專利名稱：應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物識(shí)別技術(shù)和數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，特別是數(shù)字水印技術(shù)。
背景技術(shù)：
在高度信息化的現(xiàn)代社會(huì)，身份鑒別和認(rèn)證的重要性越來越突出。基于生物特征如指紋，虹膜，聲音等的身份鑒別技術(shù)因其具有唯一，穩(wěn)定，終身不變，容易攜帶等優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)成為身份鑒別的熱點(diǎn)，其中虹膜由于紋理豐富，難于偽造等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地被用于身份鑒別。
將數(shù)字水印技術(shù)與生物特征技術(shù)相結(jié)合來增強(qiáng)生物特征數(shù)據(jù)的安全性是一個(gè)新興的研究課題。數(shù)字水印是一種向被保護(hù)的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入某種信息即水印，以達(dá)到識(shí)別、保護(hù)該多媒體數(shù)據(jù)所有者權(quán)益的一種技術(shù)。虹膜圖像的紋理信息區(qū)域面積小、能量集中，常規(guī)水印技術(shù)會(huì)使使虹膜紋理遭受較大幅度的改變，影響虹膜圖像的應(yīng)用。另外，在常規(guī)的水印技術(shù)中，水印信息通常是表征用戶版權(quán)信息的一個(gè)固定序列或某一個(gè)偽隨機(jī)序列，水印對(duì)于紋理的局部篡改不敏感，遭受惡意篡改后水印無法檢出或者檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤，因此無法確保虹膜圖像的安全性，保證紋理信息區(qū)域不受篡改。因此，傳統(tǒng)數(shù)字圖像水印技術(shù)并不適用于虹膜圖像。一般來說，一個(gè)有效的虹膜圖像數(shù)字水印應(yīng)該包含兩個(gè)方面的特征1)不可感知性對(duì)于普通的數(shù)字水印來說指嵌入水印導(dǎo)致載體數(shù)據(jù)的變換對(duì)于觀察者的視覺系統(tǒng)來講應(yīng)該是不可察覺的。而虹膜水印的不可見性不僅相對(duì)于人的感官系統(tǒng)，而且要求水印的嵌入不改變虹膜圖像的紋理特征，如嵌入水印的虹膜圖像應(yīng)用于不同虹膜識(shí)別系統(tǒng)，其特征沒有變化。
2)半易碎性應(yīng)用于虹膜圖像的水印要求算法對(duì)于虹膜紋理的惡意篡改具有敏感性，虹膜遭受惡意篡改后水印應(yīng)當(dāng)無法檢出或者檢測(cè)指示出篡改。虹膜的惡意篡改是指對(duì)虹膜圖像紋理的修改，導(dǎo)致虹膜特征相量的改變。同時(shí)水印還應(yīng)該能夠承受圖像處理和幾何失真攻擊，如圖像壓縮、濾波、噪聲污染、尺寸變換等。在經(jīng)過這些操作后，魯棒性強(qiáng)的水印算法應(yīng)仍能從水印載體中提取出嵌入的水印或證明水印的存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，使得水印的嵌入不改變虹膜圖像的紋理特征，同時(shí)使得水印對(duì)圖像處理和幾何失真攻擊能夠有較強(qiáng)的魯棒性，從而使隱藏的虹膜紋理的特征信息不應(yīng)上述攻擊而破壞，有效地保護(hù)虹膜圖像的完整性和安全性。
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法，該方法屬于半易碎性數(shù)字水印技術(shù)水印具有魯棒性的同時(shí)對(duì)虹膜紋理的局部篡改具有易碎性，即遭受惡意篡改后水印無法檢出或者檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤。常規(guī)數(shù)字水印技術(shù)中，水印信息通常是表征用戶版權(quán)信息的一個(gè)固定序列或某一個(gè)偽隨機(jī)序列。在應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法中，提取虹膜圖像的特征信息碼，編碼擴(kuò)頻后作為水印信息嵌入到原始圖像的變換域，這樣就可以使虹膜特征信息在空間域和變換域間建立起映射關(guān)系。通過分析變換域和空間域的特征信息的映射關(guān)系，就可以判斷出虹膜圖像在空間域的是否遭受到篡改。
應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法包括以下算法水印信息生成算法，生成包含虹膜圖像紋理特征信息的水印信息序列，用以嵌入到宿主虹膜圖像中的；水印嵌入算法，將所述水印信息融合到虹膜圖像中，確保對(duì)所述宿主圖像只做出不易察覺的修改。水印的嵌入選擇在一個(gè)幾何攻擊不變域內(nèi)進(jìn)行；水印檢測(cè)算法，判斷一副圖像是否包含所述水印信息。


圖1應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法生成框圖；圖2應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法檢測(cè)框圖；圖3例示了本發(fā)明中水印的嵌入算法的流程4例示了水印檢測(cè)算法的流程圖具體實(shí)施方式
1.應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印的生成。圖1例示了應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法的嵌入框圖。方法包含以下步驟(1)從虹膜圖片中提取虹膜紋理特征信息。
a.為避免由于虹膜圖像采集時(shí)光照、位置等不確定性給虹膜特征提取帶來的影響，需要對(duì)虹膜圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括虹膜的定位和歸一化兩個(gè)步驟。首先采用Hough變換對(duì)虹膜進(jìn)行定位，獲取虹膜邊界的圓參數(shù)。由于人的瞳孔隨周圍光照環(huán)境變化而變化，這時(shí)還需要通過對(duì)虹膜尺寸歸一化來消除瞳孔縮放的影響。經(jīng)過歸一化處理后形成大小統(tǒng)一為512*32的虹膜紋理信息帶。最后將二維的虹膜紋理信息帶投影到水平方向上，形成一維的虹膜紋理信號(hào)。
b.小波變換過零檢測(cè)獲取虹膜紋理特征。二進(jìn)小波變換可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層次的分解，虹膜圖像信號(hào)的能量多集中于中低頻，選擇小波變換在中等層次上的結(jié)果提取虹膜的特征可以使虹膜特征對(duì)一般的噪聲攻擊有較好的抵抗能力。選取虹膜圖像三個(gè)中頻尺度上的小波變換的結(jié)果，進(jìn)行過零檢測(cè)，獲取過零點(diǎn)位置信息，以及相鄰過零點(diǎn)間小波變換結(jié)果的均值形成過零特征序列(en，zn)，經(jīng)過量化編碼后，得到包含了虹膜紋理特征的一維序列{m1，m2，...mk}，mi∈{-1，1}。它將作為待嵌入的虹膜特征水印序列。
(2)水印在不變域中的嵌入為了使虹膜水印在幾何失真攻擊條件下的仍然具有魯棒性，水印嵌入過程應(yīng)當(dāng)選擇在一個(gè)幾何失真的不變域內(nèi)進(jìn)行，這個(gè)變換域應(yīng)是對(duì)平移、剪切、旋轉(zhuǎn)、縮放具有不變性，使得水印對(duì)上述幾何失真攻擊具魯棒性。(圖3例示了本發(fā)明中水印的嵌入算法的流程圖)a.Radon變換用Hough變換對(duì)虹膜圖像進(jìn)行定位，獲取圓形的虹膜圖像。以圓形虹膜區(qū)域的圓心作為中心，對(duì)虹膜區(qū)域進(jìn)行Radon變換。根據(jù)Radon變換的性質(zhì)可知，圖像在Radon域具有縮放不變性，同時(shí)，圖像的旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)為Radon變換域的循環(huán)平移。
b.2維DFT變換對(duì)虹膜圖像的Radon域變換結(jié)果進(jìn)行2維DFT變換，根據(jù)DFT變換的性質(zhì)易知，Radon域的循環(huán)平移將只影響DFT變換的相位域，而幅度域不受影響。經(jīng)過Radon變換和DFT變換后所得到的DFT幅度域M(R，Θ)將是一個(gè)對(duì)空間中的平移，剪切，旋轉(zhuǎn)，縮放等幾何失真攻擊保持不變的變換域，水印信息將在這個(gè)變換域中嵌入。
c.水印的嵌入考慮到虹膜圖像的能量分布特征及人眼的主觀感受，我們選擇DFT幅度域的中頻段嵌入水印信息。通過第一步的處理，我們已經(jīng)得到了包含虹膜紋理特征的一維水印信息序列{m1，m2，...，mK}，mi∈{-1，1}。為了增強(qiáng)水印的魯棒性，需要對(duì)水印信息進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻。取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的偽隨機(jī)序列Pn作為用戶碼，序列長(zhǎng)度n的選擇與水印的長(zhǎng)度和DFT域頻帶的選擇寬度有關(guān)。擴(kuò)頻后W＝{w1，w2，…，wK*L}，wi∈{-1，1}是一個(gè)均值為0的偽隨機(jī)序列。選擇M(R，Θ)域中滿足f1<Ri2+Θi2<f2]]>的頻帶即中頻段上的K*L個(gè)點(diǎn)按照下式嵌入
M′(Ri，Θi)＝M(Ri，Θi)(1+αwi)這里α為水印的嵌入強(qiáng)度，1≤i≤K*L。水印同樣需要嵌入到M(-Ri，-θi)，這是因?yàn)?維DFT變換的幅度域是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的。按照?qǐng)D3的流程得到已潛入水印的虹膜圖像。
2.盲水印檢測(cè)算法。本發(fā)明中的水印的檢測(cè)過程不需要原始圖像參與(如圖2所示)，是一種盲水印檢測(cè)算法。水印的檢測(cè)過程分兩部分水印的存在性檢測(cè)和虹膜的安全性檢測(cè)。
(1)水印的存在性檢測(cè)。
首先定位虹膜中心，確定水印嵌入的虹膜圓形域。對(duì)圓形域做Radon變換，再通過對(duì)Radon域圖形作2-D DFT變換得到幅度域。在幅度域選擇既定頻帶上的K*L個(gè)系數(shù)M′(Ri，Θi)。通過建立從空間域提取的特征特征信息編碼得到的擴(kuò)頻水印wi和M′(Ri，Θi)相似度評(píng)價(jià)函數(shù)S=Σi=1NwiM′(Ri,Θi)Σi=1N(M′(Ri,Θi))2]]>T=αΣi=1NM′(Ri,θi)3Σi=1NM′((Ri,θi))2]]>上式為基于的相似度評(píng)價(jià)函數(shù)檢測(cè)的閾值計(jì)算函數(shù)。通過比較S與閾值的大小，確定合法水印是否存在。
(2)虹膜安全性檢測(cè)。在合法水印存在的前提下，需要確定虹膜圖像的紋理特征等是否遭到惡意篡改，即檢測(cè)圖像的合法性。
在幅度域選擇既定頻帶上的K*L個(gè)系數(shù)M′(Ri，Θi)，使用用戶碼Pn解擴(kuò)后得到水印序列Mk。(圖4例示了水印檢測(cè)算法的流程圖)由于水印信息Mk是編碼后的虹膜圖像一維樣值的過零小波變換系數(shù)，因此解碼后可以得到過零小波變換系數(shù)(en′，zn′)，令重建的虹膜一維樣值為fext(x)，x∈{1，2，...N}。同時(shí)對(duì)已嵌入水印圖像在空間域投影得到一維樣值點(diǎn)f′(x)，對(duì)f′(x)小波分解后用在中低分辨率上重建得到frecon′(x)。建立下列評(píng)價(jià)函數(shù)
D=minmΣn=1Nfextn(n)·freconj′(n+m)||fextn(n)||·||freconj′(n+m)||]]>這里m∈Z。m取值不同使得虹膜圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)水印嵌入特征與空間與信息的最佳匹配。根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)及合理的域值可以評(píng)價(jià)水印得合法性。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法。特征是包括水印信息生成算法，生成嵌入到宿主圖像中的水印信息序列；水印嵌入算法，將所述水印信息融合到所述宿主圖像中，確保對(duì)所述宿主圖像只被不易察覺的修改；水印檢測(cè)算法，判斷一副圖像是否包含所述水印信息。
2.權(quán)利要求1中所述數(shù)字水印方法，其中所述宿主圖像為虹膜圖像。
3.權(quán)利要求1中所述數(shù)字水印方法，其中所述水印信息包含所述宿主圖像本身的結(jié)構(gòu)紋理信息。
4.權(quán)利要求1中所述數(shù)字水印方法，其中所述水印信息生成方法包括以下步驟(1)對(duì)獲取的虹膜圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括虹膜的定位，極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，最后形成歸一化的虹膜信息帶；(2)將歸一化的虹膜信息帶投影到水平方向上形成一維的虹膜紋理信號(hào)。對(duì)該一維虹膜紋理進(jìn)行多層次的小波變換。然后選取幾個(gè)中等層次上小波變換的結(jié)果進(jìn)行過零檢測(cè)，記錄過零點(diǎn)的位置信息以及相鄰過零點(diǎn)間小波變換結(jié)果的平均值作為該虹膜的特征序列；(3)使用用戶碼對(duì)得到的特征序列量化編碼，形成包含虹膜紋理特征的一維序列，作為待嵌入到原始虹膜圖像中的水印信息。
5.權(quán)利要求1中所述數(shù)字水印方法，其中所述水印嵌入算法包括以下步驟(1)利用Hough變換定位虹膜圖片中瞳孔的中心及外圓參數(shù)。選擇虹膜外圓范圍內(nèi)的圓形域嵌入水印信息。(2)對(duì)圓形域圖像進(jìn)行Radon變換。(3)在Radon域進(jìn)行2維DFT變換。(4)將權(quán)利要求3中所述水印信息進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，產(chǎn)生一個(gè)均值為0的偽隨機(jī)序列，然后嵌入到選定的DFT的幅度域中。(5)將嵌入水印后的頻域數(shù)據(jù)經(jīng)過DFT反變換和Radon反變換，得到嵌入了虹膜紋理水印的虹膜圖片。
6.權(quán)利要求1中所述數(shù)字水印方法，其中所述水印檢測(cè)算法包括以下步驟(1)使用用戶碼按照權(quán)利要求4中所述水印信息生成方法生成待檢測(cè)圖像的水印信息。(1)檢測(cè)水印的存在性。通過虹膜定位確定水印嵌入的虹膜外圓范圍，對(duì)該圓形域做Radon變換，再通過對(duì)Radon域圖形作2維DFT變換得到幅度域。在幅度域選擇既定頻帶上系數(shù)點(diǎn)計(jì)算出該圖像水印信息和所述系數(shù)點(diǎn)的相似度值，以確定合法水印是否存在。(2)虹膜安全性檢測(cè)，使用戶碼從嵌入虹膜特征水印的虹膜圖像中解碼獲得的嵌入水印序列，與直接從嵌入水印的虹膜圖像中采用過零小波變換提取的虹膜特征序列進(jìn)行相似度的計(jì)算，從而確定虹膜紋理特征的完整性。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物識(shí)別技術(shù)與數(shù)字水印領(lǐng)域，是一種應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法。首先從虹膜圖像中確定虹膜的有效區(qū)域，通過對(duì)虹膜紋理的分析提取紋理特征信息碼，編碼擴(kuò)頻后作為水印信息嵌入到原始圖像的一個(gè)對(duì)幾何失真攻擊具有不變性的變換域，形成嵌入水印的虹膜圖像。在水印檢測(cè)階段，不需要原始圖像參與，是一種盲水印檢測(cè)算法。應(yīng)用于虹膜圖像的數(shù)字水印方法可以用以虹膜圖像完整性和安全性的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1851751SQ20061004057
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者都思丹, 李楊, 候文君, 李華 申請(qǐng)人:南京大學(xué)