專利名稱：一種用于向數(shù)字圖像信號(hào)加入和提取數(shù)字水印的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于向數(shù)字圖像信號(hào)中加入和提取數(shù)字水印的方法。
背景技術(shù)：
隨著信息時(shí)代的到來，特別是Internet的普及，信息的安全保護(hù)問題日益突出。當(dāng)前的信息安全技術(shù)基本上以密碼學(xué)理論為基礎(chǔ)，其保護(hù)方式均是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀，隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)行加密、認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的聲像數(shù)據(jù)也越來越多。數(shù)字化的聲像數(shù)據(jù)從本質(zhì)上來說就是數(shù)字信號(hào)，如果對(duì)這類信號(hào)也采用密碼加密的方式，則其本身的信號(hào)屬性就被忽略了。最近幾年，許多研究人員放棄了傳統(tǒng)的密碼學(xué)的技術(shù)路線，嘗試采用各種信號(hào)處理的方法對(duì)聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱蔽加密，并將該技術(shù)應(yīng)用于制作多媒體的“數(shù)字水印”。
幾年來，數(shù)字水印技術(shù)(Digital Watermark)已經(jīng)被大量應(yīng)用于數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域。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)中嵌入隱含的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印設(shè)計(jì)必須滿足非法用戶不能識(shí)別，只能夠被合法的版權(quán)擁有者所確認(rèn)的要求。
數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了兩大類方法第一種是將數(shù)字水印嵌入到頻域中，頻域中振幅較小的特定的某一段被改變。水印被嵌入到對(duì)圖像影響最小的DCT系數(shù)中去了；第二種是水印被嵌入一個(gè)空的字段中。一個(gè)預(yù)定的非隨機(jī)的像素集被選出來并被修改。對(duì)于第一種方法而言，現(xiàn)今所有的變換域上的嵌入數(shù)字水印的技術(shù)都是采用浮點(diǎn)運(yùn)算，在加入和提取過程中都存在舍入誤差，如DCT、DFT、小波變換、Hadamard變換?；谶@些變換的數(shù)字水印方法都是將水印信息嵌入到變換域的高頻部分，但這些方法會(huì)產(chǎn)生下列問題如果我們將圖像的變換域上的高頻分量提取的話，水印就被提取了，而且圖像的損失很小，達(dá)不到水印加密的目的。如果嵌入低頻分量中，由于在變換中會(huì)帶來誤差，圖像和水印信息的損失都很大，對(duì)圖像影響太大了。
對(duì)于第二種方法而言，由于是對(duì)特定的空字段加入水印信息，本身就加大了圖像的數(shù)據(jù)量，而且加密的水印與圖像本身結(jié)合不強(qiáng)，從而會(huì)帶來安全的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在數(shù)字圖像中加入和提取數(shù)字水印的方法，這種方法由于采用了整數(shù)DCT變換，可實(shí)現(xiàn)圖像的無損重構(gòu)，具有很好的安全性及很高的圖像質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，在數(shù)字信號(hào)中加入水印信號(hào)的步驟為-分塊器將待加水印的數(shù)字圖像分層、分塊；-隨機(jī)取塊器將分塊的圖像隨機(jī)取塊；-判別器將隨機(jī)取塊器確定的塊與臨時(shí)表中的塊比較，若無相同塊，則存入臨時(shí)表中，并將其送到整數(shù)DCT變換器，否則，回到隨機(jī)取塊器重新取塊；-整數(shù)DCT變換器將隨機(jī)取塊器確定的圖像塊進(jìn)行整數(shù)DCT變換；-水印插入器將水印信號(hào)插入整數(shù)DCT系數(shù)中，輸出嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊；-反整數(shù)DCT變換器將水印插入器輸出的嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊進(jìn)行反整數(shù)DCT變換，還原為嵌入水印的RGB圖像；
-合成器將嵌入水印的RGB圖像與未嵌入水印的RGB圖像合并，輸出完整的嵌入水印的數(shù)字圖像信號(hào)。
從數(shù)字水印圖像信號(hào)中提取水印信號(hào)的步驟為-分塊器將待加水印的數(shù)字圖像分層、分塊；-隨機(jī)取塊器將分塊的圖像隨機(jī)取塊；-判別器將隨機(jī)取塊器確定的塊與臨時(shí)表中的塊比較，若無相同塊，則將其送到整數(shù)DCT變換器，否則，回到隨機(jī)取塊器重新取塊；-整數(shù)DCT變換器將隨機(jī)取塊器確定的圖像塊進(jìn)行整數(shù)DCT變換，轉(zhuǎn)換成整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊；-水印提取器將水印信息從嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊中提取出來；-合成器將水印提取器輸出的水印信息合并成數(shù)字水印信號(hào)。
采用本發(fā)明方法得到的數(shù)字水印信號(hào)所具有的優(yōu)點(diǎn)是它具有很高的圖像質(zhì)量和很高的安全性。
具本實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明表示在數(shù)字信號(hào)中加入水印信號(hào)的示意框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明表示提取水印信號(hào)的示意框圖。
參見圖1，在將水印嵌入到數(shù)字圖像中時(shí)，首先由分塊器1對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分層，將其分為R、G、B三層，然后對(duì)每一層分塊，將其分為8*8的塊，并且按照一定的順序編號(hào)。分塊后由隨機(jī)取塊器確定水印信息嵌入的位置，一般用(x，y，l，b)表示水印嵌入的位置，其中l(wèi)表示R、G、B中的一層，取值為(0，1，2)，分別代表圖像的R層、G層、B層。b表示R層圖像或G層圖像或者B層圖像分塊的序號(hào)，實(shí)際上我們是將RGB層圖像進(jìn)行分塊，然后對(duì)這些分塊進(jìn)行編號(hào)，b實(shí)際上是表示水印信息嵌入的塊。x、y則表示在分塊中嵌入的位置。如果作8*8分塊的話，x、y的取值范圍為(0-7)。水印嵌入的位置(x，y，l，b)是這樣確定的對(duì)每一幅圖像取一個(gè)標(biāo)識(shí)IDi，隨機(jī)選取兩個(gè)大的素?cái)?shù)，p，q，計(jì)算參數(shù)n＝p×q，這里p和q是秘密的，n是公開的。p和q均有512位，圖像的密碼設(shè)為K。一、隨機(jī)種子的產(chǎn)生，則分別取X=IDikmodn]]>L=IDi(k3)modn]]>Y=IDi(k2)modn]]>B=IDi(k4)modn]]>其中(X、Y、L、B)為(x、y、l、b)的隨機(jī)種子。二、初始大整數(shù)序列的產(chǎn)生，(Lx、Ly、Ll、Lb)Lx＝X2modn Ll＝L2modnLy＝Y(jié)2modn Lb＝B2modn三、隨機(jī)序列的產(chǎn)生(x、y、l、b)x＝Lxmodmxl＝Llmodmly＝Lymodmyb＝Lbmodmb(mx、my表示圖像分塊的大小) (l為圖像分的層數(shù))四、大整數(shù)序列的產(chǎn)生(Lx、Ly、Ll、Lb) Lx＝Lx2modn Ly＝Ly2modnLl＝Ll2modn Lb＝Lb2modn五、由四產(chǎn)生的(Lx、Ly、Ll、Lb) 轉(zhuǎn)到由三產(chǎn)生下一個(gè)(x、y、l、b)，如此循環(huán)，得到了一個(gè)偽隨機(jī)序列。在上面確定水印插入位置的隨機(jī)過程中，存在兩個(gè)問題。首先，位置 可能被重復(fù)選擇，從而出現(xiàn)一個(gè)水印不同的位將被嵌入到同樣的位置，這樣可能會(huì)丟失一些水印的字節(jié)信息。另外，如果將水印信息嵌入到直流分量，這樣圖像的損失很大，破壞了原有的圖像，而嵌入到高頻時(shí)圖像的損失很小，安全性又得不到保證。
為解決上述的問題，我們在判別器3中用一個(gè)臨時(shí)的矩陣表來紀(jì)錄所有的隨機(jī)塊x＝Lxmodmx， y＝Lymodmy， l＝Llmodmlb＝Lbmodmb當(dāng)一個(gè)隨機(jī)塊產(chǎn)生后，判別器3將這個(gè)隨機(jī)塊和臨時(shí)矩陣表中所有的塊進(jìn)行比較，如果新的隨機(jī)塊在臨時(shí)矩陣表中已存在，則放棄此隨機(jī)塊。否則，將新的隨機(jī)塊記錄到臨時(shí)矩陣表中。這樣可防止一個(gè)水印不同的位將被嵌入到同樣的位置。
在前面的論述中，已經(jīng)知道了如果將水印信息嵌入到直流分量時(shí)會(huì)給圖像帶來很大的損失，破壞原有的圖像。如果將圖像嵌入到高頻時(shí)圖像的損失很小，安全性得不到保證，因此只有將水印信息加入到圖像的中低頻部分，這樣才能保證既有較高的安全性又有良好的圖像質(zhì)量。為此，判別器3在獲取隨機(jī)數(shù)(x，y，l，b)以后，將對(duì)其作一個(gè)判斷，如果(x，y)＝(0，0)，就表明取的是直流分量，則棄掉此隨機(jī)塊，同樣，如果得到的x＝7或者是y＝7，則表明取到的是高頻分量，同樣也該略去。
隨機(jī)取塊器2確定的圖像塊經(jīng)判別器3判別后，由整數(shù)DCT變換器4將其作整數(shù)DCT變換，這里簡要介紹一下整數(shù)DCT，對(duì)于DCT-II，設(shè)x(n)(n＝0，1，...，N-1)是一個(gè)實(shí)的輸入序列。設(shè)N＝2′，這里t＞0。DCT-II定義如下X(k)=Σn=0N-1x(n)cosπ(2n+1)k2N,k=0,1,···,N-1]]>設(shè) 為DCT-II的變換矩陣CNII=(cosπ(2n+1)2N),k,n=0,1,···,N-1]]>變換矩陣 能被分解為CNII=PNIN/200UN/2CN/2II00CN/2IIIN/200DN/2IN/2I^N/2IN/2-I^N/2]]>其中，IN/2表示N/2階的單位陣； 表示N/2階的反對(duì)角單位陣DN/2=diag(2cosπ2N,2cos3π2N,...,2cos(N-1)π2N),]]> 表示長度為N/2的DCT-II變換。有了這個(gè)分解，我們再用分?jǐn)?shù)(形如β/2λ)來代替 ，然后對(duì)分解式做幾次變換，最后便得到了IntDCT-II的快速算法step1計(jì)算
g(n)＝x(n)+x(N-1-n)，h(n)＝x(n)-x(N-1-n)，n＝0，1，....，N/2-1；step2計(jì)算h^=E‾N/2F‾N/2h]]>h^=(h^(0),h^(1),...,h^(N/2-1))′,h=(h(0),h(1),...,h(N/2-1))′;]]>step3計(jì)算長度為N/2的IntDCT-II序列g(shù)(n)和h(n)，輸出為G(k)，H(k)；step4計(jì)算X(2k)＝G(k)，k＝0，1，...，N/2-1，X(1)＝H(0)/2，X(2k+1)＝H(k)-X(2k-1)，k＝1，2，…，N/2-1；從而我們的到了IntDCT-II的快速算法。
整數(shù)DCT變換器4將隨機(jī)取塊器2確定的圖像塊轉(zhuǎn)換成整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊，然后再送到水印插入器5。水印插入器5順序的讀取一個(gè)水印信息(1位)，然后判斷其為0還是1，如果是0，則表示為偶數(shù)，再對(duì)相應(yīng)的整數(shù)DCT系數(shù)塊(x，y)處的DCT系數(shù)進(jìn)行判斷，如果為偶數(shù)則保持不變，如果為奇數(shù)則將系數(shù)加1，使其變?yōu)榕紨?shù)。同樣，對(duì)取1時(shí)采用相反的過程，這樣就將水印信息嵌入到了圖像中。然后將嵌入水印的整數(shù)DCT系數(shù)塊送到反整數(shù)DCT變換器6，反整數(shù)DCT變換器6將嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊進(jìn)行反整數(shù)DCT變換，轉(zhuǎn)換成嵌入水印的RGB圖像，然后將嵌入水印的RGB層圖像送到合成器7中，在這里與其它沒有插入水印的圖像塊合并成包含數(shù)字水印的完整圖像信號(hào)，這樣就將數(shù)字水印插入了數(shù)字圖像中。
參見圖2，要將數(shù)字水印圖像中的水印信號(hào)提取出來，首先由分塊器8對(duì)數(shù)字水印圖像進(jìn)行分層，將其分別分為R、G、B三層。然后對(duì)每一層分塊，將其分為8*8的塊，并且按照一定的順序編號(hào)。分塊后由隨機(jī)取塊器9確定水印信息嵌入的位置，其確定過程和水印插入時(shí)相同，然后由判別器10將這個(gè)位置和臨時(shí)矩陣表中所有的位置進(jìn)行比較，如果新的位置在臨時(shí)表中已存在，則放棄此位置，否則，將位置記錄到臨時(shí)表中。隨機(jī)取塊器9確定的圖像塊經(jīng)判別器10判別后，由整數(shù)DCT變換器11將其作整數(shù)DCT變換，轉(zhuǎn)換成整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊，然后再送到水印提取器12。水印提取器12對(duì)隨機(jī)獲取位置的DCT系數(shù)作判斷，看它的奇偶性，如果為偶數(shù)我們就將其視為0，為奇數(shù)就將其視為1，這樣我們就得到了水印一個(gè)的數(shù)據(jù)流，重復(fù)這一過程我們就可以將水印數(shù)據(jù)從圖像中完全提取出來。然后將提取出來的水印數(shù)據(jù)送到合成器13中，并將之與提取出來的水印數(shù)據(jù)合并成數(shù)字水印圖像信號(hào)，這樣就將插入數(shù)字圖像信號(hào)中的數(shù)字水印提取出來了。
權(quán)利要求
1.一種用于向數(shù)字圖像信號(hào)加入水印信號(hào)的方法，包括以下步驟-分塊器(1)將待加水印的數(shù)字圖像分層、分塊；-隨機(jī)取塊器(2)將分塊的圖像隨機(jī)取塊；-判別器(3)將隨機(jī)取塊器確定的塊與臨時(shí)表中的塊比較，若無相同塊，則存入臨時(shí)表中，并將其送到整數(shù)DCT變換器(4)，否則，回到隨機(jī)取塊器(2)重新取塊；-整數(shù)DCT變換器(4)將隨機(jī)取塊器(2)確定的圖像塊進(jìn)行整數(shù)DCT變換；-水印插入器(5)將水印信號(hào)插入整數(shù)DCT系數(shù)中，輸出嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊；-反整數(shù)DCT變換器(6)將水印插入器(5)輸出的嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊進(jìn)行反整數(shù)DCT變換，轉(zhuǎn)換為嵌入水印的RGB圖像；-合成器(7)將嵌入水印的RGB圖像與未嵌入水印的RGB圖像合并，輸出完整的嵌入水印的數(shù)字圖像信號(hào)。
2.一種從已加水印的數(shù)字圖像中提取水印信號(hào)的方法，包括以下步驟-分塊器(8)將已加水印的數(shù)字圖像分層、分塊；-隨機(jī)取塊器(9)將分塊的圖像隨機(jī)取塊；-判別器(10)將隨機(jī)取塊器(9)確定的圖像塊與臨時(shí)表中的塊比較，若無相同塊，則存入臨時(shí)表中，并將其送到整數(shù)DCT變換器(11)，否則，回到隨機(jī)取塊器(10)重新取塊；-整數(shù)DCT變換器(11)將隨機(jī)取塊器(9)確定的圖像塊進(jìn)行整數(shù)DCT變換，轉(zhuǎn)換成整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊；-水印提取器(12)將水印信息從嵌入水印的整數(shù)DCT數(shù)據(jù)塊中提取出來；-合成器(13)將水印提取器輸出的水印信息合并成數(shù)字水印信號(hào)。
全文摘要
一種用于向數(shù)字圖像信號(hào)加入和提取提取數(shù)字水印的方法，它通過對(duì)圖像進(jìn)行分層、分塊，然后采用非線性整數(shù)變換對(duì)圖像的分塊進(jìn)行變換，達(dá)到圖像數(shù)據(jù)的無損重構(gòu)。對(duì)嵌入的圖像數(shù)據(jù)采用Hash函數(shù)來對(duì)其位置進(jìn)行加密，利用Hash函數(shù)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列。通過大整數(shù)以及整數(shù)DCT變換的系數(shù)來達(dá)到極高的安全性。在水印提取過程中，用Hash函數(shù)再現(xiàn)隨機(jī)序列，獲取水印圖像的信息。利用這種方法獲得的數(shù)字水印具有很高的圖像質(zhì)量和很高的安全性，具有廣泛的商業(yè)價(jià)值。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1396569SQ0111458
公開日2003年2月12日 申請日期2001年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月13日
發(fā)明者田力, 鮑家文, 何鴻君, 王洪波, 陳績喜, 彭玉賦, 羅莉, 石廣平, 羅永 申請人:佳程防偽科技(深圳)有限公司