专利名称：基于路径搜索的数字水印嵌入和提取方法
技术领域：
本发明涉及一种基于路径搜索的数字水印嵌入和提取方法，是适用于数字图像产品的版权认证，防止非法拷贝的数字水印方法。
数字水印的设计要考虑到以下几个方面不可见性对于以模拟方式存储和分发的信息(如电视节目)，或是以物理形式存储的信息(如报刊、杂志)，用可见的标志就足以表明其所有权。但在数字方式下，标志信息极易被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型和几何特性，利用用户提供的密钥将水印隐藏到一系列随机产生的位置中，使人无法察觉。
鲁棒性水印必须对一般的信号处理操作(如噪化、剪切、增强、有失真压缩等)、删除攻击、迷惑攻击等具有鲁棒性。除非对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。
安全性即使水印算法公开，它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。
隐藏能力它是指在不影响图像质量的前提条件下，能加入水印的信息量。为了加入足够的版权信息来作为合法证据，水印算法应有合理的隐藏能力。
水印容量嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或是购买者的序列号。这样在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于标示违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。
现有的数字水印方法中，最低有效位算法Schyndel算法被认为是一种重要水印算法，它首先把一个密钥输入一个m-序列发生器来产生水印信号，然后此m-序列被重新排列成2维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图像灰度值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此也是不强壮的；虽然其有较大的信息隐藏量，但作为数字水印算法，该算法因其基本原理限制，所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，无法经受一些无损和有损的信号处理。
Patchwork算法是一种基于改变图像数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取N对象素点，然后通过增加象素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性，可以还把象素对扩展为小块的象素区域(如8x8)，通过增加一个区域中的所有象素点的亮度值而相应减少对应区域中所有象素点的亮度值的调整来隐藏信息。但该算法的隐藏能力比较低。
Jui-Cheng Yen在“Watermarks embedded in permuted domain.”(ElectronicsLetters，Volume37，pp.80-81，2001)中描述了一种水印算法，及其具体实现步骤，但是它具有很多局限性。首先，它的图像置乱方法不是很好，经过它的置乱方法，水印信息并没有分散到整个图像，而是大部分仍集中在图像的左上角，因此如果对这部分进行剪切操作，那么水印信息大部分都会失去，水印信息无法提出。再者，它的抗JPEG(Joint Photographic Experts Group)压缩标准的能力也不是很好，在40％压缩率下，提取的水印信息已基本无法确认。最后，它的抗噪声能力不强，在图像加入少量噪声后，水印信息无法认出。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于路径搜索的数字水印嵌入和提取方法，简单易行，对载体图像所遭到的攻击具有很好的抵抗能力，当加水印的图像受到攻击后，仍能基本恢复出原始水印。
为实现这样的目的，本发明的方法首先利用混沌映射的性质对原始图像进行置乱，然后在空间域中把水印信息嵌入到像素间的灰度关系中，根据比特信息的不同，修改不同像素集的灰度关系。提取时为了得到水印比特，相当于寻找像素集中相应像素，判定像素间的关系，只要它们满足嵌入时灰度关系准则，就可以提取出水印比特。水印嵌入可以使像素灰度间满足某种距离准则，它可以是最大距离准则，最小距离准则，或者是一个自定义的准则，提取时要用同一个设定准则。它实际上相当于像素集中每两个像素间有一条连接弧，在每条弧上赋予不同的权值，把信息比特序列映射为一条路径，修改这条路径的所有弧上的权值，使权值满足所要求的距离准则。搜索满足距离准则的路径方法有很多种，包括遍历搜索，Viterbi算法搜索，序列译码算法搜索，堆栈算法搜索等等。同样，也可以利用该方法把水印比特嵌入到变换域中，如傅立叶变换域，余弦变换域，小波变换域。对比于现在的算法，它具有很多优点，JPEG压缩，图像噪化都有很好的抵抗能力。
本发明的具体步骤包括1、根据混沌映射把原始载体图像置乱，这一步骤中可采用的方法很多，例如直接用混沌映射对整个图像进行整体置乱，或者用混沌序列产生的随机点对相互交换的方式都可以达到置乱目的；2、在置乱后的图像中嵌入数字水印信息比特。数字水印嵌入时，把置乱后的原始图像分块，找到每块的基准点根据水印比特修改特定方位的像素灰度值，使像素间的灰度关系满足某种事先定义的距离准则，然后把图像做置乱逆变换，得到嵌入水印的图像；水印嵌入可以使像素灰度之间满足某种距离准则，它可以是最大距离准则，最小距离准则，或者是一个自定义的准则。最后再把图像进行置乱逆变换，这样才能不影响原始图像信息，此时嵌入过程结束。
3、水印提取时，首先把收到的水印图像经过与嵌入相同的置乱方法作用，然后再分块，在每一块内找出基准点，从基准点出发搜索一条满足嵌入距离准则的路径，确定这条路径经过的像素点，根据它们的方位恢复出相应的数字水印比特；水印提取时要用与数字水印嵌入时同一个设定准则。它实际上相当于像素集中每两个像素间有一条连接弧，在每条弧上赋予不同的权值，把信息比特序列映射为一条路径，修改这条路径的所有弧上的权值，使权值满足所要求的距离准则。搜索满足距离准则的路径方法有很多种，包括遍历搜索，Viterbi算法搜索，序列译码算法搜索，堆栈算法搜索等等。同样，也可以利用该方法把水印比特嵌入到变换域中，如傅立叶变换域，余弦变换域，小波变换域。
4、利用提取的水印比特，组成出水印图像。
本发明利用混沌映射的性质对原始图像进行置乱，实验证明它的效果很好，并且复杂度不高，与传统的置乱方法相比，简单而易理解，并且采用全局置乱时速度很快。在数字水印嵌入时把水印信息嵌入像素间的关系中，从单个像素不能提取出任何水印比特，只能通过比较像素的关系提取水印比特，提取时，要求整条路径满足事先定义的最优距离，所以这条路径上某些点的灰度发生改变时也没有关系，具有一定的纠错能力。
本发明的方法简单易行，并且对原始图像基本上没有降质；它对载体图像所遭到的通常攻击具有很好的抵抗能力，特别对于剪切，高斯噪声，JPEG压缩，当加水印的图像受到攻击后，仍能基本恢复出原始水印。
本发明提出的新的图像水印嵌入和提取方法，特别适用于数字图像产品的版权认证，防止非法拷贝的数字水印方法，保护版权所有者的利益以及他们的知识产权。
图2(a)原始的“Lena”图，(b)水印图像，(c)嵌入水印后的“Lena”图；
图3(a)和(b)是JPEG压缩到55％和36％后，提取的水印图像；图4(a)(b)和(c)是加入PSNR＝40，PSNR＝37，PSNR＝34的高斯噪声后，提取的水印图像(PSNR就是峰值信噪比)。
本发明的方法主要包括图像置乱，添加水印和提取水印，如
图1所示。
在图像置乱过程，首先采用一个混沌序列对原始图像进行整体置乱，置乱需要由原始图像授权者的密钥(1)来控制，如果没有得到这个密钥，任何单位和个人都无法重复这个置乱过程。
在添加水印过程，首先把置乱后的原始图像分块，找出每块中心的坐标，选择其中的一个块，以中心为基准点，根据加密比特序列值的不同修改不同方向的相邻点，修改规则按照事先约定的距离准则，例如，可以定义这样的准则，如果加密比特序列是1，则修改基准点右方相邻的一个点，使它与基准点之间满足距离最小准则，如果加密比特序列是0，则修改基准点左方相邻的一个点，使它与基准点之间满足距离最小准则，下一步，如果加密比特序列是1，修改基准点上方的一个点，使它与上次修改的点之间的距离满足最小准则，如果加密序列是0，修改基准点下方的一个点，使它与上次修改的点之间的距离满足最小准则。与基准点距离为1的点修改完，再修改距离为2的点，与上述方法相同，直到修改的点到达分块的边界为止，这时选择另外的块按同样的方法加入水印。
添加加密水印图像也同样需要由原始图像授权者的密钥(2)控制。
添加加密水印的图像传输过程中，可能受到非法授权者的攻击。在图像接收时，需要采用与置乱原始图像时相同的方法进行图像置乱逆变换。
对应于水印提取过程，只要把相应各块的中心点取出，把距离最小的路径找出来，根据其与中心点的位置关系，就可以判决出水印。利用相同的方法，也可以一次添加两比特或者三比特加密水印，前者只需考虑与中心点相邻的四个方向，而后者考虑相邻的八个方向即可。最后再把置乱后图像恢复到原来的形式，这样就把水印信息散布到图像的各个部分。
在提取水印过程中，采用与添加水印过程相同的置乱方式，同时找到每块的基准点，根据嵌入水印的方法，找到满足距离准则的一系列像素，判定方向，找到嵌入比特。
首先把图像进行全局置乱，采用如下Logistic映射xn+1＝μxn(1-xn) 0＜xn＜1当μ＝3.9时，并恰当选取初值x0＝0.8(密钥)，产生的数列xn具有混沌特性。舍弃前9个值，从第10个值开始，每个值用二进制展开，取前36个比特，每9个比特组成一个整数，这样形成4个整数，把前两个整数对应的行进行交换，后两个整数对应的列进行交换，如此重复1000次。把二维水印图变成一个比特流b(i)。再把图像分成16×16像素块，设每块的中心点为左上角开始向右和向下移动7个像素，记为(pj，qj)采用前面所述的实施过程，从第一个块开始添加加密水印比特，具体算法如下取第一块作为例子，假设dxy＝f(x，y)(mod32)，这里要求0≤dxy＜32，定义floor(f(x，y)，c)为floor(f(x，y)，c)＝f(x，y)+c-dxya)修改中心点的灰度值fnew(p1，q1)＝floor(f(p1，q1)，24)b)按下面的规则依次沿着横纵坐标修改像素灰度值当i为偶数时，如果b(i)＝1，fnew(p1+1+i2,q1)=floor(f(p1+1+i2,q1),24)]]>fnew(p1+1+i2,q1)=floor(f(p1+1+i2,q1),16)]]>否则fnew(p1+1+i2,q1)=floor(f(p1+1+i2,q1),24)]]>fnew(p1+1+i2,q1)=floor(f(p1+1+i2,q1),16)]]>然后i＝i+1.c)当i为奇数时，如果b(i)＝1，fnew(p1,q1+i2)=floor(f(p1,q1+i2),24)]]>fnew(p1,q1-i2)=floor(f(p1,q1-i2,q1),0)]]>否则fnew(p1,q1-i2)=floor(f(p1,q1-i2),24)]]>fnew(p1,q1+i2)=floor(f(p1,q1+i2),0)]]>然后 i＝i+1.
重复上面各步骤，直到修改到块的边界为止。依次选取其它块也按同样的方法添加剩余水印比特。最后把图像进行置乱逆变换，形成图2.c。
提取过程中，采用与嵌入时相同的置乱方法和分块方式，然后找到基准点，判定四个方向的各点，按照最小距离准则求出一条最优路径，该路径上的每个点所对应的方向就对应一个水印比特，如此重复直到提取完全部水印比特。
经过压缩到55％和36％的JPEG攻击后，提取的水印图像，见图3.a和3.b，在经过PSNR＝40，PSNR＝37，PSNR＝34高斯噪声攻击后，提取的水印图像，分别为图4.a、4.b和4.c，从中我们仍可以辨别出水印所包含的信息。
权利要求
1.一种基于路径搜索的数字水印嵌入和提取方法，其特征包括如下步骤1)根据混沌映射把原始载体图像置乱；2)在置乱后的图像中嵌入数字水印信息比特，数字水印嵌入时，把置乱后的原始图像分块，找到每块的基准点根据水印比特修改特定方位的像素灰度值，使像素间的灰度关系满足某种事先定义的距离准则，然后把图像做置乱逆变换，得到嵌入水印的图像；3)水印提取时，首先对收到的图像采用与嵌入阶段相同的置乱方式加以处理，然后再分块，在每一块内找出基准点，从基准点出发搜索一条满足嵌入距离准则的路径，确定这条路径经过的像素，根据它们的方位恢复出相应的数字水印比特；4)利用提取的水印比特，形成水印图像。
全文摘要
一种基于路径搜索的数字水印嵌入和提取方法，根据混沌映射把原始载体图像置乱后嵌入数字水印信息比特，数字水印嵌入时，把置乱后的原始图像分块，找到每块的基准点根据水印比特修改特定方位的像素灰度值，使像素间的灰度关系满足事先定义的距离准则，对图像进行置乱逆变换得到嵌入水印的图像，水印提取时采用与嵌入时相同的置乱和分块方式，从每一块内找到的基准点出发搜索满足嵌入距离准则的路径，根据这条路径经过的像素方位恢复出相应的数字水印比特，再重新组成水印图像。本发明的方法简单易行，对载体图像所遭到的攻击具有很好的抵抗能力，特别对于剪切，高斯噪声，JPEG压缩，当加水印的图像受到攻击后，仍能基本恢复出原始水印。
文档编号H04N5/913GK1440196SQ03116159
公开日2003年9月3日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者何晨, 冯国瑞, 蒋铃鸽, 王东建 申请人:上海交通大学