专利名称：用于版权保护的图像水印方法
技术领域：
本发明属于信息隐藏和信息安全的技术领域，更具体的说是一种用于数字出版物中图像作品的版权保护方法。
用于数字出版物中图像作品版权保护的实用方法需要满足以下条件(1)图像作品的版权人易于将作为标志的水印嵌入到需要保护的图像作品之中；(2)嵌入了水印的图像作品对该图像作品的质量无明显的影响；(3)嵌入了水印的图像作品经人进行拷贝、剪切、缩放和压缩等常见的处理后，图像作品的版权人仍可提取出带有明显标志的水印，用来说明该图像作品的版权；(4)图像作品所嵌入的水印具有保密性，不易被人消除。
目前的水印方法一般存在如下问题(1)水印的用途不明确，实用性不强。大多数现有水印系统都宣称具有版权保护、真伪媒体判断以及传播跟踪、拷贝控制等。然而在实际应用中，根据数字产品的应用范围和途径的不同，其嵌入的水印所需要的功能亦不相同，水印提取时原始图像的必要性也不一定。如果每一个水印系统都需要达到上述所有的功能，则实现的复杂度和耗费时间均大大增加。
(2)水印的形式较为抽像，不利于法庭对图像作品版权的认证。现有水印系统中使用的水印一般是根据某种规则得到的数据，大多为伪随机序列。利用其伪随机性，根据相关性的测量来判断图像中是否具有水印。然而这种方法只能得到水印的存在与否的结论，不能够得到水印的内容，也就无法明确说明版权所有权。
(3)嵌入方法不适用。上述很多方案是利用序列作为水印，在水印检测中则采用相关度检测器来判断水印是否存在。检测时得到的只是一个用于相对比较的数据，没有实际意义。而有些技术中用图像作为水印时，检测中必须提取出具有一定分辨率的图像，对于各个像素值的精确度要求大大提高，为了保证不可感知性和对常用图像处理的鲁棒性，嵌入时必须充分利用人眼视觉系统(HVS)特性，就需要计算繁杂的公式，同时增加了复杂度，计算量相应大为提高。
(4)加密机制较为复杂。已提出的水印方案一般在水印置乱或者水印产生过程中利用某类函数引入加密机制，但是在函数的运用过程中，计算量较大。
总之，现有的图像水印方法存在用途不明确、形式抽像和嵌入、加密方法复杂等不足之处，并不适于数字出版物中图像作品的版权保护与版权认证。
本发明用于版权保护的图像水印方法的总体构思是利用水印图像具有法定标志的简要特征和人眼视觉系统(HVS)的照度掩蔽和纹理掩蔽特性以及使用伪随机特性，在满足要求的前提下，弃繁求简。水印图像法定标志均简要精小，因此版面小于原始图像，因此不需要在整个原始图像上进行处理，而且只选在照度和纹理特性易于隐蔽的区域进行，即在平滑区域照度亮时藏暗处，照度暗时藏亮处，纹理特性是在藏纹理复杂区域。
经过上述处理，水印图像简要精小使需要嵌入的信息量减少，而且择优选取照度和纹理复杂区域块，加密也简单。现分述如下一、将代表数字图像作品版权的二值图像作为水印图像，水印图像的尺寸比原始图像的小。原始图像可以是灰度图像也可以是彩色图像。当为彩色图像时，只需要选取彩色图像中的蓝色分量进行调制，因为人眼对于蓝色分量的变化较不敏感。但是需要注意的是嵌入水印前后的彩色图像在色泽上有些差别，考虑到本方法用于数字出版物中图像作品的版权保护，使用者几乎没有接触到原始图像的途径，所以可以不必顾虑这些差别。
将RGB彩色图像选取蓝色分量进行处理，使计算量大大减少，并不影响水印图像的法定标志的嵌入和提取认证，已被多数图像水印方法所使用。
二、水印图像水印图像具有法定标志，包括签名、印章、商标印记，是指经商标注册的商标的单色标记，这种标记无不简要精小具有明显的视别特征。因此要求水印图像小于原始图像，不但版面小，像素的信息量也小，二值化还能保持法定标志的鲜明特征，将二维像素矩阵转化为一维二值序列，这个序列提供三个部份AA加密部份w加密，B照明部份w纹理，C纹理部份w照明，即wn＝w加密+w纹理+w照度三、本发明的技术方法中是将原始图像的像素域转换成频率域，在频率域中嵌入水印序列，采用的频率域方法包括A、分块离散余弦变换DCT，将原始图像的像素域矩阵做8×8分块的离散余弦变换。
B、将8×8分块DCT后的每块计算平均照度x，虽然每块的平均照度系数x的计算也是已有技术，但在本方法中调整系数法及优选照度块中均被使用。
C、在频域块中利用ZigZag扫描排序，可分解出每个区域块内的不同频率。可顺序扫描出直流系数—交流低频系数—交流中频系数—交流高频系数的一维序列。
D、经过上述的分块和分解频率位，找到明确的块位，将水印序列按照平均照度x系数调整法优选嵌入后，再进行反离散余弦变换IDCT，将频域恢复成像素域的图像即成嵌入了水印后的原始图像，即水印化的图像。
四、所述的加密方法是用通过版权持有者的秘钥产生的伪随机数来选取频域分块离散余弦变换DCT的区域及块，其块数应与水印序列中加密部份w加密的个数相等，所选各个频域块，再经ZigZag扫描，分解各块中最前端的直流系数DC，将水印序列中的加密部份w加密，依次嵌入到所选各块的直流系数DC位置之中，进行系数调整，其嵌入的公式为x′＝x·(1+α1·w加密) (1)式中，x′和x分别表示调整后和调整前的平均照度系数值，α1为嵌入强度系数，一般为10-3数量级，w加密为水印序列中加密部份像素值。
五、纹理复杂区域块嵌入水印序列的方法是先将原始图像进行边缘检测，得到与原始图像尺寸相同的边缘图像，并将其8×8分块。各块内像素求和，得每块的像素和，设定一个阈值，其和大于阈值时的，则表明此处边缘数多，可以看作是纹理复杂区域，按序记录。此为优选嵌入块，逐次将所选各块进行分块DCT，再对所得频域块进行ZigZag扫描，将水印序列的纹理部份像素w纹理嵌入到每块的剩余低频系数位置，进行系数调整，其嵌入公式用公式(2)xi′＝xi+α2·x·w纹理(2)式中xi′和xi分别为修改前后的低频系数，α2为嵌入强度系数，一般为10-1数量级，w纹理为水印序列中纹理部份像素值，x为嵌入的DCT块中平均照度系数。
上述的边缘检测是采用著名的Canny算子法，该方法是提取梯度方向的极大值原理进行边缘检测，可以得到比较细微完整的边缘，其与原始图像版面相等的二值图像，其中的边缘为白，背景为黑，采用Canny方法所得到的图像细微完整。而且计算简单，为提供纹理复杂区测量作好了准备。
六、照度选区域块的嵌入方法在采用分块DCT分成8×8频域块并计算每块的平均照度x，将x系数按大小排列，其排列方法又分两种情况采用视觉判别图像中平滑区域照度的方法，当原始图像中平滑区域多为照度数大时，选择暗点进行嵌入，即亮中藏暗处，将x系数从小到大的顺序排列。先从暗点嵌入；当原始图像中平滑区域多为照度数较小时，将x系数从小到大的顺序排列，选择亮点进行嵌入，即暗中藏亮处。因此也称亮/暗排序。
经上述方法排列选块后。逐次将各频域块进行ZigZag扫描排序，并将水印序列的照度部份像素序列w照度嵌入到所选的交流低频系数位置，其公式为
xi′＝xi＋α2·x·w照度(2)式中xi′和xi分别为修改前后的低频系数，α2为嵌入强度系数，一般为10-1数量级，w照度为水印序列中照度部份像素序列值，x为嵌入的DCT块中的平均照度。
一但发现前面纹理已嵌入过的区域块不再重复嵌入，而向后顺延。
不论是秘钥选块的个数，照度选块的个数和纹理选块的个数均应与水印序列的个数相互调整和配合，因为频域ZigZag扫描排序产生的直流系数，只有一个，所以要求水印序列中加密部份个数与秘钥选块个数要相等，而交流低频系数较多，每一个区域照度和纹理所优选的块中，可以嵌入的水印序列的照度和纹理部份的像素，可以适当调整，嵌入个数可以是一个或几个不等，但都留有记录。
七、经过上述频域转换和水印嵌入之后，将在频域中按调整系数法修改后的频域矩阵，再做8×8分块反离散余弦变换IDCT，得到水印化图像。
八、当需要版权人提取认证或其它需要水印提取时，其提取水印的过程是嵌入水印的逆过程。其步骤如下A、选择提取区域块，按上述方法对原始图像进行加密、照度和纹理选块，确定了加密、照度按亮/暗排序和纹理复杂区域块；B、对水印化图像作分块离散余弦变换DCT；C、根据上述位置记录将所得的频域块经ZigZag扫描后按下式(3)、(4)提取；加密部分 照度和纹理部分 w纹理/照度＝(xi′-xi)/(α2·x)(4)式(3)、(4)是式(1)、(2)的逆运算。
D、将得到的序列重新转化为二维矩阵，再二值化得到水印图像。
用上述优选区域和块再优选频域位，然后用调整系数法将水印一维二值序列嵌入到原始图像中。效果本发明用于版权保护的图像水印方法，采用灰度矩阵处理，利用加密、照度和纹理复杂性三种方法选块，使计算量大大精减，而且择优选块，使用秘钥产生伪随机数选块，避免了保密用置乱和某种函数的复杂性。本算法基于分块离散余弦变换DCT，将二值图像水印序列嵌入到原始图像频域中的直流和低频分量，保证了其鲁棒性，而亮度区域和纹理复杂区域的选择则保证了不可见性，其中利用Canny算法来寻找纹理复杂区域相对较为简单，可以较快地完成嵌入和提取工作，总之，达到了相对简单、快捷、实用，我们经过了加噪、压缩、缩放、剪切常规处理的试验，均能提取出较为清晰，足以作为法律认证，具有法定特征的水印图像，提取水印后的原始图像也保存完好。
图2为频域ZigZag扫描示意图。
图3.1为原始图像。
图3.2为用Canny算法提取的边缘图像。
图4.1为水印化图像。
图4.2为水印图像。
图5.1为加噪图像。
图5.2为加噪后的水印图像。
图6.1为压缩图像。
图6.2为压缩后的水印图像。
图7.1为缩放图像。
图7.2为缩放后的水印图像。
图8.1为剪切图像。
图8.2为剪切后的水印图像。
图1中文字说明是因与计算机软件框图相类似，每个框内有的算法已是大的算法软件包还有些是图像和结果，因此不再标号。
现将图1中框图文字按流程加以解释原始图像为灰度图像则直接处理，若为彩色即RGB图像，只选蓝色分量。原始图像一路经8×8分块DCT，将像素矩阵变为频域矩阵，而且用的是分块离散余弦变换DCT，其后提取各块的平均照度x，另一路进入块选，块选有三种A密码，秘钥——伪随机发生器进入选块加密；B根据平均照度x以及图像平滑区域的照度视觉判别进行亮/暗排序，进入亮/暗块选也称照度选块；C是从原始图像——Canny算子进行边缘提取得到二值化的边缘图像(图31、32)白的为边缘，背景为黑，再经8×8普通分块，各块内像素求和，设定一阈值经判别器得纹理复杂区域(块)位置，像素大于某一阈值的块，既可认为是纹理复杂区，按序记录后进入块选。
经上述三种方法优选的频域块，即准备向块内嵌入水印，而且有法定标志的水印二值图像，将此二值像素矩阵转换为一维水印序列wn，而一维水印序列又分三个部份，既wn＝w加密+w纹理+w照度。此三部份分别嵌入到前述三种选块的块位当中，嵌入时还必须在所选得得频域块中使用ZigZag扫描之后，即可按顺序分解出直流系数——交流低频系数——交流中频系统——交流高频系数，其ZigZag扫描示意图排序为图2，从图中可以看出其扫描是沿频域矩阵的左上角和右下角为轴线，从左上角开始进行连续栅状斜扫，左上角1的位置是直流系数位置，2、3为交流低频系数位，……如此类推，水印序列中的加密序列均嵌入到加密选块中的直流系数DC位即图2中的1位，每块对应一个水印序列像素进行系数调整，而交流低频位不只一个，因此照度和纹理的水印序列，在其按顺序加入时，可以加入一个、二个、三个，由整个系数的匹配决定。本发明只加入到频域的直流位和交流低频部份，即符合人眼视觉特性，保证了鲁棒性，也使查找计算选取简单快速。加密水印序列的嵌入公式为x′＝x·(1+α1·w加密) (1)式中x′和x分别表示调整后和调整前的平均照度系数值，α1为嵌入强度系数，一般为10-3数量级左右，w加密为水印序列加密部份像素序列值，照度和纹理复杂区域嵌入水印序列使用公式(2)即
xi′＝xi+α2·x·w纹理/照度(2)xi′和xi分别为修改前后的低频系数，α2为嵌入强度系数，一般为10-1数量级，w纹理/照度为水印序列中纹理/照度部份像素序列值，x为嵌入的DCT块中的平均照度系数。
水印序列嵌入之后将被调整的频域矩阵进行反离散余弦变换IDCT得到水印化图像。
将水印化图像进行图像提取，是其嵌入的逆运算。
将水印化图像进行水印提取，是其嵌入的逆运算。其过程为A.选择提取区域块，按上述方法进行加密、照度和纹理选区域块，确定了加密、照度按亮/暗排序和纹理复杂区域块；B.对水印化图像做分块离散余弦变换DCT；C.根据上述区域块位置记录经频域zigzag扫描后C、根据上述位置记录经频域ZigZag扫描后按下式(3)、(4)提取；加密部分 照度和纹理部分 w纹理、/照度＝(xi′-xi)/(α2·x)(4)式(3)、(4)是式(1)、(2)的逆运算。w纹理/照度代表照度和纹理部分。
D、将得到的序列重新转化为二维矩阵，再二值化得到水印图像。举一实例根据上述算法编程对原始图像嵌入水印。原始图像为256×256的256级灰度图像(图3.1)，水印为40×40的二值图像(图4.2)。图3.2是通过canny算子得到的边缘图像。观察原始图像发现大部分平滑区域为亮点，故选择暗点区域进行嵌入。图4.1为水印化图像，嵌入低频系数的强度α2为0.1，嵌入DC系数的强度α1为0.006。可见本方法所产生的水印化图像(图4.1)与原始作品(图3.1)无明显的视觉差别。
因为通常情况下网络上的图像经过打印、复印、扫描等处理，会产生一些噪声。这里用高斯噪声来代替。图5.1为加噪后的水印化图像，方差为0.1。图5.2为提取的水印。由图5.2可见，本算法对噪声的抵抗性较强。
JPEG压缩是图像传输时经常会采取的压缩模式。图6.1是JPEG压缩后的水印化图像，压缩系数为10。图6.2是提取出的水印。由于算法是对低频系数进行调整，所以JPEG压缩虽然是有损压缩，但是影响的只是高频分量，所以对水印影响不大。
图7.1是对水印化图像做0.5-2的先缩后放，提取的水印(图7.2)仍然具有较大的可辨性。
图8.1和8.2分别是剪切后的水印化图像和提取出的水印图像。剪切的位置与水印图像的质量有很大的关联。当剪切了纹理区域和亮点区域时，必然会对提取的水印质量具有相当大的影响。
可见图像作品经过常见变换(加噪、JPEG压缩、缩放和剪切)后，仍能提取出说明版权的水印图像。
权利要求
1.用于版权保护的图像水印方法，其特征在于包括水印图像嵌入过程和水印图像提取过程两个部分，一、水印嵌入过程(1)、选定原始图像，原始图像是彩色图像时选取其中蓝色分量，是灰度图像时则直接进行处理；选定水印图像，水印图像是具有法定标志又比原始图像小的二值图像；(2)、将水印图像的二值像素矩阵转变为一维二值序列组，此水印序列组可分为加密部份w加密、照明部份w照明和纹理部份w纹理分别嵌入；(3)、对原始图像在像素域中做8×8像素大小分块，并将每一块做离散余弦变换DCT转换成频率域，以下面的三个规则确定需要嵌入水印图像的区域块，三个规则为A伪随机选块，B纹理选块，C照度选块；(4)、对伪随机选块、纹理选块、照度选块确定的频域块分别进行ZigZag扫描，扫描出直流系数—交流低频系数—交流中频系数—交流高频系数顺序的一维序列，将水印序列组的加密部份w加密嵌入到伪随机选块的直流系数位置，将纹理部份w纹理和照明部份w照明分别嵌入到纹理选块和照度选块所确定的区域块的低频系数位置；(5)、在频率域中嵌入水印序列后，将调整修改后的频域矩阵做8×8块反离散余弦变换IDCT转换至像素域，即得水印化图像；二、水印提取过程(1)、根据伪随机选块、照度选块和纹理选块规则确定嵌入了水印的区域块、位及个数；(2)、对水印化图像做8×8分块DCT；(3)、根据选块的位置记录，在频域块中提取水印，提取的公式为加密部分w加密＝(xi′-xi)/(α1·x)纹理和照度部分 (4)、将得到的序列重新转化为二维矩阵，再进行二值化得水印图像。
2.根据权利要求1所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征在于所述的原始图像在像素域中被分块，是采用分块离散余弦变换DCT分成8×8频域块。
3.根据权利要求1所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征是将水印序列组的加密部份w加密嵌入到伪随机选块的直流系数位置，是利用秘钥伪随机地确定选择频域块，其块数与水印序列组中加密部份个数相等，所选各块再经ZigZag扫描，分解所得序列中最前端的直流系数DC，即x，将水印序列中的加密部份w加密，依次嵌入到所选各块之中，进行系数调整，其嵌入公式为x′＝x·(1+α1·w加密)式中x′和x分别表示调整后与调整前的平均照度系数值，α1为嵌入强度系数，一般为10-3数量级，w加密为水印序列中用于加密的像素值。
4.根据权利要求1所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征是纹理选块，是先将原始图像进行边缘检测，得到与原始图像尺寸相同的边缘图像，将其8×8分块，各块内的像素值求和；设定一个阈值，其和大于阈值的，即表明此处边缘较多，可以看作是纹理复杂区域，按序记录，此为纹理优选嵌入块，将纹理部份w纹理嵌入到纹理选块确定区域块的低频系数位置是逐次将纹理优选嵌入块进行ZigZag扫描，将水印序列的纹理部份像素w纹理嵌入到每块的低频系数上，其嵌入公式为xi′＝xi+α2·x·w纹理式中xi′和xi分别为修改前后的低频系数，α2为嵌入强度系数，一般为10-1数量级，w纹理为水印序列中纹理部份像素值，x为嵌入的DCT块中平均照度系数。
5.根据权利要求4所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征在于原始图像的边缘检测，即采用的是著名的Canny边缘检测法，产生精细边缘图像。
6.根据权利要求1所述的所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征在于照度选块是计算各频域块的平均照度x，将x按数值大小排列，其排列又分两种情况，采用视觉判别图像平滑区域照度，当原始图像中平滑区域多为照度数大时，将x从小到大排序；当原始图像中平滑区域多为照度数小时，将x从大到小排序，确定优选块，将照明部份w照明嵌入到照度选块确定区域块的低频系数位置是逐次将各照度优选频域块进行ZigZag扫描，将水印序列的照度部份像素w照度嵌入到每块的低频系数位置，以调整系数，其公式为xi′＝xi+α2·x·w照度式中xi′和xi分别为修改前后的低频系数，α2为嵌入强度系数，一般为10-1数量级，w照度为水印序列中照度部份像素序列值，x为嵌入的DCT块中平均照度系数。当选取的块与纹理选块选取的块位置重合的话，就放弃该块，选择下一块继续进行。
7.根据权利要求1所述的用于版权保护的图像水印方法，其特征在于水印提取过程中利用秘钥来选取水印嵌入时加密的区域块位置；使用与权利要求4、5、6中相同的方法确定嵌入水印过程中纹理选块和照度选块得到的区域块位置。
全文摘要
本发明公开了一种用于版权保护的图像水印方法，水印嵌入过程主要包括将水印图像的二值像素矩阵转变为一维二值序列组，对原始图像在像素域中做8×8像素大小分块，并将每一块做离散余弦变换DCT转换成频率域，通过伪随机选块、纹理选块、照度选块确定需要嵌入水印图像的区域块，并对这些频域块分别进行ZigZag排序，将水印序列组的加密部份w
文档编号H04N5/913GK1455578SQ03113438
公开日2003年11月12日 申请日期2003年5月10日 优先权日2003年5月10日
发明者高隽, 曹薇 申请人:合肥工业大学