专利名称：一种基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字水印嵌入和检测方法，特别涉及一种基于全方向预测误差直 方图修改的可逆图像水印方法。
背景技术：
随着多媒体与数字化技术的发展，数字图像与数字视频日益成为航天航空领域重 要的信息获取途径。尤其是美国等航天航空领域技术与信息技术发达的国家，正在开发和 利用间谍卫星、无人机等飞行器平台收集情报，其中数字图像与视频情报占有非常重要的 比例。比如，美国GA公司(General Atomics)研制的“掠食者”和波音公司研制的“全球 鹰”等无人机平台，每次执行任务都会以压缩数字图像和视频的形式，不断的收集和传送大 量数据。当然，我们国家类似的技术也在开发发展中。此外，在我国神舟六号飞船发射过程 中，我们能够看到火箭的助推器成功分离过程的视频。宇航员在太空中的生活与科学实验 等过程都有大量的视频数据需要存档，以备进行做进一步的研究与分析。图像、视频也是获 取有人和无人飞行器自身状态信息的重要渠道。因此，在航天航空领域，数字图像和视频信 息在信息获取途径中具有极为重要的地位。
航天航空领域中，这些大量的通过情报收集以及航天探索过程所拍摄的数字图像 与视频信息伴随着大量的元数据，例如，图像和视频拍摄的时间、经纬度、海拔高度、照相机 /摄像机的角度等重要参数，以及飞行器的速度等重要状态参数。这些元数据对分析所获取 的图像和视频信息至关重要，如果这些关键元数据丢失，则与之关联的图像和视频将会失 去部分、甚至是全部的使用价值。传统的保持图像、视频与其元数据关联的方法是将元数据 保存在一个图像、视频文件的头部或者作为一个独立的文件保存。当查看或处理图像、视频 时，头部信息或者单独的文件很容易被去除、改动甚至丢失。此外，即使利用关系数据库系 统来维护这种关联性也难以彻底解决元数据的丢失问题。
使用信息隐藏技术将元数据嵌入到数字图像和视频中是一种十分有效的方法， 该方法能够保证这些重要的元数据与其宿主信息永久地结合在一起，永不丢失。美国 空军资助的“无人机视频元数据嵌入的数字视频水印”项目(参见MichaelP. M，Bijian G. M. "Digital video watermarking for metadata embedding inUAV video，，)就是针 对该方法进行的研究，无人机平台包括前面所提到的GA公司(General Atomics)的“掠食 者”和波音公司的“全球鹰”，该项目研究将拍摄时间、经纬度、海拔高度、摄影机角度等元数 据信息嵌入到无人机收集到的MPEG-2压缩视频中，在使用时再提取出这些元数据以帮助 视频情报的分析。信息隐藏是信息安全的一个重要的新兴分支，它是将重要信息隐藏在普 通数字媒体中的一种技术，目前被广泛应用于版权跟踪、网络安全、数据篡改取证、数据防 伪等领域。航天航空领域的图像与视频信息绝大多数属于机密信息，除了元数据的嵌入与 检测问题以外，信息隐藏中的脆弱/半脆弱水印技术可用于解决这些机密信息的完整性验 证、篡改定位与恢复，数字指纹技术还可用于机密信息泄露后对叛逆者进行追踪与取证。
在各种可逆水印算法中，预测器均采用在本像素之前已经确定的像素作为预测依据，而忽略了本像素周围的其他像素。这些像素同样对于预测效果起着重要的作用。因此 采用全方向上下文的预测方式进行预测其精确度必然比采用部分像素的预测精度更高。在 基于预测误差扩展的可逆水印方法中，预测器的预测效果决定了水印容量及嵌水印载体的 视觉质量，因此为了提高基于预测误差扩展的可逆水印的性能，本发明采用基于全方向预 测的方法来提高预测器的精度。
综上所述，将元数据以水印方式嵌入多媒体信息具有更加安全和使用更加便利可 靠的特点，而为了保证获取真实的多媒体信息，采用可逆水印技术也是必要的。对可逆水印 技术的研究成果还不丰富，而且已有的工作也主要集中于数字图像，针对视频的可逆水印 方案更加缺少，而这种现状极大地阻碍了水印技术在航天航空这类对数字媒体内容原始真 实性要求严格的领域中的运用。随着数字多媒体在航天航空各个领域中发挥着越来越重要 的作用，与其相关的安全问题及隐藏数据问题也逐渐突出，因此更需要具有良好性能的并 且可保证数据真实可靠性的可逆水印方案。发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于全方向预测误 差直方图修改的可逆图像水印方法，该方法利用将图像分割成互不相交的两个像素几何， 使用顺序嵌入逆提取的方式保证了图像水印的可逆性；利用全方向预测的方法提高了预测 器精度，改善了嵌入水印后图像数据的质量，获得更大的水印嵌入容量。
本发明的技术解决方案一种基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印方 法，包括水印嵌入和水印提取两大部分，所述水印嵌入过程将原始图像划分为两个互不相 交的像素集S1和&，所述水印嵌入过程采用顺序嵌入的方式，即按照S1和&的次序嵌入， 然后使用全方向预测水印嵌入方式嵌入；所述全方向预测水印嵌入方式包括使用全方向预 测得到预测误差、利用直方图修改方式嵌入水印以及头信息的生成；所述水印提取过程采 用逆序提取的方式，即按照&和S1的次序提取；所述全方向预测水印提取方式包括使用全 方向预测得到预测误差、提取水印和头信息以及平移直方图还原图像。
图像水印嵌入的过程如下
(1)将原始图像划分为两个互不相交的像素集S1和&。首先令S为S1,并使用& 中的像素构建全方向预测上下文；
(2)使用全方向预测器对S中的像素进行预测，并得到预测误差集E ；
(3)根据E和指定的嵌入容量，调整扩展参数；
(4)使用直方图修改方法在E中嵌入水印数据，得到嵌入后的像素集S’以及对应 的附加信息；
(5)判断是否已在两个像素集中嵌入，如果是，则执行(6)；否则，令SSS2，使用S1 中的像素构建全方向的预测上下文，并跳转到O)；
(6)将嵌入水印的S/和S2’组合成完整的宿主图像，并使用LSB替换的方法将嵌 入过程中产生的附加信息隐藏在该宿主图像中。
图像水印的提取过程如下
(1)使用LSB替换的逆过程获取隐藏在宿主图像中的头信息。解析获取的头信息， 并用校验和对其进行验证；
(2)将宿主图像划分为像素集S/和&’。首先令S’为&’，并使用S/中的像素 构建全方向的预测上下文；
(3)使用全方向预测方法对S’中的像素进行预测，并得到预测误差集E’ ；
(4)根据附加信息中的边界表、扩展参数和嵌入数据量对E’进行提取和还原；
(5)判断是否已在两个像素集中执行提取及还原，如果是，则执行(6)；否则，令S’ 为S/，使用&中的像素构建全方向的预测上下文，并跳转到(3)；
(6)将还原后的S1和&组合成完整的还原图像。
在所述的图像水印嵌入过程中，利用全方向预测方法得到预测误差的过程如下
a.除图像的边界元素外，对每一个像素，使用一个其的上、下、左、右四个相邻像素 (分别记为Xu、Xd> X1、禾P Xr)作为其全方向预测的上下文；
b.计算水平方向平均值Xv、垂直方向平均值&，方法如下
权利要求
1.一种基于全方向预测的可逆图像水印方法，包括水印嵌入和水印提取两大部分，其 特征在于将原始图像划分为两个互不相交的像素集S1和&，所述水印嵌入过程采用顺序 嵌入的方式，即按照S1和&的次序嵌入，然后使用全方向预测水印嵌入方式嵌入；所述全方 向预测水印嵌入方式包括使用全方向预测得到预测误差、利用直方图修改方式嵌入水印以 及头信息的生成；所述水印提取过程采用逆序提取的方式，即按照&和S1的次序提取；所 述全方向预测水印提取方式包括使用全方向预测得到预测误差、提取水印和头信息以及平 移直方图还原图像。图像水印嵌入的过程如下(1)将原始图像划分为两个互不相交的像素集S1和&。首先令sSS1，并使用&中的 像素构建全方向预测上下文；(2)使用全方向预测器对S中的像素进行预测，并得到预测误差集E；(3)根据E和指定的嵌入容量，调整扩展参数；(4)使用直方图修改方法在E中嵌入水印数据，得到嵌入后的像素集S'以及对应的附 加信息；(5)判断是否已在两个像素集中嵌入，如果是，则执行(6)；否则，令SSS2，使用S1中 的像素构建全方向的预测上下文，并跳转到(2)；(6)将嵌入水印的S/组合成完整的宿主图像，并使用LSB替换的方法将嵌入 过程中产生的附加信息隐藏在该宿主图像中。图像水印的提取过程如下(1)使用LSB替换的逆过程获取隐藏在宿主图像中的头信息。解析获取的头信息，并用 校验和对其进行验证；(2)将宿主图像划分为像素集S/。首先令S'为S2'，并使用S1'中的像素构 建全方向的预测上下文；(3)使用全方向预测方法对S'中的像素进行预测，并得到预测误差集E'；(4)根据附加信息中的边界表、扩展参数和嵌入数据量对E'进行提取和还原；(5)判断是否已在两个像素集中执行提取及还原，如果是，则执行(6)；否则，令S'为 S1'，使用&中的像素构建全方向的预测上下文，并跳转到(3)；(6)将还原后的S1和&组合成完整的还原图像。
2.根据权利要求1所述的基于全方向预测的可逆图像水印方法，其特征在于所述的 图像分为两个像素集的方法是指，从图像像素阵列的左上角开始，奇数行的奇数像素和偶 数行的偶数像素作为第一个像素集；奇数行的偶数像素和偶数行的奇数像素作为第二个像 素集。
3.根据权利要求1所述的基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印方法，其特 征在于在所述的图像水印嵌入过程中，利用全方向预测方法得到预测误差的过程如下a.除图像的边界元素外，对每一个像素，使用一个其的上、下、左、右四个相邻像素(分 别记为&、Xd、XljP xr)作为其全方向预测的上下文；b.计算水平方向平均值Xv、垂直方向平均值&，方法如下
4.根据权利要求1所述的基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印方法，其特 征在于在所述的图像水印嵌入过程中，利用对预测误差进行直方图修改的方法嵌入水印 的过程如下a.在预测误差直方图中寻找两个峰/零值对并记录，其中峰值表示拥有最大频率的预 测误差值，零值表示频率为零的预测误差值；b.判断零值点位于峰值点的左侧还是右侧，如果位于左侧，则将位于零值点和峰值点 之间(不包含峰值点)的所有像素值预测误差减1 ；如果位于右侧，则将位于零值点和峰值 点之间(不包含峰值点)的所有像素值预测误差加1 ；c.将水印信息比特位嵌入直方图平移前的峰值点，对于右侧峰值点，如果嵌入水印的 比特位为1，则将预测误差加1，否则保持预测误差值不变；对于左侧峰值点，如果嵌入水印 的比特位为1，则将预测误差减1，否则保持预测误差值不变。d.计算修改后的预测误差与像素预测值之和，获得嵌水印的像素值。
5.根据权利要求1所述的基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印方法，其特 征在于在所述的图像水印嵌入过程中，附加数据包含所选峰/零值对、边界表长度和边界 表三个部分。
全文摘要
一种基于全方向预测的可逆图像水印方法，包括水印嵌入和水印检测，水印嵌入过程首先将图像分成两个互不相交的像素集S1和S2，然后利用全方位预测方法依次对S1、S2两个像素集预测并得到预测误差，最后对预测误差进行直方图修改以嵌入水印。水印提取过程同样首先将图像分成两个互不相交的像素集S1和S2，然后利用全方位预测方法按照与嵌入时相反的顺序依次对S2、S1对两个像素集预测并得到预测误差，最后从预测误差中提取水印并修改直方图进行图像还原。本发明采用顺序嵌入逆序提取的方式，嵌入后的水印图像能够在提取水印后进行还原，实现了图像水印的可逆性；采用全方位预测方法进行预测，使预测误差直方图具有高度的集中性，实现了较大的嵌入容量；在嵌入过程中使用直方图修改使得对图像影响很小，嵌水印图像具有良好的视觉质量。
文档编号H04N21/8358GK102036079SQ20101059127
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘骁, 曾骁, 熊璋, 范围, 陈真勇 申请人:北京航空航天大学