专利名称：离散拉当变换域中强抗冲击性能的图像水印嵌入与检测方法
技术领域：
本发明涉及一种数字图像的信息隐藏及提取的方法，尤其是涉及一种适用于数字图象、多媒体数字图象、数码图象产品、视频图象的版权认定和版权保护的离散拉当(Radon)变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入与检测方法。
背景技术：
数字图像是多媒体中极其重要的媒体，图象在信息交流中发挥了重要的作用。同时，数字化产品的高精确性和易编辑的特点和Internet等传播工具的全球传播能力共同对现代版权制度提出了巨大的挑战。在版权保护这一强大需求的拉动下，过去十年中有关数字水印的研究取得了长足的进展，现已涌现了多种空间域和频率域、小波域等变换域内的水印嵌入方法。对于数字图象的版权保护而言，数字水印应具有不可见性和鲁棒性前者要求水印图象的品质相对于原始图象不能有太大的改变，后者要求当水印图象遭受到常见图象处理的攻击后仍然能够提取和检测到被嵌入的水印。
水印嵌入实际上是原始图象强背景下迭加了一个弱信号。因此，水印的嵌入或多或少地会对原图象的品质带来一定程度的降低。水印图象的质量降低程度与水印的容量和嵌入参数有直接的关系。包含有版权信息的水印容量是一定的，只有通过调节嵌入参数来保证水印图象的质量。通用的做法是根据视觉效果这一主观评价标准对嵌入参数进行调节。尽管视觉效果已经通过了人的心理测试，但是这种因人而异的主观量度在实际的应用中难以成为客观的工业或商业评价标准。因此，确定正确的客观量度，在给定水印图象质量的约束条件下自适应地调节水印的嵌入参数是数字水印产业化标准的关键技术之一。
从现有的科研报道中来看，鲁棒性是一个长期未能彻底解决的问题。如在离散余弦变换(DCT)域或在离散小波变换(DWT)域内的水印嵌入方法是通过反变换将变换域中嵌入的水印能量以某一频段均匀分布在整个空间域图象中。为保证水印的鲁棒性，频率域水印嵌入方法通常选择在变换域的中、低频段嵌入水印序列。尽管在某一频段上嵌入的水印对于图象的攻击如切割、JPEG系列的压缩或抖动等具有鲁棒性，但对于如自适应滤波、高通滤波、陷波滤波、边缘增强、图象分割、对比度变化等图象处理方法的攻击其鲁棒性就会变差，很多情况下检测不到所嵌入的水印序列。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种给定水印图象质量约束条件下自适应调节水印容量和嵌入深度的离散拉当(Radon)变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入方法，本发明的另一个目的在于提供其对应的检测方法，使数字图象在传输或传播过程中能够根据该方法进行版权认定并防止故意篡改和复制。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现，一种离散拉当(Radon)变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入方法，依次包括以下步骤a、设定包含有数字图象题名、作者、时间、机构等多种版权信息的伪随机水印序列；b、按照数字图象的用途和要求，确定描述水印图象质量的峰值信噪比，根据水印图象的峰值信噪比、水印长度和嵌入参数三者之间的关系自适应估计水印的嵌入参数；c、将256个灰度级的数字图象变换为Radon域内的投影；在Radon变换域中随机选定水印序列的首位嵌入位置和嵌入矩阵的尺寸，并记录该位置和嵌入矩阵的尺寸作为控制密钥；d、将伪随机水印序列依次顺序嵌入到Radon变换投影的相应位置上；通过Radon反变换，得到嵌入水印的图象。
本发明步骤a中确定伪随机水印序列的步骤为根据水印所包含的各种版权信息分配相应的长度，利用高斯伪随机序列生成器生成代表各信息的序列，按一定的顺序将这些短序列拼接为一个待嵌入的长度为的水印序列。
本发明步骤b中三者之间的关系表达式为PSNR＝10·(lg(255+0.5lg(M×N)-lgα-0.5lgL)其中图象的尺寸为(M×N)，水印长度为L；这样可按照数字图象的商业或工业质量要求，事先确定水印图象的质量，即峰值信噪比PSNR，然后根据上述表达式来选择合适的水印的嵌入参数α。
本发明的另一个目的可通过以下的技术措施来实现，一种离散拉当(Radon)变换域中具强抗冲击性能的图像水印检测方法，依次包括以下步骤e、水印提取，对水印图象进行离散Radon变换，根据控制密钥，确定水印嵌入的具体位置，与原始图象的Radon变换相比提取待测水印；f、水印检测，根据水印的长度确定检测阈值；将待测水印与真实水印做相关检测；若相关检测输出器大于检测阈值，则可确定待测图象的版权。
本发明中水印提取的具体步骤为对待测图象的离散Radon变换投影与原始图象的Radon变换投影做差分运算得到差异图象；根据水印控制的密钥，从差异图象的相应位置提取等于原始水印长度的差异序列作为待测水印序列。
本发明中水印检测的具体步骤为设定相关度检测门限为原始伪随机水印序列方差的6倍；若待测水印序列与原始水印序列的相关度大于检测门限，则可以判定为待测图象中存在水印，认定该待测图象与原始图象应具有相同的版权性质；否则可认为待测图象中不存在水印，待测图象与原始图象具有不同的版权性质。
由于本发明利用离散Radon变换的性质得出了水印图象的峰值信噪比、水印容量和嵌入参数三者之间的关系式，提出了给定图象质量约束条件下的自适应嵌入参数α选择的方法，从而使水印图象保持较高的峰值信噪比，从客观上保证了图象受水印嵌入的影响较小。同时，通过离散Radon反变换，水印能量均匀分布在图象空间中。通过自适应选取的嵌入深度α，调节空间域中图象的水印信号的能量使之相当的微弱，因此从视觉效果上讲，水印图象与原始图象能够基本一致，达到了嵌入水印不可见的目的。
离散Radon反变换将均匀分布在整个图象域中的水印信号重新聚集在相应的投影线上。即使水印图象遭受各种攻击，图象域中的水印能量相对减弱，但经过离散Radon反变换的迭加投影计算，这些能量仍能够聚集到变换域中的相应位置上，并通过检测器检测出来，因此本发明提出的水印嵌入和检测方法法具有较好的鲁棒性。
由于包含版权信息的水印是高斯伪随机序列，是一个全频带信号，离散Radon正反变换的迭加不会改变水印的频率特征，水印信号以全频带覆盖在整个空间域图象上，故这种水印嵌入和提取检测算法可以抵抗各种类型滤波器(低通滤波、带通滤波、高通滤波、陷波滤波)的攻击(见表1)。同时，对于其它类型如噪声污染、JPEG压缩、小波有损压缩、滤波、分割、MAP、边缘增强、对比度变化、分割、抖动、模板移除、二次调制和一般的几何变化的攻击，Radon正变换能够将水印图象遭攻击后的剩余水印能量重新聚集在Radon域中水印的原嵌入位置上去，故仍可以检测到水印的存在，即待测水印与原始水印的相关度仍较高(见表2)。
表1选用的原始图象是256×256×8bit的“lena”图象，本发明的方法域NEC水印嵌入算法和分块DCT水印嵌入算法进行了鲁棒性方面的对比实验。值得指出的是，本发明的方法可以通过三者之间的关系式确定嵌入参数来控制水印图象的质量，而其它两个对比方法的嵌入参数是不可以自适应调节的，实验中是通过人为的调整嵌入参数使水印图象的峰值信噪比保持在43dB左右。三种水印方法嵌入的水印序列是相同的。各种类型的攻击方法和参数以及最终的水印检测结果不同的水印见表1。
表2分别为三种不同类型的图象“lena”、“baboon”、“head”。相对于其它两个图象，“baboon”图象的纹理相对较复杂，而医学图象中含有大量的暗区或亮区，这里选用的“head”图象是头部核磁共振的图象。在同一种攻击方法中，相同的水印被嵌入到各个标准256×256×8bit测试图象中(各水印图象的峰值信噪比PSNR≈43dB)。各种类型的攻击方法和参数见表2。从被攻击的水印图象中提取出的待测水印与原始水印的进行相关度检测，所得的结果见表2。
根据三者之间的关系式，在保证水印图象客观质量的前提下，通过调节嵌入深度α的大小，可将不同长度的水印序列嵌入在原始图象中，故本发明的水印嵌入方法具有较大的容量，即可利用这种方法在图象中嵌入更多的的版权信息，这对于版权的确认和版权保护具有更重要意义。同时，本发明的亦能够在事先确定水印长度的前提下，根据不同图象的不同的用途，通过自适应选择水印的嵌入深度来调节水印图象的质量。
从表1、表2及图3～图7可以看出，本发明的水印嵌入方法法在水印图象的自适应质量控制和水印的鲁棒性方面具有其独到之处。
表1各种类型的攻击方法和检测结果
注[1]参数(a，b)指按照最邻近法对水印图象尺寸缩小为原来得1/a，然后在放大b倍注[2]lana、baboon利用最大方差法计算灰度门限值，head灰度门限取图像均值注[3]下界频率为最高频的1/4；注[4]陷波频段为最高频3/4～2/4。
表2水印鲁棒性对比结果表
图1为本发明的水印嵌入方法流程框图；图2为本发明的水印检测方法流程框图；图3为原始“lena”图象；图4用本发明的方法嵌入水印序列后的“lena”图象(PSNR＝43.172dB)；图5用本发明的方法得到的统计检测结果(相关度＝31.189)；
图6是相关检测输出与本发明的水印图象抗噪声污染程度(峰值信噪比)之间的关系；图7是相关检测器输出和JPEG有损压缩后图象质量(峰值信噪比)之间的关系。
具体实施例方式
下面结合一个实例(如附图1～2所示)，详细阐述本发明的工作步骤。如要对给一幅256×256×8比特(灰度为0～255)的图象嵌入包含多种版权信息的水印，然后再将水印提取出来并加以检测。其具体的实施步骤为步骤1，根据数字图象的版权认定和版权保护的需要，列出数字水印所包含的如题名、作者、时间、机构等版权信息，按照这些版权信息的具体内容分配各自的长度，分别生成对应的高斯伪随机序列。将这些高斯伪随机序列按照一定顺序拼接在一起，组成具有长度为L的图象水印序列；步骤2、按照不同数字图象的不同用途和商业要求，事先确定水印图象的质量，即峰值信噪比PSNR，然后通过表达式PSNR＝10·(lg(255+0.5lg(M×N)-lgα-0.5lgL)其中图象的尺寸为(M×N)，确定水印嵌入的深度α。
步骤3、读入256个灰度级的数字图象，然后将其投影到离散Radon变换域内；在Radon变换域中随机的选定水印序列的首位嵌入位置和嵌入矩阵(i×j)的大小。将首位嵌入位置和嵌入矩阵的尺寸记为控制密钥，可防止公开后攻击者很容易知道水印的嵌入位置进而去掉水印。矩阵的元素总数应多于水印序列的元素总数L，首位嵌入位置应使嵌入矩阵完全包含于投影矩阵为准。利用Zig-Zag扫描将投影矩阵转化为一个一维序列A。将水印序列按照嵌入深度α与这个一维序列A相加得到一个新的一维序列B。若序列A的长度大于水印序列，则水印序列的末尾位置补零，使之与序列A的长度相同。然后利用Zig-Zag逆扫描将这个新的一维序列B重新转化为二维矩阵并替代投影矩阵中的嵌入矩阵。对新的投影矩阵做Radon反变换，便得到嵌入水印的图象；步骤4、水印提取是水印嵌入的逆过程对待测图象进行离散Radon变换，根据控制密钥，确定水印嵌入的具体位置，提取嵌入矩阵。然后与原始图象的Radon变换的对应位置相比较得到待测矩阵C。利用Zig-Zag扫描将待测矩阵转换为一个一维序列D，并按照原始水印的长度截取序列D的前L个元素组成待测序列。
步骤5、水印检测按照原始水印方差的6倍计算检测门限T0；将待测序列与原始水印做相关检测；若相关检测输出大于检测门限T0，则可确定待测图象的版权，否则，待测图象不含有水印。
权利要求
1.一种离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入方法，其特征在于依次包括以下步骤a)设定包含有数字图象题名、作者、时间、机构等多种版权信息的伪随机水印序列；b)按照数字图象的用途和要求，确定描述水印图象质量的峰值信噪比，根据水印图象的峰值信噪比、水印长度和嵌入参数三者之间的关系自适应估计水印的嵌入参数；所述三者之间的关系表达式为PSNR＝10·(lg(255+0.5lg(M×N)-lgα-0.5lgL)其中M×N为图象的尺寸，L为水印长度；PSNR为峰值信噪比，α为水印的嵌入参数。c)将256个灰度级的数字图象变换为Radon域内的投影；在Radon变换域中随机选定水印序列的首位嵌入位置和嵌入矩阵的尺寸，并记录该位置和嵌入矩阵的尺寸作为控制密钥；d)将伪随机水印序列依次顺序嵌入到Radon变换投影的相应位置上；通过Radon反变换，得到嵌入水印的图象。
2.根据权利要求1所述的离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入方法，其特征在于步骤a中确定伪随机水印序列的具体过程为根据水印所包含的各种版权信息分配相应的长度，利用高斯伪随机序列生成器生成代表各信息的序列，按一定的顺序将这些短序列拼接为一个待嵌入的长度为的水印序列。
3.一种离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印检测方法，其特征在于依次包括以下步骤e)水印提取，对水印图象进行离散Radon变换，根据控制密钥，确定水印嵌入的具体位置，与原始图象的Radon变换相比提取待测水印；f)水印检测，根据水印的长度确定检测阈值；将待测水印与真实水印做相关检测；若相关检测输出器大于检测阈值，则可确定待测图象的版权。
4.根据权利要求4所述的离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印检测方法，其特征在于水印提取的具体步骤为对待测图象的离散Radon变换投影与原始图象的Radon变换投影做差分运算得到差异图象；根据水印控制的密钥，从差异图象的相应位置提取等于原始水印长度的差异序列作为待测水印序列。
5.根据权利要求4所述的离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印检测方法，其特征在于水印检测的具体步骤为设定相关度检测门限为原始伪随机水印序列方差的6倍；若待测水印序列与原始水印序列的相关度大于检测门限，则可以判定为待测图象中存在水印，认定该待测图象与原始图象应具有相同的版权性质；否则可认为待测图象中不存在水印，待测图象与原始图象具有不同的版权性质。
全文摘要
本发明公开了一种离散拉当变换域中具强抗冲击性能的图像水印嵌入与检测方法，a、设定包含版权信息的伪随机水印序列；b、自适应估计水印的嵌入参数；c、将256个灰度级的数字图象变换为Radon域内的投影；并获得控制密钥；d、将伪随机水印序列依次顺序嵌入到Radon变换投影的相应位置上；通过Radon反变换，得到嵌入水印的图象；e、对水印图象进行离散Radon变换，根据控制密钥，确定水印嵌入的具体位置，与原始图象的Radon变换相比提取待测水印；f、根据水印的长度确定检测阈值；将待测水印与真实水印做相关检测。本发明方法可使数字图象在传输或传播过程中能够进行版权认定并防止故意篡改和复制。
文档编号G06T1/00GK1556500SQ20031011762
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者张建贵, 陈凌剑, 陈武凡 申请人:中国人民解放军第一军医大学