專利名稱：一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入和檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像水印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入和檢測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展在許多方面改變了人們的生活。人們的很多創(chuàng)作與生產(chǎn)的成果都以數(shù)字的方式存儲(chǔ)和傳輸。基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的多媒體信息交換為數(shù)字作品的使用、傳播提供了便利的途徑，使數(shù)字作品與傳統(tǒng)作品相比有很大的優(yōu)越性。然而，數(shù)字作品極易被非法拷貝和復(fù)制，盜版已成為數(shù)字化產(chǎn)業(yè)最大的威脅。對(duì)數(shù)字媒體版權(quán)所有者來(lái)說(shuō)，版權(quán)保護(hù)的要求迫在眉睫。而數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)不僅是一個(gè)立法的問(wèn)題，也是一個(gè)很重要的技術(shù)課題。
數(shù)字水印技術(shù)為解決開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)上的版權(quán)保護(hù)、來(lái)源認(rèn)證、篡改認(rèn)證、網(wǎng)上發(fā)行、用戶跟蹤等一系列問(wèn)題提供了嶄新的解決思路。數(shù)字水印技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且只有通過(guò)專用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。
利用數(shù)字圖像水印技術(shù)把圖像擁有者的所有權(quán)信息嵌入到數(shù)字圖像作品中可以有效地保護(hù)作品的版權(quán)，尤其是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下這種保護(hù)顯得尤為重要。衡量數(shù)字圖像水印技術(shù)先進(jìn)可靠的標(biāo)準(zhǔn)是能否抵抗各種攻擊。目前已經(jīng)提出的數(shù)字圖像水印處理技術(shù)，大多數(shù)對(duì)于縮放、剪切、旋轉(zhuǎn)、拉伸、扭曲等幾何攻擊無(wú)能為力，因?yàn)檫@種攻擊破壞了水印檢測(cè)時(shí)候所需的同步信息，所以幾何攻擊被認(rèn)為是數(shù)字水印技術(shù)走上商用的瓶頸，另外圖像經(jīng)過(guò)打印-掃描這種D/A-A/D轉(zhuǎn)換之后，再進(jìn)行水印提取的難度也很大。
現(xiàn)有技術(shù)中，擴(kuò)譜技術(shù)首先是由Tirkel認(rèn)識(shí)到可以應(yīng)用到數(shù)字水印技術(shù)中的，而這類嵌入策略的典型代表則是Cox等人在文獻(xiàn)“Cox I J，Kilian J，Leighton T，and Shamoon T.Secure spread spectrum watermarking formultimedia.IEEE Trans.on Imagc Proccssing，1997，6(12)1673-1687”中提出的擴(kuò)頻水印算法，該算法通過(guò)改變?cè)紙D像DCT系數(shù)來(lái)完成滿足高斯分布的水印信息的嵌入，但是該方法只能嵌入一個(gè)比特而且檢測(cè)的時(shí)候需要原始圖像，同時(shí)也不能夠抵抗幾何攻擊。Kutter在文獻(xiàn)“Kutter M.Watermarkingresisting to translation，rotation and scaling.Proc.SPIE Int.Symp.on voice，Video，and Data Communication，November 1998，vol.3528，pp.423-431”中首次提出了使用自相關(guān)函數(shù)來(lái)判斷仿射變換的思想雛形，他將水印在圖像的不同位置嵌入四次，檢測(cè)的時(shí)候用十字形濾波器進(jìn)行水印預(yù)測(cè)，然后計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)，根據(jù)九個(gè)峰值點(diǎn)的位置判斷縮放、平移、旋轉(zhuǎn)參數(shù)，但是該方法無(wú)法抵抗翻轉(zhuǎn)攻擊，并且沒(méi)有考慮人眼視覺(jué)系統(tǒng)特性，在所有嵌入?yún)^(qū)域均以同樣的強(qiáng)度進(jìn)行水印嵌入。Voloshynovskiy等人在文獻(xiàn)“Voloshynovskiy S，Deguillaume F and Pun T.Content adaptivewatermarking based on a stochastic multiresolution image modeling.EUSIPCO2000，European Signal Processing Conference，Tampere，F(xiàn)inland，September 2000”中基于圖像去噪理論提出了一種掩蔽效應(yīng)模型——噪聲可見(jiàn)度函數(shù)NVF(Noise Visibility Function)，利用該模型他們將水印以不同的強(qiáng)度嵌入圖像不同的區(qū)域中，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)嵌入。本發(fā)明也通過(guò)圖像的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)控制水印在圖像不同區(qū)域的強(qiáng)度。Op De Beeck等人在專利文獻(xiàn)“Op DeBeeck et al.Method and apparatus for detecting a watermark in amanipulated image.United States Patent，No.US 6671388 B1.”中提出了一種水印的檢測(cè)方法及裝置，作者稱該檢測(cè)方法能夠抵抗諸如放縮、旋轉(zhuǎn)、拉伸等幾何攻擊，但是它對(duì)鏡像攻擊則無(wú)能為力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入和檢測(cè)方法及裝置。用該方法及裝置嵌入數(shù)字水印之后的數(shù)字圖像，即使經(jīng)過(guò)縮放、旋轉(zhuǎn)、剪切、翻轉(zhuǎn)、平移、鏡像、打印-掃描等圖像處理操作后，通過(guò)周期水印的自相關(guān)特征，能夠計(jì)算變換參數(shù)并從恢復(fù)圖像中正確提取水印數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像作品的版權(quán)保護(hù)功能。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下步驟進(jìn)行的。利用由密鑰控制的偽隨機(jī)序列對(duì)比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制信號(hào)相加，然后構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印，最后根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)周期性地自適應(yīng)嵌入原始數(shù)字圖像中。當(dāng)需要驗(yàn)證數(shù)字圖像作品的版權(quán)時(shí)，并不需要原始圖像參與，首先預(yù)測(cè)周期水印并計(jì)算周期水印的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的峰值組成的柵格結(jié)構(gòu)判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換并恢復(fù)圖像；從恢復(fù)圖像中再次預(yù)測(cè)水印，利用與嵌入端相同的密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，并按照與嵌入端相同的規(guī)則構(gòu)造為軸對(duì)稱的信號(hào)，解調(diào)預(yù)測(cè)的水印得到二進(jìn)制碼字，從而提出版權(quán)信息。
本發(fā)明包括嵌入數(shù)字水印和檢測(cè)數(shù)字水印兩大部分。嵌入數(shù)字水印方法及裝置包括將數(shù)據(jù)調(diào)制，然后將調(diào)制之后的信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印并將其周期性地自適應(yīng)嵌入數(shù)字圖像。檢測(cè)數(shù)字水印的方法及裝置包括預(yù)測(cè)水印并計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)，利用自相關(guān)函數(shù)局部峰值的坐標(biāo)判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)恢復(fù)圖像。最后從恢復(fù)圖像中預(yù)測(cè)水印，通過(guò)解調(diào)之后提取出數(shù)據(jù)。現(xiàn)詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的第一方面提供了這樣一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入的方法，包括下面三個(gè)步驟第一步是擴(kuò)譜調(diào)制利用密鑰產(chǎn)生一個(gè)由偽隨機(jī)序列構(gòu)成的集合，集合的元素?cái)?shù)量與比特流的比特?cái)?shù)量相同，偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度根據(jù)對(duì)魯棒性的要求而定。用偽隨機(jī)序列調(diào)制相應(yīng)的比特，形成新的偽隨機(jī)序列集合，然后將集合內(nèi)所有的偽隨機(jī)序列相加得到最后的偽隨機(jī)序列。
第二步是構(gòu)造軸對(duì)稱的水印信號(hào)將得到的偽隨機(jī)序列重新排列形成一個(gè)二維子塊，子塊以四個(gè)邊的任意一個(gè)為軸翻轉(zhuǎn)，將兩個(gè)子塊排列在一起形成一個(gè)軸對(duì)稱的宏塊，該宏塊可以為左右對(duì)稱、上下對(duì)稱。然后根據(jù)圖像大小將宏塊平鋪，得到一個(gè)與原始圖像大小相同的周期性水印，最后通過(guò)限幅器對(duì)周期性水印進(jìn)行限幅。其中通過(guò)限幅器限幅也可以在本步驟開(kāi)始時(shí)進(jìn)行，對(duì)得到的偽隨機(jī)序列通過(guò)限幅器進(jìn)行限幅。
第三步是根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)，把上述構(gòu)造的水印周期性地自適應(yīng)嵌入原始數(shù)字圖像中首先計(jì)算原始數(shù)字圖像每個(gè)分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)，設(shè)置一個(gè)對(duì)比靈敏度的初始值，將原始圖像分量的數(shù)據(jù)存入一個(gè)二維數(shù)組，用某個(gè)尺寸的小窗口順序掃描二維數(shù)組，計(jì)算每個(gè)窗口內(nèi)的方差將其存入另一個(gè)二維數(shù)組并且找出最大的方差值，用對(duì)比靈敏度初始值除以最大的方差值得到一個(gè)調(diào)整參數(shù)，調(diào)整參數(shù)與方差的乘積加一，取倒數(shù)得到的值變?yōu)樵摲至康脑肼暱梢?jiàn)度函數(shù)(NVF)。然后將周期水印自適應(yīng)地嵌入數(shù)字圖像，原始圖像各個(gè)分量的NVF值乘以周期水印的值，然后分別加到原始圖像各個(gè)分量的數(shù)值上，在此過(guò)程中水印的強(qiáng)度根據(jù)魯棒性和不可見(jiàn)性的要求可以設(shè)定。
本發(fā)明的第二方面提供了這樣一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)的方法，包括下面五個(gè)步驟第一步是預(yù)測(cè)周期水印對(duì)數(shù)字圖像通過(guò)濾波的方法得到一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)與其自身的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)的乘積，作為周期水印的預(yù)測(cè)值。
第二步是判斷仿射變換并恢復(fù)圖像計(jì)算周期水印預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)，將自相關(guān)函數(shù)的值映射為屬于某個(gè)值域的數(shù)據(jù)(如圖像值域0-255)，利用特定形狀(如十字、交叉等)濾波的方法獲得自相關(guān)函數(shù)的局部峰值，根據(jù)局部峰值的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的柵格結(jié)構(gòu)計(jì)算圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)，根據(jù)參數(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行逆變換得到恢復(fù)圖像，如果沒(méi)有規(guī)則的局部峰值，則說(shuō)明該圖像中不含水印，無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行下列步驟。
第三步是再次預(yù)測(cè)水印對(duì)恢復(fù)的數(shù)字圖像再次按照第一步的方法得到周期水印的預(yù)測(cè)值。
第四步是判斷從第三步得到預(yù)測(cè)值中是否存在水印利用與嵌入端相同的密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列集合，根據(jù)嵌入端的構(gòu)造原則，將標(biāo)志比特對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列構(gòu)造為軸對(duì)稱的二維宏塊，計(jì)算宏塊與周期水印預(yù)測(cè)值的互相關(guān)函數(shù)；將互相關(guān)函數(shù)的極值，與事先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果大于閾值說(shuō)明存在水印，進(jìn)行第五步；如果小于閾值，說(shuō)明圖像中不含水印，無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行下列步驟。
第五步是從第三步得到的預(yù)測(cè)水印中提取數(shù)據(jù)根據(jù)嵌入端的構(gòu)造原則，將其他偽隨機(jī)序列分別構(gòu)造為軸對(duì)稱的二維宏塊，計(jì)算二維宏塊與周期水印預(yù)測(cè)值的互相關(guān)函數(shù)；求互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值的最大值，根據(jù)絕對(duì)值最大的互相關(guān)函數(shù)值與事先設(shè)定的閾值比較，判斷水印比特。
本發(fā)明的第三方面提供了這樣一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印的嵌入裝置，該嵌入裝置備有利用偽隨機(jī)序列對(duì)比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)譜調(diào)制的調(diào)制裝置；將調(diào)制信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印的構(gòu)造裝置；根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)，把構(gòu)造的水印周期性地自適應(yīng)埋入原始數(shù)字圖像中的埋入裝置。其中調(diào)制裝置包括能夠產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行疊加的疊加裝置。構(gòu)造裝置包括對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行限幅的限幅器。以及插入在上述構(gòu)造裝置和上述埋入裝置之間的計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置。
本發(fā)明的第四方面提供了這樣一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印的檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置備有用來(lái)從數(shù)字圖像中預(yù)測(cè)周期水印的水印預(yù)測(cè)裝置；用來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)，判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)并恢復(fù)圖像的圖像校正裝置；根據(jù)與嵌入端同樣的密鑰產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列集合，按照跟嵌入端同樣的規(guī)則構(gòu)造軸對(duì)稱的二維宏塊，解調(diào)預(yù)測(cè)的周期水印，得到水印數(shù)據(jù)的解調(diào)裝置。其中水印預(yù)測(cè)裝置還備有預(yù)測(cè)周期水印的濾波器和計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置；圖像校正裝置包括計(jì)算周期水印預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算裝置和獲得自相關(guān)函數(shù)的局部峰值的濾波器。解調(diào)裝置中還備有能夠利用密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，將偽隨機(jī)信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的二維宏塊的構(gòu)造裝置，根據(jù)軸對(duì)稱的二維宏塊與預(yù)測(cè)的周期水印的互相關(guān)的值，判斷水印比特的匹配濾波器。
本發(fā)明“一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印的嵌入和檢測(cè)的方法及裝置”的效果如下1.本發(fā)明采用了軸對(duì)稱的周期性水印嵌入技術(shù)，可以有效地消除仿射變換、剪切、翻轉(zhuǎn)、鏡像等幾何攻擊所帶來(lái)的影響，為檢測(cè)水印提供了可靠的同步信息。
2.由于本發(fā)明采用了擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)、糾錯(cuò)碼技術(shù)，即使在圖像經(jīng)歷了某些圖像處理操作，仍然可以準(zhǔn)確地提取數(shù)據(jù)，為數(shù)字水印的魯棒性提供了很好的保證。
本發(fā)明之所以具有上述效果，主要是因?yàn)楸景l(fā)明中的數(shù)字圖像水印技術(shù)利用周期性水印自相關(guān)函數(shù)的峰值組成的柵格結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出與水印同樣的周期性這一特點(diǎn)，能夠重新找到同步信息，從而有效地消除上述幾何攻擊帶來(lái)的影響；另外本發(fā)明利用擴(kuò)譜水印技術(shù)增強(qiáng)水印的魯棒性，利用特定形狀的濾波器快速準(zhǔn)確地定位預(yù)測(cè)水印自相關(guān)函數(shù)的局部峰值位置。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2a給出了軸對(duì)稱水印的三種形狀；圖2b是本發(fā)明構(gòu)造軸對(duì)稱周期水印的流程圖；圖2c是本發(fā)明例子構(gòu)造的周期水印；圖3a是嵌入水印之前的lena圖像；圖3b是圖3a的紅色分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)圖；圖4是嵌入圖2b所示周期水印之后的lena圖像；圖5是周期水印在仿射變換前后自相關(guān)函數(shù)的峰值變化示意圖；圖6是圖4經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)之后的圖像；圖7是從圖6中提取的峰值位置示意圖；圖8是圖6的恢復(fù)圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，并請(qǐng)參閱附圖。圖1是表示一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入和檢測(cè)的方法及裝置的流程圖，其中分為嵌入數(shù)字水印和檢測(cè)數(shù)字水印兩部分。
嵌入裝置的結(jié)構(gòu)包括利用偽隨機(jī)序列對(duì)比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)譜調(diào)制的調(diào)制裝置；將調(diào)制信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印的構(gòu)造裝置；根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)，把構(gòu)造的水印周期性地自適應(yīng)埋入原始數(shù)字圖像中的埋入裝置。其中調(diào)制裝置包括能夠通過(guò)將原始比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，然后在碼字前面加上用來(lái)在檢測(cè)的時(shí)候能夠快速判斷圖像中是否含有水印的一個(gè)標(biāo)志比特的編碼器，能夠?qū)螛O性碼字變?yōu)殡p極性碼字的轉(zhuǎn)換器，能夠產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，以及對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行疊加的疊加裝置。構(gòu)造裝置包括對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行限幅的限幅器，以及插入在上述構(gòu)造裝置和上述埋入裝置之間的計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置。
通過(guò)嵌入裝置將數(shù)字水印嵌入原始圖像中的操作步驟如下首先，利用BCH糾錯(cuò)碼技術(shù)通過(guò)編碼器將多比特二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼并且在碼字前面加上一個(gè)標(biāo)志比特1，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換器將單極性糾錯(cuò)碼字變?yōu)殡p極性碼字；第二步，通過(guò)偽隨機(jī)發(fā)生器利用密鑰產(chǎn)生一個(gè)由偽隨機(jī)序列構(gòu)成的集合，利用調(diào)制裝置調(diào)制對(duì)應(yīng)的雙極性碼字，然后通過(guò)疊加器將所有的調(diào)制信號(hào)序列相加得到最后的偽隨機(jī)序列；第三步，通過(guò)構(gòu)造裝置將得到的偽隨機(jī)序列重新排列形成一個(gè)二維子塊，子塊以四個(gè)邊的任意一個(gè)為軸翻轉(zhuǎn)，將兩個(gè)子塊排列在一起形成一個(gè)軸對(duì)稱的宏塊，該宏塊可以為左右對(duì)稱、上下對(duì)稱，或者將兩個(gè)字塊作為整體，再翻轉(zhuǎn)一次構(gòu)造為既左右對(duì)稱又上下對(duì)稱的宏塊，如圖2a所示(在本實(shí)施例中我們使用了既左右對(duì)稱又上下對(duì)稱的宏塊)，然后根據(jù)圖像大小將宏塊平鋪開(kāi)來(lái)得到周期性水印，最后通過(guò)限幅器對(duì)周期性水印進(jìn)行限幅；第四步，通過(guò)計(jì)算裝置計(jì)算原始數(shù)字圖像每個(gè)分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)，用于控制在圖像不同區(qū)域水印的嵌入強(qiáng)度；第五步，通過(guò)埋入裝置將周期水印自適應(yīng)地嵌入數(shù)字圖像。
檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)包括用來(lái)從數(shù)字圖像中預(yù)測(cè)周期水印的水印預(yù)測(cè)裝置；用來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)，判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)并恢復(fù)圖像的圖像校正裝置；根據(jù)與嵌入端同樣的密鑰產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列集合，按照跟嵌入端同樣的規(guī)則構(gòu)造軸對(duì)稱的二維宏塊，解調(diào)預(yù)測(cè)的周期水印，得到水印數(shù)據(jù)的解調(diào)裝置。其中水印預(yù)測(cè)裝置還備有預(yù)測(cè)周期水印的濾波器和計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置；圖像校正裝置包括計(jì)算周期水印預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算裝置和獲得自相關(guān)函數(shù)的局部峰值的濾波器。解調(diào)裝置中還備有能夠利用密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，將偽隨機(jī)信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的二維宏塊的構(gòu)造裝置，根據(jù)軸對(duì)稱的二維宏塊與預(yù)測(cè)的周期水印的互相關(guān)的值，判斷水印比特的匹配濾波器。
通過(guò)檢測(cè)裝置將數(shù)字水印從數(shù)字圖像中檢測(cè)的操作步驟如下第一步，通過(guò)水印預(yù)測(cè)裝置，利用濾波器對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行低通濾波，得到一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)與通過(guò)計(jì)算裝置得到的該信號(hào)的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)的乘積，即為周期性水印的預(yù)測(cè)值；第二步，通過(guò)圖像校正裝置，讓計(jì)算裝置利用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算周期水印的自相關(guān)函數(shù)，獲取圖像經(jīng)歷的變換參數(shù)將自相關(guān)函數(shù)值的范圍映射到0-255，然后通過(guò)濾波裝置利用圖像處理的方法提取局部峰值；之后利用統(tǒng)計(jì)的方法，獲取峰值之間的距離和角度，并且與嵌入時(shí)候設(shè)置的距離和角度對(duì)比，從而獲取數(shù)字圖像經(jīng)歷的仿射變換的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行逆變換恢復(fù)圖像；第三步，利用第一步的方法和裝置處理恢復(fù)圖像再次得到預(yù)測(cè)周期水印；第四步，通過(guò)解調(diào)裝置利用標(biāo)志比特密鑰對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列判斷恢復(fù)圖像中是否含有標(biāo)志比特，從而判斷是否存在水印；第五步通過(guò)解調(diào)裝置，利用根據(jù)密鑰產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列集合，按照跟嵌入端同樣的規(guī)則構(gòu)造軸對(duì)稱的宏塊，解調(diào)周期水印得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)；第六步通過(guò)糾錯(cuò)碼譯碼器利用BCH譯碼技術(shù)提取原始水印數(shù)據(jù)。
以上每步步驟的作用效果參見(jiàn)附表1和附表2。
表1嵌入數(shù)字水印方法各步驟作用


表2檢測(cè)數(shù)字水印方法的各步驟作用

圖2b是構(gòu)造軸對(duì)稱水印的流程圖。
圖2c是由標(biāo)志比特1和數(shù)據(jù)“12345”按照?qǐng)D2的流程構(gòu)造的周期水印。
圖3a是選擇的原始RGB圖像lena；圖3b是圖像lena紅色分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)NVF。
圖4是嵌入圖2b所示的周期水印之后的RGB圖像lena。
首先，讀取圖像Lena的顏色值，取出R、G、B三個(gè)分量，在三個(gè)二維數(shù)組中存儲(chǔ)。分別計(jì)算三個(gè)分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)。然后將圖2b所示的周期水印分別隱藏在圖3a所示的lena圖像中。在三個(gè)分量中加性嵌入水印的公式為R′＝R+(1-NVF(R))·α+NVF(R)·βG′＝G+(1-NVF(G))·α+NVF(G)·βB′＝B+(1-NVF(B))·α+NVF(B)·β其中α，β表示水印在圖像中的嵌入強(qiáng)度；具體的數(shù)字水印嵌入算法的詳細(xì)操作步驟如下第一步，將數(shù)據(jù)“12345”編碼為二進(jìn)制“0011 0000 0011 1001”；利用BCH糾錯(cuò)編碼后得到單極性碼字“xxxxx”。
第二步，單極性碼前面加上一個(gè)標(biāo)志比特1，形成碼字“1 xxxxx”，然后將所有的0映射為-1，得到雙極性碼字“1 xxxxx”。
第三步，根據(jù)雙極性碼字的數(shù)量，用密鑰產(chǎn)生同樣數(shù)量的相互獨(dú)立的偽隨機(jī)序列并且與雙極性碼字相乘，序列長(zhǎng)度我們選擇為1024，數(shù)據(jù)服從均勻分布，均值為0；最后將所有的序列相加，形成一個(gè)含有所有碼字信息的一維信號(hào)。
第四步，將長(zhǎng)度為1024的一維信號(hào)排列為32*32的二維數(shù)據(jù)塊，然后把數(shù)據(jù)塊分別沿右邊緣、下邊緣、右下角進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將四個(gè)二維數(shù)據(jù)塊放入一個(gè)64*64的二維數(shù)組，形成軸對(duì)稱的宏塊。
第五步，讀入圖像Lena的大小為512*512，將得到的宏塊平鋪開(kāi)來(lái)，形成512*512的周期水印數(shù)組。
第六步，讀入圖像Lena的顏色值，并且提出RGB三個(gè)分量，分別計(jì)算Lena圖像R、G、B分量的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)NVF，計(jì)算中我們用的小窗口大小為3*3，對(duì)比靈敏度初始值設(shè)置為150。
第七步，將周期水印按照嵌入公式分別嵌入到圖像的RGB三個(gè)分量，然后將三個(gè)分量合成RGB圖像，形成加水印的Lena圖像。
圖5是周期水印的自相關(guān)函數(shù)及其經(jīng)過(guò)仿射變換之后的自相關(guān)函數(shù)的峰值組成的柵格結(jié)構(gòu)的變化示意圖。這種變換在圖像處理過(guò)程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生，但是很多水印算法對(duì)這種變換無(wú)能為力，因?yàn)檫@種變換破壞了同步信息。本發(fā)明從圖像中檢測(cè)水印之前，同樣必須先尋找檢測(cè)水印所需要的同步信息。嵌入的水印是周期性的，是以軸對(duì)稱的，因此橫向和縱向都是周期性的，從數(shù)學(xué)上很容易得出，周期水印自相關(guān)函數(shù)的局部峰值具有與周期水印同樣的周期，即局部峰值在橫向和縱向上亦呈周期出現(xiàn)，同時(shí)，周期水印即使經(jīng)過(guò)仿射變換，其自相關(guān)函數(shù)的峰值位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。正是利用以軸對(duì)稱的周期信號(hào)的這一特點(diǎn)來(lái)取得檢測(cè)水印所需的同步信息。
圖6是圖像經(jīng)過(guò)仿射變換的一個(gè)例子，由圖4經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)20度之后形成的圖像。從圖6中提取水印，首先預(yù)測(cè)周期水印，計(jì)算預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)。這里根據(jù)信號(hào)的傅立葉幅度譜與其自相關(guān)函數(shù)是一對(duì)傅立葉變換對(duì)，利用快速傅立葉變換計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)。公式為ACF(W)＝IFFT(|FFT(W)|2)將自相關(guān)函數(shù)值的范圍映射到0-255之間，生成一幅灰度圖像。利用圖像處理的方法提取其中的局部峰值，計(jì)算峰值之間的距離和角度，得出仿射變換參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行逆變換恢復(fù)圖像。具體的恢復(fù)圖像的操作步驟如下第一步，首先預(yù)測(cè)周期水印，讀入圖6所示的數(shù)字圖像，分別提出RGB三個(gè)顏色分量，對(duì)每個(gè)分量采用窗口大小為3*3的均值濾波，用原來(lái)的像素值減去濾波后的像素值，得到三個(gè)水印塊，將三者相加之后存為一個(gè)二維數(shù)組。
第二步，計(jì)算二維數(shù)組的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)，計(jì)算過(guò)程中使用的小窗口尺寸為3*3，對(duì)比靈敏度初始值仍設(shè)為150。將噪聲可見(jiàn)度函數(shù)的值與二維數(shù)組的值對(duì)應(yīng)相乘，得到預(yù)測(cè)水印，存為二維數(shù)組。
第三步，計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)水印先按照行的順序進(jìn)行FFT變換，然后按照列的順序進(jìn)行FFT變換，然后對(duì)FFT系數(shù)取絕對(duì)值并平方，存為二維數(shù)組；對(duì)該數(shù)組先按照行的順序進(jìn)行IFFT變換，然后按照列的順序進(jìn)行IFFT變換，然后對(duì)變換后的數(shù)值取絕對(duì)值，得到自相關(guān)函數(shù)。
第四步，求出自相關(guān)函數(shù)值的最小值和最大值，令最小值為0，最大值為255，將其他值映射到0-255之間，生成一幅8bit灰度圖像；然后用特定窗口掃描圖像，獲取局部峰值的位置，如果該點(diǎn)為局部峰值，值設(shè)為1，否則為0，得到一幅二值圖像。
第五步，統(tǒng)計(jì)二值圖像中的非零點(diǎn)相互之間的距離，找出數(shù)量最多的距離值，該值除以64即為圖像改變的倍數(shù)，兩個(gè)局部峰值連線的角度就是圖像被旋轉(zhuǎn)的角度，根據(jù)兩者便可恢復(fù)圖像。
圖7是從圖6中提取的局部峰值組成的柵格結(jié)構(gòu)圖。
圖8是根據(jù)從圖7中得到的參數(shù)恢復(fù)的圖像。
恢復(fù)圖像之后，便可以進(jìn)行水印提取操作，具體從恢復(fù)圖像中提取數(shù)據(jù)的操作步驟如下
第一步，首先預(yù)測(cè)周期水印，讀入恢復(fù)的數(shù)字圖像，分別提出RGB三個(gè)顏色分量，對(duì)每個(gè)分量采用窗口大小為3*3的均值濾波，用原來(lái)的像素值減去濾波后的像素值，得到三個(gè)水印塊，將三者相加之后存為一個(gè)二維數(shù)組。
第二步，計(jì)算二維數(shù)組的噪聲可見(jiàn)度函數(shù)，計(jì)算過(guò)程中使用的小窗口尺寸為3*3，對(duì)比靈敏度初始值仍設(shè)為150；將噪聲可見(jiàn)度函數(shù)的值與二維數(shù)組的值對(duì)應(yīng)相乘，得到預(yù)測(cè)水印。
第三步，利用密鑰產(chǎn)生x個(gè)偽隨機(jī)序列，將標(biāo)志比特對(duì)應(yīng)的序列構(gòu)造為軸對(duì)稱的宏塊，計(jì)算宏塊與預(yù)測(cè)水印的互相關(guān)，如果互相關(guān)最大值與64×64大小的水印能量開(kāi)方的比值大于2，說(shuō)明水印存在；否則不存在，退出。
第四步，將其他序列構(gòu)造為軸對(duì)稱的宏塊，分別計(jì)算宏塊與預(yù)測(cè)水印的互相關(guān)，并求互相關(guān)絕對(duì)值的最大值，如果該值大于0，判定比特為1；否則為0；得到單極性碼字“xxxxx”。
第五步，將得到的“xxxxx”經(jīng)過(guò)BCH譯碼，得到最后的數(shù)據(jù)“12345”。
至此，本發(fā)明中已經(jīng)描述了用于在數(shù)字圖像中嵌入以軸對(duì)稱的周期性數(shù)字水印的方法和裝置，以及如何通過(guò)檢測(cè)提取水印信息的方法和裝置，從而能夠有效的保護(hù)圖像作品的版權(quán)。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變和變形。
權(quán)利要求
1.一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入方法，包括以下步驟(1)對(duì)比特流數(shù)據(jù)利用由密鑰控制的偽隨機(jī)序列進(jìn)行擴(kuò)譜調(diào)制；(2)將調(diào)制信號(hào)疊加構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印；(3)根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)，把上述構(gòu)造的水印周期性地自適應(yīng)嵌入原始數(shù)字圖像中。
2.如權(quán)利要求1所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入方法，其特征在于還包括在原始比特流數(shù)據(jù)前加上一個(gè)用來(lái)在檢測(cè)的時(shí)候能夠快速判斷圖像中是否含有水印的標(biāo)志比特的步驟，前述步驟在步驟(1)之前執(zhí)行。
3.如權(quán)利要求1所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入方法，其特征在于步驟(2)中將調(diào)制信號(hào)疊加構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印的步驟是將所有的調(diào)制信號(hào)疊加，然后重新排列形成一個(gè)二維子塊，子塊以四個(gè)邊的任意一個(gè)為軸翻轉(zhuǎn)，將兩個(gè)子塊排列在一起形成一個(gè)軸對(duì)稱的宏塊，然后根據(jù)圖像大小將宏塊平鋪，得到一個(gè)與原始圖像大小相同的軸對(duì)稱的周期性水印。
4.一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入裝置，其特征在于備有對(duì)比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)譜調(diào)制的調(diào)制裝置；將調(diào)制信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的水印的構(gòu)造裝置；根據(jù)原始數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)，把構(gòu)造的水印周期性地自適應(yīng)埋入原始數(shù)字圖像中的埋入裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入裝置，其特征在于所述調(diào)制裝置包括能夠利用密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行疊加的疊加裝置。
6.如權(quán)利要求4所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入裝置，其特征在于所述構(gòu)造裝置包括對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行限幅的限幅器。
7.如權(quán)利要求4所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印嵌入裝置，其特征在于所述埋入裝置包括計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置。
8.一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟，其中步驟a和步驟b為并行步驟a.從數(shù)字圖像中預(yù)測(cè)周期水印，利用周期水印的自相關(guān)函數(shù)判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)；和b.利用與嵌入端相同的密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，并將其按與嵌入端相同的規(guī)則構(gòu)造為軸對(duì)稱的信號(hào)；c.根據(jù)從步驟a得到的參數(shù)對(duì)數(shù)字圖像作逆變換，然后再次預(yù)測(cè)水印，或者直接對(duì)步驟a中的預(yù)測(cè)水印作逆變換，得到新的預(yù)測(cè)周期水印，然后利用步驟b得到的軸對(duì)稱信號(hào)，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)解調(diào)新的周期水印得到比特流數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)方法，其特征在于步驟a中所述得到仿射變換參數(shù)并恢復(fù)圖像的步驟包括第一步是預(yù)測(cè)周期水印對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行濾波以及其他處理方法，得到周期水印的預(yù)測(cè)值；第二步是計(jì)算仿射變換參數(shù)計(jì)算周期水印預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)，將自相關(guān)函數(shù)的值映射為屬于某個(gè)值域的數(shù)據(jù)(如圖像值域0-255)，利用特定形狀(如十字、交叉等)濾波的方法獲得自相關(guān)函數(shù)的局部峰值，根據(jù)局部峰值的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的柵格結(jié)構(gòu)計(jì)算圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)；如果沒(méi)有得到規(guī)則的由局部峰值組成的柵格結(jié)構(gòu)，說(shuō)明圖像中不含周期水印，無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行第三步；第三步是恢復(fù)圖像根據(jù)第二步得到的仿射變換參數(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行逆變換得到恢復(fù)圖像。
10.如權(quán)利要求8所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)方法，其特征在于步驟c中解調(diào)預(yù)測(cè)的周期水印得到比特流數(shù)據(jù)的步驟包括第一步是利用標(biāo)志比特判斷圖像中是否含有水印計(jì)算標(biāo)志比特對(duì)應(yīng)的軸對(duì)稱的二維宏塊與周期水印預(yù)測(cè)值的互相關(guān)函數(shù)，將互相關(guān)函數(shù)的極值與事先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果大于閾值，說(shuō)明圖像中含有水??；如果小于閾值，說(shuō)明圖像中不含水印，無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行下列步驟；第二步是從水印的預(yù)測(cè)值中提取比特流數(shù)據(jù)分別計(jì)算其他偽隨機(jī)序列構(gòu)造的軸對(duì)稱宏塊與周期水印預(yù)測(cè)值的互相關(guān)函數(shù)，求得互相關(guān)函數(shù)的極值，根據(jù)該值與事先確定的閾值比較判斷數(shù)據(jù)。
11.一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)裝置，其特征在于備有用來(lái)從數(shù)字圖像中預(yù)測(cè)周期水印的水印預(yù)測(cè)裝置；用來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)，判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換參數(shù)并恢復(fù)圖像的圖像校正裝置；根據(jù)與嵌入端同樣的密鑰產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列集合，按照跟嵌入端同樣的規(guī)則構(gòu)造軸對(duì)稱的二維宏塊，解調(diào)預(yù)測(cè)的周期水印，得到水印數(shù)據(jù)的解調(diào)裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)裝置，其特征在于上述水印預(yù)測(cè)裝置包括預(yù)測(cè)周期水印的濾波器和計(jì)算數(shù)字圖像的掩蔽效應(yīng)的計(jì)算裝置。
13.如權(quán)利要求11所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)裝置，其特征在于上述圖像校正裝置包括計(jì)算周期水印預(yù)測(cè)值的自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算裝置和獲得自相關(guān)函數(shù)的局部峰值的濾波器。
14.如權(quán)利要求11所述的一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印檢測(cè)裝置，其特征在于在上述解調(diào)裝置中包括能夠利用密鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；將偽隨機(jī)信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的二維宏塊的構(gòu)造裝置；根據(jù)軸對(duì)稱的二維宏塊與預(yù)測(cè)的周期水印的互相關(guān)的值，判斷水印比特的匹配濾波器。
全文摘要
一種比特流魯棒數(shù)字圖像水印的嵌入和檢測(cè)方法及裝置，屬于數(shù)字圖像水印技術(shù)，在數(shù)字圖像中嵌入數(shù)據(jù)并且能夠準(zhǔn)確提取，即使圖像經(jīng)過(guò)了某些圖像處理操作，例如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、鏡像、打?。瓛呙璧?。其中包括嵌入數(shù)字水印和檢測(cè)數(shù)字水印兩大部分。嵌入數(shù)字水印的方法及裝置包括將數(shù)據(jù)編碼調(diào)制，然后將調(diào)制之后的信號(hào)構(gòu)造為軸對(duì)稱的周期水印并將其自適應(yīng)地嵌入數(shù)字圖像。檢測(cè)數(shù)字水印的方法及裝置包括計(jì)算預(yù)測(cè)水印的自相關(guān)函數(shù)，利用自相關(guān)函數(shù)局部峰值的坐標(biāo)判斷圖像經(jīng)歷的仿射變換的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)恢復(fù)圖像。最后從恢復(fù)圖像中預(yù)測(cè)水印，通過(guò)解調(diào)解碼之后提取出數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1971613SQ20051012356
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月22日
發(fā)明者桑茂棟, 田新 申請(qǐng)人:北京華旗數(shù)碼影像技術(shù)研究院有限責(zé)任公司