安全性和不可见性好，实现简单，易于实时操作。
文档编号H04N5/913GK1440195SQ03116158
公开日2003年9月3日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者何晨, 王宏霞, 蒋铃鸽, 丁科 申请人:上海交通大学