专利名称：水印的嵌入和提取方法
技术领域：
本发明是向数字图像嵌入和提取水印的方法，该方法具有高鲁棒性，可用于数字图像的版权保护。
背景技术：
随着信息技术的普及和快速发展，数字多媒体内容毫无节制的复制和肆意传播，使数字产品的版权保护问题越来越受重视。为了解决该问题，数字水印技术应运而生，并取得广泛关注。数字水印技术是将一些标识信息直接嵌入数字媒体当中，但不影响原载体的使用价值，也不易被探知和再次修改，但可以由嵌入方提取并识别，用于鉴定多媒体的版权 信息。经过近十几年的发展，数字水印技术取得了一定的成果。数字水印技术主要关注以下几个方面一是透明性，即嵌入水印信息后的图像质量变化是不可感知的；二是鲁棒性，即在经过多种无意甚至有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被正确提取。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变换以及有损压缩等；第三是水印容量，即可在多媒体中嵌入水印的最大信息量。本发明是用于数字图像版权保护的水印技术。当前数字图像水印技术主要分为两大类第一种是直接将水印嵌入在空域中；第二种是将水印嵌入到变换域中。对于第一种方法而言，嵌入水印后的图像透明性好，但鲁棒性较差，可用于图像完整性认证或者篡改检测，而不太适用于图像的版权保护。对于第二种方法而言，将图像转换到变换域后再进行水印嵌入，当前大多数算法都是在变换域嵌入的。在变换域嵌入水印的鲁棒性较强，更适用于版权保护。当前常用的变换技术有奇异值分解、傅里叶变换、DCT变换、小波变换、Contourlet变换等等。目前，基于奇异值分解的数字水印技术主要分为以下几类基于奇异值向量矩阵的嵌入和基于奇异值矩阵的嵌入。基于奇异值向量矩阵的水印嵌入，在嵌入过程中可能会改变矩阵的正交性，从而影响嵌入水印后图像的质量和水印的鲁棒性。而基于奇异值矩阵的嵌入主要是对图像的奇异值进行修改以嵌入水印。刘瑞祯在2001年发表在《电子学报》的文章“基于奇异值分解的数字图像水印方法”中提出将水印图像的奇异值加到待保护图像的奇异值中用来保护图像版权的水印方法。但由于提取的过程需要水印图像的奇异向量矩阵，故会造成很大的误检率。Hsien-Chu Wu > Ruen-Jie Jang 和 Yu — Chi Liu 在 “A robustwatermarkingscheme based on singular value decomposition and quantizationtech-nique” 2010International Computer Symposium(ICS) 一文中提出对图像的低频小波系数进行分块奇异值分解，对每块的最大奇异值进行量化来以嵌入水印的方法。但该方法对某些常见攻击鲁棒性较差，如JPEG压缩等等。针对以上问题，本发明提出了一种安全的、鲁棒的基于小波变换和奇异值分解的数字水印新方法。本发明的特点是经过小波分解后，先对低频系数进行分块，然后再对每块进行奇异值分解。根据密钥伪随机的选择两个满足限定条件的块，通过修改两个块最大奇异值之间的关系来嵌入水印。
发明内容
本发明的目的是提出一种鲁棒性强、透明性好、安全的数字水印方法，解决目前数字图像产品的版权保护问题。 按照本发明的一方面，一种嵌入水印的方法，包括步骤对待保护图像进行小波分解，将低频小波系数分成互不重叠的块；对每块进行奇异值分解； 随机选择两个满足条件的图像块组成块对；通过修改块对的最大奇异值以嵌入水印；对每个子块进行奇异值逆分解，然后，对小波系数进行小波重构。按照本发明的另一方面，一种提取水印的方法，包括步骤对待检测图像进行离散小波分解，将低频小波系数分成不重叠的块；对每个块进行奇异值分解；根据原始图像的最大奇异数组和阈值区间计算嵌入水印的每个块对的位置；根据每个块对的位置得到块对的最大奇异值，并计算两个块的归一化距离；将每个块对的归一化距离与检测阈值进行比较来提取水印。本发明将水印嵌入在图像最稳定的部分，从而使水印的鲁棒性得到增强。通过限定两个图像块间的归一化距离以选择图像块对进行水印嵌入，减小了图像的修改量，从而保证嵌入水印后图像的透明性。
图I本发明的流程图，包括水印嵌入流程和水印提取流程。图2本发明从最大奇异矩阵M中随机选择图像块对的流程图。图3a本发明实施例中采取的原始图像，图像大小为1500X2000。图3b本发明实施例中嵌入水印后的图像，其中小波分解层数为2，块大小为8X8，阈值 thl = O. 02，th2 = O. 045，嵌入强度 th3 = O. 02，th4 = O. 02。图3c本发明实施例中采用的原始水印图像，水印大小为32X32。图3d对图3b所示图像进行均值滤波后提取的水印图像，窗口大小为3X3。图3e对图3b所示图像进行JPEG压缩后提取的水印图像，压缩因子Q = 20。图3f对图3b所示图像添加高斯噪声(均值为0，方差为O. 01)后提取的水印图像。图3g对图3b所示图像添加椒盐噪声(概率密度为O. 01)后提取的水印图像。图3h对图3b所示图像进行缩放(先缩小至250 X 250，再放大到1500X2000)后提取的水印图像。
具体实施例方式本发明提供了一种基于离散小波变换和奇异值分解的高鲁棒水印方法，该方法鲁棒性高，可抵抗多种数字图像处理和攻击，可用于数字图像的版权保护。
下面结合附图，对本发明的各方法进行详细说明。图1(a)是本发明实施例的嵌入水印的方法的主要流程图。如图所示，步骤Sll :对原始图像进行L层离散小波分解，提取其低频小波系数，并将低频小波系数分成不重叠的块，每块的大小为mXm，然后再对每个子块进行奇异值分解。步骤S12 :将每块的最大奇异值组成一个最大奇异值数组M，随机的选择两个满足嵌入条件的块，组成块对(i，j)。步骤S13 :修改选定块对的最大奇异值以嵌入水印。具体修改方法如下若嵌入‘0’，则M' i = (Mi+MJ)/2,M/ j = (M^Mj) /2 ；若嵌入‘I，且吣≥ Mj，则M' i = MiX (l+th3), Mi j = MjX (l-th4)；若嵌入‘I，且 Mi < Mj，则=Mi' = MiX (l_th3)，M' j = MjX (l+th4) 其中M' pM'」为修改后的图像块对的最大奇异值，th3、th4为修改强度，且O ^ th3 ^ 1,0 ( th4 ( I。当嵌入‘0’时，使两个块的最大奇异值相等，从而两个块间的归一化距离变为O ;当嵌入‘I’时,增大较大的最大奇异值,减小较小的最大奇异值,从而拉大两个块间的归一化距离。本发明通过量化两个块之间的归一化距离来嵌入水印。步骤S14 :对每个子块进行奇异值逆分解，最后对小波系数进行小波重构，得到嵌入水印后的图像。图1(b)是本发明实施例的提取水印的方法的主要流程图。如图所示，步骤S21 :对待检测图像进行L层离散小波分解，提取其低频小波系数，并将低频小波系数分成不重叠的块，每块的大小为mXm，然后再对每个子块进行奇异值分解。步骤S22 :将每块的最大奇异值组成一个最大奇异值数组M,，并根据原始图像的最大奇异数组M以及阈值区间[thl，th2]计算嵌入水印的每个块对的位置。步骤S23 :根据每个块对的位置得到块对的最大奇异值M' ”M, p并计算两个块的归一化距离D' (i，j)。步骤S24 :将每个块对的归一化距离IV (i，j)与检测阈值th比较来提取水印，具体比较方法如下若D, (i，j) > th，则提取水印位为‘I’ ；若D, (i，j)≤th，则提取水印位为‘O’。最后将提取的水印位组合，得到完整的水印信息。步骤S12所述的根据数组M随机选择满足嵌入条件的两个块组成块对的方法如图2所示步骤S121 :计算每一个图像块k与任意其它块j的归一化距离D(j，k)。步骤S122 :对每一个图像块k统计所有满足条件D(j，k) e [thl，th2]的块j的个数Nk，其中[thl，th2]是事先确定的阈值区间。若Nk> 0，则块k为满足嵌入条件的块。步骤S123 :根据密钥key I从满足嵌入条件的块中随机的选择一个块，记为i。步骤S124 :根据密钥key2，从与i的归一化距离处于阈值区间[thl，th2]的块中随机的选择一个块，记为j。由此组成了块对(i，j)。步骤S125 :将块i、j标记为已用。已用的图像块不能再次被选择嵌入水印。
实施例，以图3中的图像进行说明。首先，对该图像(图3a，图像大小为1500X2000)进行离散小波分解(分解层数L=2)，提取其低频小波系数进行分块(块大小为8X8)，并对每块进行奇异值分解。然后，从由每个子块的最大奇异值组成的数组M中，按照图2所示的方法，随机的选择两个满足嵌入条件的图像块组成块对。其中thl = O. 02, th2 = O. 045。其次，修改选定块对的最大奇异值，以嵌入水印信息，水印图像如图3c所示，其中修改强度为th3 = O. 02，th4 = O. 02。最后，对每个图像块进行奇异值逆分解，小波重构，得到嵌入水印后的图像，如图3b所示，可见本发明所产生的水印化图像与原始图像无明显的视觉差别。 均值滤波是常见的图像处理方式，图3d是经过均值滤波后提取的水印图像，窗口大小为3X3。JPEG压缩是图像传输时经常会采取的压缩模式。图3e是经过JPEG压缩后的提取的水印图像，压缩因子为20。图3f是对嵌入水印后图像添加高斯噪声后提取的水印图像，噪声方差为O. 01。图3g是对嵌入水印后的图像添加椒盐噪声后提取的水印图像，噪声方差为O. 01.图3h是对嵌入水印后的图像缩小O. 5倍再放大为原始大小提取后的水印图像。由以上可见，图像作品经过常见变换(加噪、JPEG压缩、滤波、缩放)后，仍能提取出表明版权的水印图像。以上所述仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的本领域技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可以进行变换或替换。所进行的变换和替换都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种嵌入水印的方法，包括步骤 对待保护图像进行小波分解，将低频小波系数分成互不重叠的块； 对每块进行奇异值分解； 随机选择两个满足条件的图像块组成块对； 通过修改块对的最大奇异值以嵌入水印； 对每个子块进行奇异值逆分解，然后，对小波系数进行小波重构。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述随机选择两个满足条件的图像块组成块对包括 计算每一个图像块k与任意其它块j的归一化距离D (j，k)； 对每一个图像块k统计所有满足条件D(j, k) e [thl, th2] 的块j的个数Nk，其中[thl，th2]是事先确定的阈值区间。若Nk> O，则块k为满足嵌入条件的块； 根据密钥key I从满足嵌入条件的块中随机的选择一个块i ; 根据密钥key2，从与i的归一化距离处于阈值区间[thl，th2]的块中随机的选择一个块j ; 将块i、j标记为已用，已用的图像块不能再次被选择嵌入水印。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述通过修改块对的最大奇异值以嵌入水印包括 当嵌入‘0’时，修改选定块对的最大奇异值，使两块间的归一化距离为O;当嵌入‘I’时，修改两个块的最大奇异值，使两块间的归一化距离增大。
4.一种提取水印的方法，包括步骤 对待检测图像进行离散小波分解，将低频小波系数分成不重叠的块； 对每个块进行奇异值分解； 根据原始图像的最大奇异数组和阈值区间计算嵌入水印的每个块对的位置； 根据每个块对的位置得到块对的最大奇异值，并计算两个块的归一化距离； 将每个块对的归一化距离与检测阈值进行比较来提取水印。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述比较包括 若归一化距离大于检测阈值，则提取水印为I ; 若归一化距离小于检测阈值，则提取水印为O。
全文摘要
一种嵌入水印的方法，包括步骤对待保护图像进行小波分解，将低频小波系数分成互不重叠的块；对每块进行奇异值分解；随机选择两个满足条件的图像块组成块对；通过修改块对的最大奇异值以嵌入水印；对每个子块进行奇异值逆分解，然后，对小波系数进行小波重构。本发明将水印嵌入在图像最稳定的部分，从而使水印的鲁棒性得到增强。通过限定两个图像块间的归一化距离以选择图像块对进行水印嵌入，减小了图像的修改量，从而保证嵌入水印后图像的透明性。
文档编号G06T1/00GK102890814SQ20121044003
公开日2013年1月23日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者谭铁牛, 董晶, 王再冉 申请人:中国科学院自动化研究所