一种避免误警的svd双层数字水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像处理及信息安全领域。本发明设计一种抗打印-扫描的数字水印 嵌入和提取方法，该方法具有提高水印嵌入容量、降低识别误警率的特性，可以用于印刷品 版权保护。 技术背景
[0002] 随着网络技术的普及和快速发展，数字内容毫无节制地复制和传播，使得数字产 品的版权保护问题备受关注，为了解决该问题，数字水印技术应运而生。数字水印技术是将 标识信息嵌入数字内容中的一种技术，它基本不影响原数字内容质量，也不易被探知和修 改，但可以被提取识别，用于数字信息的版权保护和防伪。经过多年的发展，数字水印技术 取得了一定的成果。鉴于数字水印技术在实现版权保护和防伪的过程中，只须改变数字信 息，无需增加其他成本（如特殊纸张或特殊油墨带来的成本），引起纸质媒体的版权保护和 防伪领域的广泛关注。数字水印用于纸张媒体的版权保护和防伪时，往往要经历打印（印 刷）-扫描处理，而打印（印刷）-扫描实际上是数字内容经过了D/A和A/D两次变换，同时 还伴随一定程度噪声、模糊、几何变换等攻击，导致数字内容遭受到很大的损失或扭曲，以 至于数字内容中水印信息难以保留，从而失去版权保护和防伪的功效。然而，当今票据、产 品包装、证件、重要文件等纸质媒体的伪造和仿造给企业、金融等机构带来了很大的损失， 迫切期望此无应用成本的数字水印技术能成为代替传统防伪和版权保护的一种新的技术。 因此，数字水印实现纸质媒体防伪和版权保护，存在着巨大应用价值，也面临着很大的技术 挑战。特别是提高数字水印技术抗打印（印刷）_扫描的鲁棒性能是能实际应用的基本前 提，是一个值得研究和突破的课题。
[0003] 近些年，出现了一些能抵抗打印-扫描攻击的数字水印算法。查阅相关文献资料， 目前大致有两种类型的数字水印算法在抵抗打印-扫描攻击方面取得了一定的效果。一类 是在离散余弦变换（DiscreetCosineTransformation，DCT)、离散傅里叶变换（Discreet FourierTransformation，DFT)等频谱变换的基础上嵌入。即寻求原始图像DCT/DFT系 数中视觉不敏感且打印-扫描攻击数字水印后基本稳定的区域（基本为中频区域）嵌入 水印信息。例如，王泉等人的专利《基于DCT系数统计特性的抗打印扫描彩色图像盲水印 方法》，中国专利，专利号为CN103559676A。另一类是离散小波变换（DiscreetWavelet Transformation，DWT)结合奇异值分解（SingularValueDecomposition，SVD)，即利用DWT 获得抗攻击稳定性强的低频图像，再对低频图像进行SVD分解，把水印信息嵌入SVD的奇异 值系数中。例如，叶天语的专利《基于奇异值分解、harr小波变换和均值计算的鲁棒零水 印算法》，中国专利，专利号为：CN102129659A。经过众多学者已经进行的大量研究发现，打 印-扫描过程在实际的应用环境，不仅仅是D/A和A/D转换中的采样和量化产生的攻击，打 印-扫描环境中由于设备局限产生的噪声、模糊等攻击，会加剧信息的丢失和扭曲。因此， 在实际应用中，嵌入的水印信号所受的攻击不是单纯仿真实验中的一种或几种不同攻击的 简单组合，而是多种复杂信号综合作用的结果。这使得基于DCT的数字水印方法在图像视 觉质量、抗打印-扫描的鲁棒性能、及嵌入水印信息容量之间难以寻求到平衡点。而且，打 印-扫描过程中的设备、设置参数的区别对嵌入水印信息的稳健性也存在着很大的影响。 相对而言，DWT结合SVD的数字水印方法中的DWT和SVD能获得图像更为稳定的特征，从而 获得更为强健的鲁棒性，且嵌入水印信息的容量较大。因此，DWT结合SVD的数字水印方法 在抗打印-扫描的方面取得较好的效果。但是，在这些方法中，为了增大嵌入水印信息容量 和提高嵌入图像的可视化质量，实际基本上是把水印信息SVD分解的奇异值隐藏在原始图 像DWT变换图像的奇异值中。在提取水印信息时，先获取扫描的水印图像与原始图像DWT 变换后的奇异值差异，再利用此奇异值差和原始水印的奇异向量重构水印信息。然而，实际 上奇异向量才是构成任何图像（如水印图像）的关键信息，奇异值大小只是影响最终图像 的强弱。由此，如果有一幅图像，没有嵌入水印信息，经过打印-扫描处理后，其DWT变换的 奇异值变化了，就会获得水印信息。也就是说没有嵌入水印，却识别出了水印，由此产生了 误警问题。在实际的打印-扫描过程中，DWT变换的奇异值通常都会发生不同程度的变化， 因此此类数字水印方法不可避免的会发生误警的问题，这使得数字水印失去了版权保护的 实际应用的价值。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，针对现有抗打印-扫描数字水印算法中存在误警的问题以及 高容量与高质量难以平衡的问题，提出一种避免误警的SVD双层数字水印方法。
[0005] 本发明采用的技术方案为，一种避免误警的SVD双层数字水印方法，包括水印嵌 入和水印提取两个过程，按照以下步骤实施：
[0006] 首先，水印的嵌入，具体包括以下步骤：
[0007] 步骤A1，利用SVD对宿主图像Η和水印图像W进行分解，分别记为H=UHSHVH% ff=UWSWVWT；
[0008] 步骤A2,将水印图像W嵌入宿主图像奇异值矩阵SH，得到新的图像矩阵G，计算如 下：
[0009] ΓΗ =S"+aW,
[0010] 其中，α为嵌入强度，且ae[0· 01，0· 1];
[0011] 步骤A3,将宿主图像的奇异值矩阵SH替换为图像G经SVD操作所得的奇异值矩阵 和，得到嵌入第一层水印信息的图像Hw，计算如下：
[0012] Hw =UHS^Vl;
[0013] 步骤A4,将叠加了奇异值的水印图像C的特征值向量矩阵UjPVw按列排成一维 矩阵％和vw，利用SHA-256哈希加密算法对该一维矩阵进行加密处理，得到对应的哈希码 ^和Rv:
[0014] Ru=Harshing(SHA256) (uw)，
[0015] Rv=Harshing(SHA256) (vw),
[0016] 并把&和R 换为二进制编码形式，再对二进制的R,和Rv进行逻辑异或操作，得 到一个新的二进制信号R，并取R的前64位作为第二层水印信息，记为Rw;
[0017] 步骤A5,对携带第一层水印信息的图像进行分块DCT操作，将第二次水印信息Rw 嵌入到各子块的直流（DC)系数Cl(i= 1，2, . . .，64)中，其中步骤包含：
[0018] (a)将携带第一层水印的图像Hw分成8X8的子块，对各子块实施DCT操作，获得 各子块的DC系数Cl，并计算其平均值心
[0019]
[0020] (b)计算各子块DC系数Cl与其平均值？之间的差值：
[0021] diff(cl) = ci-c;
[0022] (c)根据第二层水印信息匕的i位置的bit值Rw⑴以及diff(Cl)的符号修改对 应子块的DC系数Cl，具体操作为：若匕⑴=1且diff(Cl)彡0时，当前子块DC系数(^增 加|diff(Ci)I;若匕⑴=1且diff(Ci) < 0时，当前子块DC系数Ci减少Idiff(ci)I;若 Rw(i) =0且diff(Cl)彡0时，当前子块DC系数Cl减少2倍的|diff(Cl)| :若心⑴=0 且diff(Cl) < 0时，当前子块DC系数Cl增加2倍的|diff(cJ| ;
[0023] (d)对修改过系数的各子块进行DCT逆变换，得到嵌入两层水印信息的图像柯。
[0024] 然后，水印的提取，具体包括以下步骤：
[0025] 步骤B1，将待提取水印的图像H'和原始宿主图像Η均分成8X8的子块，并对各子 块实施DCT操作，分别获取它们各自子块的DC系数cf和<(i= 1，2，...，64)，并根据二者 对应位置子块的一对DC系数<和#生成二进制信号R'，其中包含了以下步骤：
[0026] (a)分别计算DC系数cf和<与其各自平均值f和f的差值：
[0027]
[0028]
[0029] (b)从左到右、从上到下依次检查献?)和册(#)的符号，获取一组64位的二进 制数据R'：当魂且勒如/?θ或者rf#(c，)<0且献(〇<0时，二进制数据R'的i位 置的bit值IT⑴=1;当领％，)<0且rf#(c，)>0或且Kc,tf)<0时，二进制 数据R'的i位置的bit值R' (i)=0;
[0030] 步骤B2,由于原始水印图像W与叠加宿主图像奇异值的图像G具有相同的特性向 量，因此将水印图像W经SVD操作所得的特征向量矩阵U，Vw按列排成一维矩阵u￥和vw， 并用SHA-256哈希加密算法对该一维信号进行加密得到哈希码RjPRv，然后将哈希码转换 为二进制编码形式，利用逻辑异或对二进制的&和R￥进行操作，获得二进制信号R，取R的 前64位，即获得嵌入的第二层水印信息Rw;
[0031] 步骤B3,判断步骤B1获取的二进制信号R'与步骤B2得到的第二层水印信息Rw 的匹配性，若二者的值相同，则进行下一步提取操作，若二者的值不同，则结束提取水印的 操作，表示待提取水印的图像中没有携带水印信息；
[0032] 步骤M，将原始水印图像W经SVD操作所得的奇异值矩阵Sw替换为待提取水印的 图像H'经SVD操作所得的奇异值矩阵SH,，得到新的图像
[0033] /；,=UwSHyw T ,
[0034]根据宿主图像的奇异值矩阵SH、图像C以及嵌入强度α，提取出第一层水印图像 W'，具体如下：
[0035] W' = (JmH.-SH、la。
[0036] 本发明的有益效果是，改善了基于SVD方法嵌入水印时误警率高的问题，可抵抗 打印扫描攻击、提高水印嵌入的容量、避免误警现象产生，可用于印刷品的版权保护。
【附图说明】
[0037] 图la是本发明水印嵌入过程的流程图，图lb是本发明水印提取过程的流程图；
[0038] 图2a是本发明实施例中采用的宿主图像，图2b是本发明实施例中采用的水印图 像，图2c是本发明实施例中嵌入两层水印后的图像，图2d是本发明实施例中对图2c经过 KonicaMinoltaC6000数码印刷机印刷和Microtek1000XLPlus扫描仪扫描所得图像，图 2e是本发明实施例中对图2d提取的水印图像。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0040] 使用本发明在图像中嵌入水印的方法如图la所示，具体步骤如下：
[0041] 第1步，利用SVD对宿主图像Η和水印图像W进行分解，分别记为H=UHSHVH%W =UWSWVWT；
[0042] 第2步，将水印图像W嵌入宿主图像奇异值矩阵SH，得到新的图像矩阵#，计算如 下：
[0043] ImH=S"+aW,
[0044] 其中，α为嵌入强度，且取α= 〇· 〇1 ;
[0045] 第3步，将宿主图像的奇异值矩阵SH替换为图像G经SVD操作所得的奇异值矩阵 %，得到嵌入第一层水印信息的图像Hw，计算如下：
[0046] Hw=UHSmHVTH·,
[0047] 第4步，将叠加了奇异值的水印图像4m的特征值向量矩阵仏和列排成一维矩 阵1%和vw，利用SHA-256哈希加密算法对该一维矩阵进行加密处理，得到对应的