专利名称：一种数字图像中的水印嵌入和提取方法
技术领域：
本发明属于信息隐藏和图像隐写技术领域，具体涉及一种数字图像中的水印嵌入 和提取方法。
背景技术：
信息隐藏是信息安全领域的一个新的研究热点，信息隐藏为在开放的网络环境下 进行涉密的数据通信、数字产品的知识产权保护、重要文件和数字签名的真实性鉴别以及 机密文件泄密后的消息源头追踪提供了可靠的信息安全保障。数字水印和图像隐写是信息 隐藏技术的两大分支。现有技术一——最低有效位替换提出将秘密信息按像素点逐一插入到原始图像 像素值的最低有效位，可以保证在嵌入大量秘密信息的同时保持图像的视觉效果。现有技 术一是图像隐写技术中一个经典方法，具有实现简单、隐藏信息量大、隐秘图像视觉效果好 等优点。但由于隐秘图像的直方图的规则性，很容易被各种隐写分析方法检测到图像中隐 藏了秘密信息。现有技术二——最低有效位匹配采用当水印信息和水印信息嵌入点的像素值的 奇偶性不同时随机对像素值加1或者减1，此方法消除了现有技术一中隐秘图像的直方图 的规则性，使算法抗隐写分析的能力得到加强。对于使用现有技术二得到的隐秘图像，可以 得到下述结果，hw(i) = 0. 25Xh(i-l)+0. 5Xh(i)+0. 25Xh(i+l)其中函数h代表原始图像的直方图，hw代表隐秘图像的直方图。可以看到，使用现 有技术二得到的隐秘图像的直方图相当于对原始图像直方图作了一个平滑，并不会使隐秘 图像的直方图产生规则性，因此现有技术二能够更好的抵抗隐写分析。在现有技术二中，对 于一幅包含N个像素点的灰度图像，并且保证图像每点(除去像素值为0或者255的像素 点)像素值最多改变1，可将灰度图像嵌入N比特的秘密信息，同时其像素值改变量的平均 值是0. 5。我们把嵌入的水印信息看作相对自然图像的一种噪声。自然图像的噪声是非常小 的，而嵌入水印后的噪声则会变得非常明显，因而，隐秘图像越是平滑，则噪声越小，进而越 接近自然图像，我们也就越难探测到隐秘图像是否包含了秘密的信息。现有技术二的问题 是当水印信息与像素值的奇偶性不同时，随机对该像素值加1或者减1，而不管周围像素 值的大小，亦即没有考虑像素值的变化方向对于水印图像局部噪声大小的影响。因此，倘若 使原始图像每点像素值最多改变1并且保持相同的信息隐藏量，但是嵌入后的隐秘图像更 加平滑时(即噪声更小)，则其抵抗隐写分析的能力就会得到加强。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字图像中的水印嵌入和提取方法，可更好的抵抗隐写 分析问题。
本发明公开了一种数字图像中嵌入水印的方法，包括，用某种降噪方法，给原始数字图像降噪，得到降噪后的图像。将待嵌入的二进制水印与原始数字图像的像素值进行匹配，然后根据对应的降噪图像的像素值改变原始图像的像素值，实现水印嵌入。本发明公开了一种数字图像中提取水印的方法，即根据获取的水印图像的像素 值，顺次提取最低有效位，获得水印信息。本发明公开了一种数字图像中嵌入水印的装置，包括获取单元，用于获取数字图像、待嵌入的水印；降噪单元，用于获取原始图像降噪后的结果；计算单元，用于根据每个水印值和与之对应的原始图像像素值以及降噪图像像素 值计算原始图像像素值的改变大小；嵌入单元，用于根据所述计算得到的像素值改变量改变原始图像像素点的像素值。本发明公开了一种数字图像中提取水印的装置，包括获取单元，用于获取嵌入水印的数字图像；提取单元，用于根据水印图像的像素值的最低有效位，提取水印信号。本发明的技术方案为一种数字图像中的水印嵌入方法，其步骤为1)获取待嵌入图像和要嵌入的水印信息W ；2)按照顺序读取待嵌入图像像素点的原始像素值；3)对待嵌入图像进行降噪，并根据设定的嵌入率按顺序读取降噪后待嵌入图像中 若干像素点的像素值，作为嵌入水印信号参考像素点的像素值；4)将3)中所确定的某参考像素点的原始像素值、该像素点降噪后的像素值以及 要嵌入该像素点的水印信号，修改该像素点的原始像素值。进一步的，所述修改该像素点的原始像素值的方法为将3)中所确定的某参考像 素点的原始像素值与要嵌入该像素点的水印信号进行比较，判断两者奇偶性是否相同；如 果相同则保持该像素点的原始像素值不变；如果不同且该像素点的原始像素值小于该像素 点降噪后的像素值，则将该像素点的原始像素值加1 ；如果不同且该像素点的原始像素值 大于该像素点降噪后的像素值，则将该像素点的原始像素值减1 ；如果不同且该像素点的 原始像素值等于该像素点降噪后的像素值，则将该像素点的原始像素值加1或减1 ；得到嵌 入水印信息W的图像。进一步的，采用线性均值滤波方法对待嵌入图像进行降噪。进一步的，按照从上到下、从左到右的顺序读取待嵌入图像像素点的原始像素值， 得到一原始像素值序列X。进一步的，根据嵌入率按照从上到下、从左到右的顺序读取降噪后待嵌入图像中 若干像素点的像素值，得到一参考像素点的像素值序列D。一种数字图像中的水印提取方法，其步骤为1)获取嵌入水印信息的数字图像；2)按照与嵌入水印信息时相同的顺序提取数字图像中像素点的像素值，得到一像素值序列；3)根据设定的嵌入率，确定嵌入水印信号的像素值；4)按照与水印信息嵌入时相同的顺序提取3)中所确定的像素值的最低有效位；5)将提取出的最低有效位进行合并，得到水印信息。 进一步的，对嵌入水印信号的像素值进行模2运算，提取出嵌入的水印信号值。与现有技术相比，本发明的积极效果为根据本发明提供的方法和装置，在图像每点像素值最多改变1以及保持一定信息 隐藏容量的情况下，可以使每点像素值改变后水印图像的噪声更小，从而可以更好的抵抗 隐写分析。
图1为本发明实施例在图像中嵌入水印的流程图；图2为本发明实施例在图像中提取水印的流程图；图3为本发明实施例提供的待嵌入的灰度图像；图4为本发明实施例提供的待提取的灰度图像；图5为本发明实施例提供的待嵌入的灰度图像；图6为本发明实施例提供的待提取的灰度图像；图7为本方法与现有技术二安全性的比较结果；(A)嵌入率为1比特时的效果图，(B)嵌入率为0. 5比特时的效果图。
具体实施例方式本发明实施例提出了一种在数字图像中嵌入水印的方法，使得在图像每点像素值 最多改变1以及保持一定信息隐藏容量的情况下，使水印图像的噪声更小，从而可以更好 的抵抗隐写分析。下面简要的描述本发明实施例在数字图像中嵌入水印的方法的公式推导。本发明可以看作是在现有技术二基础上做的改进。首先，我们对其进行数学化的 描述。定义I。{0,1,... ,255}为定义在D上的大小为hXw的原始灰度图像，其中D = {(i，j) =I^i ^ h, 1 ^ j ^ w}是像素位置的集合。M G Ζ)是在嵌入时所有那些像素值会 发生变化的像素点的集合(这里注意到M是由要嵌入的水印所决定的)。定义S:D— {0， 1，-1}为因为嵌入水印相对于原始图像所作的可能的修改，则
fO,如果"M Il 或者-Uf^xeMS是所有的这种可能的修改的集合。那么我们从S中随机选出一个S，I。+S就是现 有技术二给出的嵌入水印后的图像结果。在本方法中，我们想从S中选择一个特定的S，使 得嵌入水印后的图像I。+S噪声尽可能小，从而具有更好的安全性。我们很容易知道，在现有技术二中，因为增加1或者减少1对图像所带来的噪声是 不同的。例如，对于一个像素值X来说，如果它周围的像素值都比它本身要小，那么X减少1显然比增加1能够获得更加平滑，噪声更小的结果。所以，如果我们能够有目的性的向着 图像更平滑的方向做出改变，可以得到比现有技术二更好的效果。在本方法中，我们通过参考原始图像的去噪结果来完成这一目的。定义I。sm°°th为 对I。使用某种去噪方法后获得的结果。对于任意一个可改变像素X e M，我们取嵌入水印 后的像素值为 具体来说，假定图像像素点分组中的像素值为，X = (X1,, X2,,......，Xn)其中，N表示每个分组中所包含的像素点个数，分量Xi,代表图像像素点的像素值 或者说灰度值，其取值为0到255之间的整数。再假设，W = (W1, W2, ... , Wn)是由0、1组成的水印位。首先对原始图像进行降噪处理，由此获得降噪后的图像像素值为D = (D1,, D2,,......，Dn)我们现在想把Wi嵌入Xi中，则(1)比较WjPXi，假如两者奇偶性相同，则Yi = Xi(2)如果奇偶性不同，则比较Xi和Di 如果Xi > Di5Yi = Xi-I ；如果Xi < DiJi = Xi+Ι ；如果Xi = Di, Xi随机加上或者减去1以获得Yi值根据上述方法，可得嵌入水印后的图像Y = (Y1, ,Y2,,......，Yn)本发明实施例提供了一种在数字图像中嵌入水印的方法，参见图1所示，包括以 下步骤步骤101 获取数字图像和由0、1组成的水印串；步骤102 将图像降噪处理，获得降噪后的图像；步骤103 按照从上到下，从左到右的顺序读取像素点的像素值，并与要嵌入它的 水印比较，如果两者奇偶性不同，再比较该像素点降噪前、后的像素值，并据此改变原始像 素值，获得嵌入后的结果。步骤104 水印嵌入完毕，得到包含水印信息的图像。本发明实施例提供了一种在数字图像中提取水印的方法，参见图2所示，包括以 下步骤步骤111 获取嵌入水印的数字图像；步骤112 按照与嵌入过程相同的顺序读取像素点的像素值，并提取他们的最低 有效位，得到嵌入的水印信息。下面通过几个具体的例子来详细的说明在数字图像中嵌入和提取水印的方法。实施例一、在数字图像中嵌入水印的方法1、获取如图5所示的灰度图像“Lena”其大小为512X512。2、获取长度为512X512-1 = 262 143的由0、1组成的水印位串
W = (W1, W2,......，W262143)。3、将灰度图像的所有像素点按照从左到右再从上到下的方式排序，获取前262143个像素作为嵌入像素点，由此得到像素值序列X1, X2,......，X2621434、将灰度图像用线性均值滤波进行去噪，对去噪后的灰度图像的所有像素点原始 图像相同的方式排序，获取前262143个像素作为嵌入参考点，由此可得去噪后的像素值序 列D1, D2,......，D2621435、对于i e {1，2，......，262 143}，根据水印信号Wi改变与之对应的像素点的像
素值Xi,到嵌入水印后的像素值Yi，使得(I)Yi = Xi,如果Xi与Wi奇偶性相同。(2) Yi = Xi+Ι，如果Xi与化奇偶性不同且Xi < Di(3) Yi = Xi-I,如果Xi与Wi奇偶性不同且Xi > Di(4)随机选取Yi = Xi-I或Yi = Xi+Ι，如果Xi与Wi奇偶性不同且Xi = Di下面将对几个不同的像素值更详尽地解释本发明实施例提出的在数字图像中嵌 入水印的方法。假设我们有一像素值为Xi = 165的像素点，经过去噪声处理后，它的像素值变成 Di = 164，Di = 165或者Di = 166，嵌入Wi = 0或者LYi的情况如表1表1、嵌入水印后的像素值 6、对所有像素点分组嵌入水印后得到如图6所示的嵌入水印的图像。实施例二、数字图像中提取水印的方法1、获取如图4所示的嵌入水印的灰度图像，其大小为512X512。2、按照与嵌入水印相同的方式提取灰度图像的像素值，共有262 143个值，假定 第i个像素点的像素值为Yi,其中i e {1,2,......，262 143}。3、计算嵌入的水印值Wi = YiHiod 2。4、将由每个像素点中提取出的水印合并得到最终由0、1组成的水印位串。
下面将对几个不同的像素值更详尽地解释本发明实施例提出的提取水印的过程。 假设我们获取了一个水印图像像素值为Yi = 165，则可以提取水印值1。而当我们获取了 一个水印图像像素值为Yi = 164或166时，则可以提取水印值0。对比上面嵌入过程实例 的表格，我们可以看出，提取出来的水印与嵌入的一致，换言之，此方法可以完全正确的提 取嵌入到图像中的水印。
图7描述了本方法与现有技术二安全性的比较结果。我们对1000张灰度图 像分别用本方法和现有技术二的方法进行水印嵌入，然后用一种已有的水印检测技术 WAM(Wavelet Absolute Moment steganalysis 小波绝对矩隐写分析方法，该方法被 Miroslav Gol jan等人在论文“New Blind Steganalysis and its Implications”中提出) 来检测嵌入水印后的图像。坐标横轴为误判概率，纵轴是检测率。根据统计学基本知识，在 一定误判概率下，检测率越低，则说明水印被检测出来的可能性越小，则方法就更安全。图 中所标LSB matching就是现有技术二的英文缩写，而下面三条曲线分别代表本方法使用均 值滤波器、高斯滤波器以及维纳滤波去噪时的方法效果。图7(A)是在嵌入率为1比特(即 每个像素点平均嵌入1比特水印)时的效果图，图7(B)是嵌入率为0. 5比特(即每个像素 点平均嵌入0.5比特水印)时的效果图。由图可知，本方法具有更低的检测率，所以能更好 的抵御隐写分析方法的攻击，从而具有更高的安全性。综上，采用本发明实施例的有益效果在于，使得在图像每点像素值最多改变1以 及保持一定信息隐藏容量的情况下，让每点像素值的改变让水印图像的噪声更小，从而可 以更好的抵抗隐写分析。显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发 明实施例的精神和范围，且所作的修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之 内，则所作的修改和变型也属于本发明的保护范围。
权利要求
一种数字图像中的水印嵌入方法，其步骤为1)获取待嵌入图像和要嵌入的水印信息W；2)按照顺序读取待嵌入图像像素点的原始像素值；3)对待嵌入图像进行降噪，并根据设定的嵌入率按顺序读取降噪后待嵌入图像中若干像素点的像素值，作为嵌入水印信号参考像素点的像素值；4)将3)中所确定的某参考像素点的原始像素值、该像素点降噪后的像素值以及要嵌入该像素点的水印信号，修改该像素点的原始像素值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述修改该像素点的原始像素值的方法为 将3)中所确定的某参考像素点的原始像素值与要嵌入该像素点的水印信号进行比较，判 断两者奇偶性是否相同；如果相同则保持该像素点的原始像素值不变；如果不同且该像素 点的原始像素值小于该像素点降噪后的像素值，则将该像素点的原始像素值加1 ；如果不 同且该像素点的原始像素值大于该像素点降噪后的像素值，则将该像素点的原始像素值减 1 ；如果不同且该像素点的原始像素值等于该像素点降噪后的像素值，则将该像素点的原始 像素值加1或减1 ；得到嵌入水印信息W的图像。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于采用线性均值滤波方法对待嵌入图像进 行降噪。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于按照从上到下、从左到右的顺序读取待嵌入 图像像素点的原始像素值，得到一原始像素值序列X。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于根据嵌入率按照从上到下、从左到右的顺序 读取降噪后待嵌入图像中若干像素点的像素值，得到一参考像素点的像素值序列D。
6.一种数字图像中的水印提取方法，其步骤为1)获取嵌入水印信息的数字图像；2)按照与嵌入水印信息时相同的顺序提取数字图像中像素点的像素值，得到一像素值 序列；3)根据设定的嵌入率，确定嵌入水印信号的像素值；4)按照与水印信息嵌入时相同的顺序提取3)中所确定的像素值的最低有效位；5)将提取出的最低有效位进行合并，得到水印信息。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于对嵌入水印信号的像素值进行模2运算，提取 出嵌入的水印信号值。
全文摘要
本发明公开了一种数字图像中的水印嵌入和提取方法，属于信息隐藏和图像隐写技术领域。本发明的水印嵌入方法为首先对原始数字图像进行降噪，得到降噪后的图像；然后将待嵌入的二进制水印与原始数字图像的像素值进行匹配，最后根据对应的降噪图像的像素值改变原始图像的像素值，实现水印嵌入。本发明的水印提取方法为根据获取的水印图像的像素值，顺次提取最低有效位，获得水印信息。与现有技术相比，本发明可以使每点像素值改变后水印图像的噪声更小，从而可以更好的抵抗隐写分析。
文档编号G06T1/00GK101866478SQ20101021576
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者亓文法, 李晓龙, 杨斌, 王超 申请人:北京大学