一种基于二元加权韦伯的数字水印方法

本发明涉及网络多媒体安全中的数字图像版权保护，具体为一种基于二元加权韦伯的数字水印方法。

背景技术：

1、互联网的飞速发展使网络图像信息的可靠性和安全性受到了广泛关注。在此背景下，能够保护图像版权的数字图像水印技术应运而生，数字图像水印技术的研究价值日益增高。

2、数字图像水印是一种信息隐藏技术，其原理是将水印信号秘密地隐藏到需要保护的图像中，此过程需要确保水印的嵌入不会影响载体图像的视觉质量，也要保证在图像在经历各种攻击后，解码算法依然能从中解码出水印信息，以实现版权保护的目的。在实际应用中，图像获取者不清楚图像是否存在水印信息，也无法获取水印信息的具体嵌入方法，因此产生了图像水印盲检测技术。相较于检测水印信息的有无，将水印信息从载体图像中提取出来具有更大的应用价值。鲁棒性、不可见性和有效载荷是水印系统的重要性能指标。强大的鲁棒性意味着即使在对水印图像进行各种攻击之后，水印算法仍可保持较高的检测精度；不可见性意味着水印的嵌入不会破坏图像的原始应用价值；有效载荷意味着当更多的水印信息被嵌入到载体图像中时，人眼仍无法察觉图像质量的下降，但这三个指标是相互制约的。因此，如何在鲁棒性、不可见性和有效载荷间取得良好平衡是当前图像水印领域研究的重点。

3、统计模型水印方案为上述平衡问题提供了思路，但目前的工作仍存在许多不足：一、建模对象鲁棒性差，相比于空域水印算法，频域显然更受欢迎，但很多研究者并没有考虑到图像在频域变换后子带系数的性质，设计的方案虽然能较好地抵抗普通攻击，但面对几何攻击仍不够稳健；二、统计模型描述能力弱，统计模型水印方案高度依赖所选模型的精度，传统的边缘分布忽视了子带间相关性及子带内部的系数关系；三、参数估计方法低效，传统的估计方法精度低、时间复杂度高；四、假设检验准则，目前提出的大多数假设检验只能验证水印信号是否存在，不能准确解码载体图像中的水印信息，而少数可解码的水印方案在水印容量较大时，检测率较低。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

3、一种基于二元加权韦伯的数字水印方法，

4、约定：fj表示第一尺度、第j方向系数子带，对应sj为第二尺度、第j方向系数子带；m，n分别表示系数矩阵的空间位置；sczi表示原始rdwt差值域svd系数，对应表示含水印系数；ζ表示水印嵌入强度的正标量；ql表示按高熵值排名的第l个高熵块；l为水印尺寸；wl代表包含等概率{-1,+1}的伪随机水印序列；yi为含水印差值子带与原始差值子带做差得到的系数；fxi，fyi分别表示载体第一尺度和嵌水印后第一尺度系数；sxi与syi表示载体第二尺度和嵌水印后第二尺度系数；i代表载体图像；i'表示含水印图像；α表示二元加权weibull分布形状参数；λ1，λ2，λ3表示二元加权weibull分布尺度参数；h1表示系数块嵌入水印为“1”时的假设，对应h0表示嵌入水印为“-1”时的假设；

5、该基于二元加权韦伯的数字水印方法具体步骤如下：

6、s1：初始设置：获取载体图像i并初始化变量；

7、s2：水印嵌入

8、s2.1：冗余离散小波变换

9、将载体图像i进行rdwt二级分解，获取第一尺度三个不同方向高频子带、第二尺度三个不同方向高频子带及一个低频子带；

10、s2.2：最大能量差值子带

11、根据尺度间系数性质，将同方向、第一尺度系数与第二尺度系数做差值计算，得到差值子带dj(m,n)：

12、dj(m,n)＝fj(m,n)-sj(m,n)；

13、选择最高能量差值子带进行下一步操作，能量表达式为：

14、

15、s2.3：奇异值分解

16、对最大能量差值子带实施等大小不重叠分块，假设块的尺寸为n×n，将这些系数块按熵值由高至低进行排序，将前l位高熵块分别进行svd分解，得到l个svd系数集合；

17、s2.4：水印嵌入

18、通过修改l个svd系数中的“s”矩阵系数实现水印嵌入，其中，共修改l个系数块，每块嵌入相应的1bit水印信息(1或-1)，每个系数块具体修改n个系数，将l系数块按n尺寸按层次划分，最高层次修改n个系数，之后依次减少修改的系数个数以嵌入水印，采用乘性规则表达如下：

19、

20、s2.5：重构得到含水印图像

21、先实行逆svd获取含水印rdwt差值子带，然后按照以下公式进行重构：

22、fyi＝fxi+yi/2,syi＝sxi-yi/2；

23、最后，实行逆rdwt重构含水印图像i'；

24、s3：构造解码器

25、s3.1：rdwt分解

26、将含水印图像i'进行rdwt二级分解，获取第一尺度三个不同方向高频子带、第二尺度三个不同方向高频子带及一个低频子带；

27、s3.2：最大能量差值子带

28、根据尺度间系数性质，将同方向、第一尺度系数与第二尺度系数做差值计算，选择能量最高的两个差值子带，并分别取前l位高熵块；

29、s3.3：svd分解

30、对选取的前l位高熵块进行svd分解，得到l个svd系数集，利用每块“s”对角矩阵一半的系数来构造解码器；

31、s3.4：二元加权韦伯统计建模

32、对s3.3步骤中选定的含水印系数采用二元加权weibull进行统计建模，假设随机变量x1，x2服从二元加权weibull分布，则其联合pdf可表达如下：

33、

34、其中：z＝min{x1,x2}；λ＝λ1+λ2+λ3；x1＞0；x2＞0；α,λ1,λ2,λ3＞0；

35、s3.5：差分进化(de)估计

36、利用基于ml的de算法估计二元加权weibull模型的参数。对于大小为n的测试样本，二元加权weibull分布的对数极大似然方程为：

37、

38、

39、

40、

41、利用de算法对上述方程组求解；

42、s4：构造最大似然(ml)解码器

43、将水印解码看作是二元假设检验问题，利用ml决策准则，构造基于二元加权weibull分布的ml解码器，二元假设表达式以及当z＝x1和z＝x2时的解码器表达式分别如下所示：

44、

45、

46、

47、s5：决策阈值判断

48、根据决策公式判断是否提取出水印，是，结束；否，返回初始a步骤。

49、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：第一：建模对象，将冗余离散小波变换的差值域与svd相结合作为建模对象，为水印信息提供足够的嵌入位置，增强了不可见性和鲁棒性，也增加了水印的抗几何攻击能力；

50、第二：优化线性嵌入水印函数，大多数图像系数特征都是非线性的，因此，本发明根据熵值更改不同个数svd对角矩阵系数，以达到符合图像特征的目的；

51、第三：统计模型的建立，本发明采用二元加权韦伯分布对系数建模，该分布充分考虑到子带间相关性，及两个子带系数对比后产生的不同结果；

52、第四：模型参数估计，本发明采用de算法估计模型参数，与传统的最大似然算法相比，该算法具有精度高、时间复杂度低等优点；

53、第五：解码器构造，利用乘性方法进行对数似然比检验，构造最大似然水印解码器，该方法具有高度的灵活性和易于调节的动态强度因子，有效平衡了不可见性和鲁棒性。