专利名称：抗照片打印-扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法
技术领域：
本发明涉及一种利用计算全息和图像处理技术的抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的 全息图像水印方法。
背景技术：
随着网络技术和媒体信息数字化的飞速发展，基于数字水印的多媒体作品版权保护技术 已成为信息科学领域的研究热点。数字水印是在图像、视频和音频等数字产品中嵌入能证明 版权归属或跟踪侵权行为的隐蔽信息，以便在必要时能够提取出来用作证据。嵌入的水印应 具有透明性、鲁棒性和安全性。
数字图像中的隐形水印已得到广泛研究，提出了许多具有高度透明性和鲁棒性的优良技 术。但是含水印的数字图像经打印输出后，通常不能保留嵌入的水印信息。将硬拷贝扫描重 新得到数字图像后， 一般无法提取原先嵌入的水印。硬拷贝水印之所以困难，是因为打印和 扫描过程包含对数字水印多种强力攻击的组合缩放插值、几何失真、旋转、剪切、亮度和 色度的变化、线性和非线性滤波、噪声污染等。
如果在硬拷贝中不能保留水印，那么对于图像的知识产权保护就只能局限于数字领域。 高质量数字摄影作品一旦打印输出，其版权就失去保护。然而打印输出正是多数专业摄影师 的最终目的，因此硬拷贝中的隐形水印技术具有重要意义，为印刷品版权保护提供技术手段， 对于平面媒体的健康发展也至关重要。
硬拷贝水印的早期技术由以色列HP实验室的AvrahamLevy和Doron Shaked提出，并申 请了专利。该方法建立在离散Fourier变换和打印一扫描噪声模型的基础上。他们的前提是 即使在打印前的数字图像中嵌入很强的水印，使数字图像的视觉质量有所下降，但对于打印 出来的硬拷贝，在视觉上却不能区分是否含有水印。这样的假设无疑不能适应近年来数字摄 影和高质量喷墨打印设备快速发展的需求。
本发明针对高质量数字图像及其高质量硬拷贝的版权保护需求，利用全息图具有不可撕 毁的优势，将数字全息技术用于水印嵌入。现已提出的一些全息水印方法主要是在空域或变 换域中将数字水印以全息图的形式嵌入载体图像，水印全息图的获取大多是基于物光和参考 光干涉的Fourier计算全息。这些全息水印技术大多数是在数字图像中提取原始水印，并未考 虑硬拷贝的问题。仅有"双随机相位加密同轴Fourier全息水印防伪技术"中讨论了打印扫描 问题，该方法仅考虑了黑白图像，所产生的含水印图像质量相比于载体图像明显退化，而且 不具备抗剪切的盲检测能力。本发明涉及的技术可在符合专业质量标准的彩色喷墨照片打印机输出的硬拷贝中保留水 印，水印在视觉上不可察觉，但可从普通扫描仪扫描重新获得的数字图像中盲提取出来；即 使硬拷贝被剪切，扫描后仍可盲提取完整的水印。
发明内容
本发明的目的在于提出一种抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法， 用于保护图像硬拷贝的知识产权。在载体图像中嵌入数字水印的全息图，含水印图像在打印 输出的硬拷贝中保留了水印，用户可通过扫描重新获得数字图像，从中可靠提取清晰的水印。 由于全息图的不可撕毁性，即使硬拷贝被剪切，扫描后仍可提取水印。本方法基于共轭对称
计算数字水印的Fourier计算全息图，无需模拟物光和参考光波的干涉，方法简便，计算效率 高。由于在含水印图像中载体信息和水印信息的频谱可分离，能实现水印的盲提取。
为达到以上目的，本发明作如下研究 (一 )共轭对称延拓Fourier计算全息
利用共轭对称复函数的Fourier变换是实函数的性质，将物光波共轭对称延拓后作Fourier 变换然后进行适当的编码可方便地生成全息图，这种方法不需要模拟物光和参考光波的干涉， 因此十分便捷。待记录的物光波复振幅w)由幅度和相位两部分组成-
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
以水印图像为幅度X(附,")，用[-;r,;r]范围内均匀分布的随机数作为相位因子伊O,n)，可使物 光波/o(w, n)具有很宽的频谱，从而有效地降低全息图的动态范围。 将上述物光波进行共轭对称延拓得到下列复振幅分布-
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
上标"*"表示取复共轭。为便于讨论，不妨令列数M和行数W均为偶数，且使/(0，/^=/0 ，0) =/(m, AV2) = 0，对称中心位于(M/2, iW2)。根据/(m, n)的共轭对称性不难证明其离散Fourier 变换为
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
其中/Z和V为分别为水平和垂直方向的频域样本序号。将(1)式代入(3)，整理后可得到:<formula>formula see original document page 6</formula>
以上得到了二维离散实值函数F(/z，v)，将其编码可生成全息图。为了制作8比特灰度全 息图，将尸(/z,v)的值映射至0 255并取整。为简化符号，动态范围为8比特的全息图仍用 FCu,v)表示。全息图中记录了物光波的幅度信息v4(m,w)即水印图像，以及随机相位^w,")。 由全息图很容易得到原图像的数字再现，只需对F(/z,v)作Fourier反变换，取其模并抑制直流 成分即重建了延拓后的幅度信息亦即水印图像及其共轭。
(二) 水印全息图的生成及嵌入 本发明根据上述原理计算待嵌入数字水印的Fourier计算全息图，将此水印全息图叠加在
载体图像中实现水印信息隐藏。具体采用如下方案
1. 在空域里将水印图像进行适当布局，构成与载体图像尺寸相同的中心对称图像，称为 水印模板。将此模板作为共轭对称复水印模板的幅度，随机生成奇对称的相位分布，构成共 轭对称的"复水印模板"，经Fourier变换后进行适当编码可得到分布均匀的8比特Fourier计 算全息图，全息图中的每一点都包含了作为幅度的水印图像信息。由于水印全息图是基于共 轭对称的Fourier计算全息图，由水印全息图的离散Fourier变换结果可知，水印全息图中的 水印信息所在频谱范围完全取决于水印布局的空间位置。
2. 为了实现水印的盲提取并清楚地分离出水印，需对载体图像进行适当的预处理，使得 含水印图像中的载体信息和水印信息分离。预处理既要尽量减小对载体图像的影响，又要便 于提取水印。根据水印信息在水印全息图Fourier变换域中的频谱位置，亦即水印布局的空间 位置，抑制载体图像Fourier变换域中的相应频谱成分。当水印信息处于水印全息图Fourier变 换域中高频区的很小区域时，预处理对载体图像的损伤在视觉上不可察觉。在提取时可使水 印信息和载体图像频谱分离，实现水印的盲提取。
3. 可在空域中用叠加法将多比特的水印全息图嵌入经预处理的载体图像，得到含水印图像。
4. 可在彩色载体图像RGB的某一分量中嵌入水印全息图；也可在彩色图像的RGB分量 中分别嵌入水印图像三基色分量的全息图，嵌入彩色水印图像。通过颜色分量的不同对应关 系，以及不同颜色分量的嵌入位置变化，可引入密钥用以保证水印的安全性。调节水印布局 的空间位置可在水印透明性和鲁棒性之间达到最佳平衡。
(三) 水印的提取
从数字图像中提取水印的步骤如下计算含水印图像的Fourier变换，取其幅值，定位并取出水印图像。
(四)硬拷贝中的水印提取 用本方法嵌入在数字图像中的水印，可在打印输出的硬拷贝中得以保存，通过扫描检测 原嵌入水印的存在。
1. 用彩色喷墨照片打印机获得含水印图像的高质量硬拷贝。
2. 用扫描仪扫描硬拷贝图像，重新得到数字图像。
3. 用上述提取数字图像中水印的同样方法提取水印。
4. 由于根据全息图的局部仍可重建原始物光(水印图像)的整体，本方法可对剪切后余 下的局部硬拷贝扫描得到数字版本，同样进行水印检测。
5. 本发明所叙述的全息图像水印方法具有抵抗合理数字图像处理包括几何变换的鲁棒 性。对于打印一剪切—扫描得到的图像，若借助版权持有者掌握的原始图像信息进行几何变 换的逆运算，尽可能恢复图像的原有方位，将有利于改善水印提取质量。
根据上述研究结果，本发明采用下述技术方案-
一种抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法，在载体图像中直接嵌入 数字水印的全息图，含水印图像在用照片打印机输出后，在硬拷贝中保留水印，用户通过扫 描重新获得数字图像，能从中可靠提取水印，即使硬拷贝被剪切，扫描后仍可提取水印，其 特征在于首先基于共轭对称法计算数字水印的Fourier变换全息图，将此水印全息图叠加在载 体图像中实现水印信息隐藏，通过进行水印的空间布局以及对载体图像预处理，将嵌入数据 对图像质量的影响降低到视觉不可察觉的程度，并使含水印图像中载体信息和水印信息频谱 分离，以实现水印盲提取。
上述全息图像水印方法的具体步骤如下
a) 用补零法将待嵌入的数字水印拓展成中心对称图像，使其与被保护的载体图像尺寸相 同，称为水印模板；调整水印在模板上的布局，使水印透明性和鲁棒性之间达到最佳 平衡；构造一幅共轭对称复图像，该复图像的幅度为水印模板，相位为服从均匀分布 的伪随机数，使其具有奇对称性;该复图像可称为"复水印模板"，将它进行快速Fourier 变换得到实函数，通过编码得到水印的Fourier计算全息b) 为实现水印的盲提取，需使载体图像和水印信息在频域中可分离；水印在所述水印模 板中的空间位置直接对应其在全息图Fourier域中的频带位置，故应对载体图像相应 频谱成分进行抑制；选择水印拓展方式，可同时实现载体图像与水印频谱的可分离性， 以及含水印图像的优良视觉质量；C)在空域中用叠加法将水印全息图嵌入经预处理的载体图像，含水印图像/(m,")为
式中2(附,")为归一化预处理载体图像，好(叫")为归一化水印全息图，a为水印嵌入强 度；
d)将含水印图像打印输出得到照片硬拷贝，其中仍保留水印信息；用户可通过扫描重新 获得数字图像，由于载体图像和水印信息的频谱可分离，可对扫描图像进行Fourier 变换，抑制水印信息以外的频谱成分即可再现数字水印，即使硬拷贝被剪裁，对余下 部分进行扫描仍可对水印实现盲提取。 上述全息图像水印方法，为了水印的盲提取，在空域中嵌入水印全息图以前对载体图像 进行适当的预处理；根据水印信息在水印全息图Fourier域中的分布，抑制载体的相应频谱成 分，既使载体图像和水印信息可分离，又使载体图像失真不可察觉，也就是说全息水印不仅 能实现盲提取，还具有优良的透明性。
上述全息图像水印方法，是将数字水印的全息图嵌入载体图像，由于全息图的每一点都 包含水印信息，因而具有不可撕毁性，使得全息水印具有很强的鲁棒性，不仅能抵抗照片打 印一扫描攻击，还能抵抗对硬拷贝的剪切攻击。 本发明与其他技术相比，具有如下显著优点
1. 能在高质量硬拷贝中保存水印；
2. 能抵抗对硬拷贝的剪切；
3. 水印全息图的获取不需要模拟物光和参考光波的干涉，算法实现便捷高效。
图1是本发明的全息图像水印方法的程序框图。
图2是水印及其全息图(a)需要保护的数字水印，(b)适当布局的水印模板图，(c)由
复水印模板得到的Fourier计算全息图，(d)全息图的数字再现。
图3是彩色载体图像及含水印图像(a)彩色载体图像，(b)含水印图像。 图4是硬拷贝扫描的水印提取(a)硬拷贝的扫描图像，(b)提取的水印。 图5是硬拷贝剪切后的水印提取(a)剪切后的80%硬拷贝扫描图像，(b)提取的水印。
具体实施方法
技术领域：
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下-
参见图1，本抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法，在载体图像中 直接嵌入数字水印的全息图，含水印图像在用照片打印机输出后，在硬拷贝中保留水印，用户通过扫描重新获得数字图像，能从中可靠提取水印，其特征在于首先基于共轭对称法计算 数字水印的Fourier变换全息图，将此水印全息图叠加在载体图像中实现水印信息隐藏，通过 进行水印的空间布局以及对载体图像预处理，将嵌入数据对图像质量的影响降低到视觉不可 察觉的程度，并使含水印图像中载体信息和水印信息频谱分离，以实现水印盲提取。 本全息图像水印方法的具体步骤如下
a) 用补零法将待嵌入的数字水印拓展成中心对称图像，使其与被保护的载体图像尺寸相 同，称为水印模板；调整水印在模板上的布局，使水印透明性和鲁棒性之间达到最佳 平衡；构造一幅共轭对称复图像，该复图像的幅度为水印模板，相位为服从均匀分布 的伪随机数，使其具有奇对称性;该复图像可称为"复水印模板"，将它进行快速Fourier 变换得到实函数，通过编码得到水印的Fourier计算全息b) 为实现水印的盲提取，需使载体图像和水印信息在频域中可分离；水印在所述水印模 板中的空间位置直接对应其在全息图Fourier域中的频带位置，故应对载体图像相应 频谱成分进行抑制；选择水印拓展方式，可同时实现载体图像与水印频谱的可分离性， 以及含水印图像的优良视觉质量；
c) 在空域中用叠加法将水印全息图嵌入经预处理的载体图像，含水印图像/—,W为
/(/w， 《) 二 2(w， w) + a w)
式中g(m,")为归一化预处理载体图像，i/(/n,w)为归一化水印全息图，"为水印嵌入强 度；
d) 将含水印图像打印输出得到照片硬拷贝，其中仍保留水印信息；用户可通过扫描重新 获得数字图像，由于载体图像和水印信息的频谱可分离，可对扫描图像进行Fourier 变换，抑制水印信息以外的频谱成分即可再现数字水印，即使硬拷贝被剪裁，对余下 部分进行扫描仍可对水印实现盲提取。
以下结合图2 图5附图描述本实施例进行水印全息图生成、水印嵌入、打印扫描、水 印提取及剪切后的水印提取
1.需要保护的数字水印(如图2(a))构成与载体图像(如图3(a))尺寸相同的适当布局的中 心对称图像即水印模板(如图2(b))。将此水印模板作为共轭对称复图像的幅度，随机生 成奇对称相位分布，得到复水印模板。将复水印模板进行快速Fourier变换直接生成实函 数，编码后得到水印的Fourier计算全息图(如图2(c))，全息图中的每一点都包含了作为 幅度的数字水印信息。水印全息图经过Fourier反变换后取幅度并去除代表直流成分的中 心亮点后，得到的数字再现如图2(d)。2. 在彩色载体图像(如图3(a))的绿色分量中嵌入水印全息图。根据水印信息在水印全息图 Fourier域中所在频谱位置(如图2(d))，抑制载体图像绿色分量中的对应频谱成分。在空 域中用叠加法将水印的Fourier全息图以0.1的强度嵌入预处理后的绿色分量中得到含水 印的绿色分量。与原来的红、蓝两色分量合成含水印彩色图像(如图3(b))。含水印彩色 图像相对于原图像的PSNR=35.7dB，视觉上很难觉察图像质量的退化。
3. 用彩色喷墨照片打印机输出上述含水印彩色图像的硬拷贝(实验中使用Epson R290打印 机)，打印分辨率为114dpi。扫描硬拷贝图像(实验中使用Canon CanoScanLiDE600F扫 描仪)，重新得到彩色的数字图像(如图4(a))。对彩色扫描图像的绿色分量进行Fourier 变换，去除水印信息以外的频谱，可盲提取出水印(如图4(b))。尽管图4(a)的扫描图像 发生了旋转，仍能从中较清晰地提取水印。
4. 硬拷贝被剪去20%，用普通扫描仪获得留下的80%硬拷贝的彩色扫描图像(如图5(a))， 从其绿色分量中仍可盲提取水印(如图5(b))。
权利要求
1. 一种抗照片打印—扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法，在载体图像中直接嵌入数字水印的全息图，含水印图像在用照片打印机输出后，在硬拷贝中保留水印，用户通过扫描重新获得数字图像，能从中可靠提取水印，即使硬拷贝被剪切，扫描后仍能提取水印，其特征在于首先基于共轭对称法计算数字水印的Fourier变换全息图，将此水印全息图叠加在载体图像中实现水印信息隐藏，通过进行水印的空间布局以及对载体图像预处理，将嵌入数据对图像质量的影响降低到视觉不可察觉的程度，并使含水印图像中载体信息和水印信息频谱分离，以实现水印盲提取。
2. 根据权利要求1所述的抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法，其特 征在于具体步骤如下a) 用补零法将待嵌入的数字水印拓展成中心对称图像，使其与被保护的载体图像尺寸相 同，称为水印模板；调整水印在模板上的布局，使水印透明性和鲁棒性之间达到最佳 平衡；构造一幅共轭对称复图像，该复图像的幅度为水印模板，相位为服从均匀分布 的伪随机数，使其具有奇对称性；该复图像可称为"复水印模板"，将它进行快速 Fourier变换得到实函数，通过编码得到水印的Fourier计算全息图；b) 为实现水印的盲提取，需使载体图像和水印信息在频域中可分离；水印在所述水印模 板中的空间位置直接对应其在全息图Fourier域中的频带位置，故应对载体图像相应 频谱成分进行抑制；选择水印拓展方式，可同时实现载体图像与水印频谱的可分离性， 以及含水印图像的优良视觉质量；c) 在空域中用叠加法将水印全息图嵌入经预处理的载体图像，含水印图像/(/n，n)为式中g(w,")为归一化预处理载体图像，H(附,")为归一化水印全息图，a为水印嵌入强 度；d) 将含水印图像打印输出得到照片硬拷贝，其中仍保留水印信息；用户可通过扫描重新 获得数字图像，由于载体图像和水印信息的频谱可分离，可对扫描图像进行Fourier 变换，抑制水印信息以外的频谱成分即可再现数字水印，即使硬拷贝被剪裁，对余下 部分进行扫描仍可对水印实现盲提取。
3. 根据权利要求1和2所述之抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法， 其特征在于为了水印的盲提取，在空域中嵌入水印全息图以前对载体图像进行适当的 预处理；根据水印信息在水印全息图Fourier域中的分布，抑制载体的相应频谱成分， 既使载体图像和水印信息可分离，又使载体图像失真不可察觉，也就是说全息水印不仅能实现盲提取，还具有优良的透明性。
4.根据权利要求1和2所述之抗照片打印一扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法， 其特征在于是将数字水印的全息图嵌入载体图像，由于全息图的每一点都包含水印信 息，因而具有不可撕毁性，使得全息水印具有很强的鲁棒性，不仅能抵抗照片打印一扫 描攻击，还能抵抗对硬拷贝的剪切攻击。
全文摘要
本发明涉及一种抗照片打印-扫描攻击和硬拷贝剪切的全息图像水印方法。它是基于共轭对称计算数字水印的Fourier计算全息图，将此水印全息图叠加在载体图像中实现水印信息隐藏，通过进行水印的空间布局以及对载体图像预处理，将嵌入数据对图像质量的影响降低到视觉不可察觉的程度，并使含水印图像中载体信息和水印信息频谱分离，以实现水印盲提取。本方法能在高质量硬拷贝中保存水印，能抵抗对硬拷贝的剪切，水印全息图的获取不需要模拟物光和参考光的干涉，算法实现便捷高效。
文档编号G06T1/00GK101520886SQ200910046528
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者蔚 吴, 张新鹏, 王朔中, 黄素娟 申请人:上海大学