一种安全、鲁棒的水印算法的制作方法

本发明属于图像处理与多媒体信息安全技术领域，涉及一种安全、鲁棒的水印算法。

背景技术：

互联网对人们生活的影响越来越大，其中一点就是他方便了数据的传输。在这些海量的数据中，数字图像占有不小的比重。然而，图像在传输过程中极易被他人盗用以谋取利益，甚至可被当作机密资料而泄露给他人，且无法追查出泄密者的身份，这就对数字水印产生了极大的需求。数字水印是一种使用密钥将信息嵌入到图像中并且使他人难以察觉的技术。所嵌入的水印可以是一段文字，也可以是一张图像。我们可以从图像中提取嵌入的信息从而达到版权保护、追踪泄密者的目的。数字水印有着两个重要的属性，一个是“鲁棒性”，另一个是“安全性”。在传播过程中，图像通常会被裁剪、滤波以及受到噪声污染等，这可能致使所提取的信息是不可读的。因此对水印技术有着高鲁棒性的要求，以保证能够提取正确的信息。一般情况下，水印嵌入和提取的方法是公开的，唯有密钥是被保密的，因此存在着攻击者想方设法地估计密钥以达到复制、修改甚至抹除水印的目的。因此高安全性也是人们所需要的。不幸的是，鲁棒性和安全性相互约束，这使得水印很难同时满足高鲁棒性和高安全性的要求。

扩频水印是现今最流行的数字水印技术之一，其最大的优点在于对常见的图像处理和噪声污染有着很好的鲁棒性，且水印信息的嵌入和提取方式简便。扩频水印是基于扩频通信的设计思想实现的。水印就好比扩频通信中要传输的低频信息，密钥相当于高频载波，而图像相当于信道。在嵌入过程中，密钥将图像的特征移动到相应的解码区域，只要所在的解码区域正确，就能提取出正确的消息。然而图像经过处理或噪声的污染后，可能会越过正确的解码区域边界而移动到错误的区域，致使提取的信息与嵌入的信息不一致。

p.bas,f.cayre,naturalwatermarking:asecurespreadspectrumtechniqueforwoa,in:informationhiding,volume4437oflecturenotesincomputerscience,springer,2006,pp.1–14.提出了安全度更高但鲁棒性较低的水印嵌入算法——naturalwatermarking(nw)。nw的算法如下：

其中，x为图像的特征向量；y为嵌入水印后的特征向量；ui表示第i个载波；表示x和ui的相关；m(i)为秘密信息的第i位；α为控制水印强度的常量。α＝1时，他人无法判断由nw算法得到的水印图像是否嵌入了信息，且无法估计出密钥跨越的子空间，因此该水印技术有着极高的安全性。α＞1时，鲁棒性得到了提高，此时该算法被称为robustnaturalwatermarking(rnw)。

对于nw算法，α＝1时，安全性虽然极高，但是鲁棒性较低，经受干扰后不易提取正确的信息；α＞1时，虽然鲁棒性得到了提高，但提高的程度有限，且牺牲了安全性，暴露了密钥跨越的子空间。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种安全、鲁棒的水印算法，该方法使得嵌入的信息对一些常用的图像处理技术和噪声更加鲁棒，并且其安全性与鲁棒自然水印一样高。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种安全、鲁棒的水印算法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过下式完成水印的嵌入：

其中，x为图像的特征向量；y为嵌入水印后的特征向量；ui表示第i个载波；表示x和ui的相关；m(i)为秘密信息的第i位；若那么β＝1，否则，α(大于1)与r是控制水印强度的两个参数，随着两个参数数值的增大，水印强度也随之增大；当r＝0时，irnw就退化为rnw，故r＞0。

2)通过诸如逆dwt等逆变换，将嵌入水印后的向量y变换为水印图像。

本发明的优点：

1)本发明使得嵌入的信息对一些常用的图像处理技术和噪声更加鲁棒，并且其安全性与鲁棒自然水印一样高。

2)本发明的全性与rnw处于同一水平的情况下，进一步提高了鲁棒性。

3)对于鲁棒性和安全性，达到了一个更好的平衡。

附图说明

图1是本发明方法与rnw方法的的鲁棒性对比图；

图2是本发明的安全性测试。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

本发明设计了一种基于rnw的水印技术，称之为improvedrobustnaturalwatermarking(irnw)，其鲁棒性比rnw更高且安全性不会受到影响。基本原理是：设计的算法移动距解码区域中心小于r的特征点，使其远离正确的解码区域边界，从而要让解码出错就需要更高能量的攻击，致使嵌入水印的图片失真严重。

通过诸如dwt等变换提取受保护图像的特征向量x，再通过irnw算法嵌入nc维的秘密信息m。

一种安全、鲁棒的水印算法，包括以下步骤：

1)irnw嵌入水印的算法如下：

其中，x为图像的特征向量；y为嵌入水印后的特征向量；ui表示第i个载波；表示x和ui的相关；m(i)为秘密信息的第i位；若那么β＝1，表示距离中心大于r的特征点采用与rnw一样的嵌入策略。否则，后者表示距离中心点小于r的特征点被归一化后再乘以常数r，由此这些点被移动到半径为αr的超球表面上，由此远离了解码区域边界，提高了鲁棒性。α(大于1)与r是控制水印强度的两个参数，随着两个参数数值的增大，水印强度也随之增大；当r＝0时，irnw就退化为rnw，故r＞0。

2)通过诸如逆dwt等逆变换，将嵌入水印后的向量y变换为水印图像。

因为rnw仅会暴露密钥的子空间，而irnw中移动特征点也仅能暴露密钥的子空间，因此安全性没有下降，而鲁棒性得到了提升。

在irnw水印算法中引入的参数β。对于rnw，尽管鲁棒性比nw高，但仍然有大量的特征点靠近中心点，因此这些点抵御攻击的能力较弱。参数β使得这些特征点进一步远离解码区域中心，提高了鲁棒性。

对本发明的方法进行验证：

使用服从正态分布的模拟信号来测试irnw和rnw的鲁棒性，并使用主成分分析法来估计密钥。

对于鲁棒性的测试，直接使用服从正态分布的随机数发生器产生特征向量x以及待嵌入信息m。在被不同方差的高斯噪声攻击下，计算相应的误码率ber。通过信噪比snr衡量高斯噪声能量的大小，snr的初始值为0.2。以步长0.2不断地增加至4，并设置irnw算法中的r为0.025。snr越大，高斯噪声的能量就越小。ber越小，提取的信息与嵌入信息间的差异就越小，那么鲁棒性就越高。实验结果如图1所示，实线表示rnw的ber变化情况，虚线表示irnw的ber变化情况。由图1可知，irnw的鲁棒性比rnw高。

本实验使用主成分分析来估计irnw的密钥(nc＝2)，估计出的密钥被标记为e1和e2，正确的密钥被标记为u1和u2。计算e1、e2和u1、u2的相关，并进行归一化，将结果描绘在二维坐标中，如图2所示。若所估计的密钥与正确的密钥越相似，则他们归一化后的相关越接近1或-1。根据图2可知，irnw仅暴露了密钥跨越的子空间的信息，因此其和rnw的安全性一样高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。