專利名稱：一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到多著作權(quán)的認(rèn)證問題，同時(shí)采用了通信理論中的Walsh碼來保證多重水印信息間的正交性，所有者并行實(shí)現(xiàn)水印的嵌入和檢測且彼此獨(dú)立，屬于信息安全和多媒體信號(hào)處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字水印技術(shù)自1993年提出以來一直受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，近年來，隨著數(shù)字通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展，由此引發(fā)的盜版問題和版權(quán)紛爭已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問題，而數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏的一個(gè)重要分支，它在數(shù)字產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面取得了卓越的成就。
數(shù)字水印的特性包含不可見性、魯棒性、可證明性、自恢復(fù)性、安全保密性。魯棒性對于版權(quán)保護(hù)有著重要作用，是數(shù)字水印的重要指標(biāo)，魯棒性要求水印在經(jīng)受了幾何、物理、有意或無意攻擊之后依然可以將水印提取或是證明水印的存在，目前很多的水印算法都在為提高魯棒性而努力。同時(shí)隨著數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用中的不斷深入，出現(xiàn)了多種不同功能的數(shù)字水印(如脆弱性水印和魯棒性水印)，由于它們具有不同功能且在不同階段顯示出來，所以產(chǎn)生了將多種水印嵌入到同一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)，這也就是多重?cái)?shù)字水印。多重?cái)?shù)字水印技術(shù)是用來解決多著作權(quán)問題和數(shù)字產(chǎn)品在發(fā)布、銷售及使用等不同階段的版權(quán)認(rèn)證問題。與單水印相比多個(gè)水印信號(hào)在嵌入和檢測時(shí)應(yīng)互不干擾，水印信號(hào)的不可見性和魯棒性的均衡問題更加復(fù)雜。
多重?cái)?shù)字水印從嵌入算法角度可分為靜態(tài)多重?cái)?shù)字水印和動(dòng)態(tài)多重?cái)?shù)字水印，其中前者在水印嵌入前已經(jīng)明確知道所嵌入的水印個(gè)數(shù)，后者是所有者數(shù)量是動(dòng)態(tài)的，相應(yīng)的在嵌入前無法確切的知道水印的個(gè)數(shù)。多重?cái)?shù)字水印的嵌入算法與單水印一樣包括空域和變換域。空域算法對載體圖像影響小，算法簡單，嵌入信息量大，但是它的不足是抵抗圖像幾何變形、噪聲、抗壓縮能力較差，具有代表性的有LSB，Patchwork等算法。變換域算法中常用的有DFT、DCT、DWT，變換域算法具有較好的魯棒性，抵抗信號(hào)處理和攻擊能力強(qiáng)，但是與空域算法相比此類算法的缺點(diǎn)是嵌入的信息量小，運(yùn)算量大。
隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印經(jīng)過十幾年的發(fā)展在某些領(lǐng)域已經(jīng)有很好的成效，并且很多商家和研究人員也在致力于這方面的研究，但是多重水印還是一個(gè)較新的領(lǐng)域，很多理論還不成熟，國內(nèi)外很多學(xué)者也正致力于該領(lǐng)域研究，目前在多重水印算法研究中DWT域成為研究的熱點(diǎn)，且在DWT域的多重水印的研究主要包括(1)在不同子帶嵌入同一水印，在檢測時(shí)只要檢測到任一子帶中的水印即判斷水印的存在；該方法嵌水印容量小，造成容量的浪費(fèi)，且無法實(shí)現(xiàn)盲檢測；(2)零水印信息嵌入由原始圖像和原始水印共同加載生成一個(gè)新的水印，實(shí)質(zhì)是新水印的生成而并未在載體圖像中嵌入水?。徊痪哂泻芎玫膶?shí)用性和可行性；(3)基于擴(kuò)頻的數(shù)字水印方法；該方法具有較好的魯棒性，但是由于擴(kuò)頻的加入使得實(shí)際嵌入的水印信息較小，而且圖像的不可見性下降。
本發(fā)明是針對現(xiàn)有上述的不足和單水印無法滿足多用戶的多種需要，在水印檢測時(shí)原始載體參與(明檢測)的不實(shí)用性等缺點(diǎn)，基于通信理論中Walsh碼的應(yīng)用和信號(hào)處理領(lǐng)域中的相關(guān)檢測理論，提出了在變換域內(nèi)一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，同時(shí)變換域算法還和現(xiàn)有的國際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，可直接實(shí)現(xiàn)壓縮域內(nèi)的算法。
Walsh函數(shù)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、圖像處理、語音識(shí)別等領(lǐng)域。Walsh碼是一種正交碼，具有良好的同步正交性。Walsh碼是通過哈達(dá)馬矩陣的行或列映射構(gòu)成，碼的種類等于碼的長度。函數(shù)的每一行均代表一個(gè)Walsh碼序列。用w(0)表示W(wǎng)alsh序列0，即哈達(dá)馬矩陣的第一行，w(k)表示W(wǎng)alsh序列k，即哈達(dá)馬矩陣的第k+1行。N階Walsh函數(shù)(N＝2n，n＝0，1，2.....)對應(yīng)于Walsh序列w(0)，w(1)，……w(N-1)，每個(gè)Walsh序列的長度均為N。Walsh碼具有理想的同步正交性能，即在完全同步時(shí)自相關(guān)函數(shù)R＝1，各碼之間完全正交，此時(shí)互相關(guān)值R＝0。
一般而言，有原始圖像參與的水印檢測(明檢測)算法具有較強(qiáng)的魯棒性，因?yàn)樗梢杂行У娜コ鞣N噪聲信號(hào)的干擾，消除圖像和信號(hào)間的相關(guān)性，從而使檢測更加可靠和準(zhǔn)確，但是從實(shí)用角度考慮對原始圖像的傳輸，保存等環(huán)節(jié)增加了許多的不變，因此較為實(shí)用的水印方案都在尋求不需原始圖像的水印檢測算法(盲檢測)。本發(fā)明采用了基于相關(guān)的盲檢測算法，使得發(fā)明具有很好的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法。為保證N級(jí)多重水印間的正交性采用通信理論中的Walsh碼進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，并且在檢測端采用基于相關(guān)的盲檢測，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，此技術(shù)包含水印的并行嵌入和并行檢測兩部分。
其中的并行嵌入部分包括多個(gè)原始水印信息的Walsh碼調(diào)制，圖像的離散小波變換，調(diào)制后多重水印并行嵌入，離散小波的反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。并行檢測部分包括N級(jí)調(diào)制水印的并行相關(guān)檢測，Walsh碼解調(diào)，恢復(fù)所有N級(jí)水印。檢測的結(jié)果能明確的告知是否為確定的所有者并且檢測可以獨(dú)立進(jìn)行。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中多著作權(quán)的認(rèn)證問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，其步驟為并行嵌入部分a)原始圖像進(jìn)行L級(jí)離散小波變換，得到變換后的小波系數(shù)矩陣X；b)對于N級(jí)水印信息進(jìn)行Walsh碼調(diào)制，得到調(diào)制后水印信息，同時(shí)調(diào)制的Walsh碼序列作為密鑰由相應(yīng)所有者所有；c)在選取的不同小波子帶系數(shù)位置上將系數(shù)按照X′＝X+aW，加性法則并行嵌入調(diào)制后的水印信息；e)將(c)中修改后的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行離散小波反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
并行檢測部分a)對接收到含多重魯棒數(shù)字水印圖像進(jìn)行L級(jí)小波分解，得到變換后的小波系數(shù)矩陣Y；b)對含有水印的不同小波子帶系數(shù)和N個(gè)調(diào)制的版權(quán)所有者信息(調(diào)制水印)進(jìn)行并行相關(guān)檢測；c)將檢測后的信息依據(jù)密鑰進(jìn)行解調(diào)，得到原始嵌入的N級(jí)版權(quán)所有者信息(水印)。
上面步驟主要描述了該技術(shù)包含的并行嵌入和并行檢測兩部分，嵌入時(shí)所有的所有者信息可以并行同時(shí)嵌入，同時(shí)由于水印信息已經(jīng)由Walsh碼序列進(jìn)行了調(diào)制，所以每個(gè)Walsh碼序列的選擇則作為密鑰由所有者所有，在檢測時(shí)并行檢測。不同所有者可以獨(dú)立檢測，然后由所有者依據(jù)自己的密鑰來恢復(fù)原始水印信息。該發(fā)明具有很好的安全性，在偽所有者提供虛假水印信息時(shí)無法正確獲得水印，即使得到了原始的水印信息由于沒有正確的密鑰信息也無法最終獲取正確的水印信息。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，實(shí)現(xiàn)了檢測時(shí)不需要原始圖像的盲檢測，同時(shí)針對現(xiàn)有版權(quán)保護(hù)認(rèn)證中單一水印不能滿足多用戶的需要，實(shí)現(xiàn)了嵌入和檢測并行，相關(guān)檢測技術(shù)有效的實(shí)現(xiàn)了版權(quán)所有者的獨(dú)立認(rèn)證，為不同所有者的驗(yàn)證提供了很好的獨(dú)立性。
本發(fā)明為了使水印在壓縮域內(nèi)同樣有很好的魯棒性，并且滿足人眼視覺特性使得含水印圖像具有很好的不可見性，選擇在小波域內(nèi)嵌入，在水印嵌入位置的選擇時(shí)基于小波變換的特點(diǎn)a)圖像的離散小波變換相當(dāng)于對圖像數(shù)據(jù)的行和列做一維小波變換；b)小波變換的結(jié)果就是原始信號(hào)在一系列倍頻程劃分的頻帶上的多個(gè)高頻子帶數(shù)據(jù)和一個(gè)低頻子帶數(shù)據(jù)；c)每一次小波分解都是對上第一級(jí)小波分解的低頻子帶的垂直，水平和對角分解；d)具有多分辨分解特點(diǎn)和良好的空間方向選擇性。
本發(fā)明采用在不同小波子帶中同時(shí)嵌入多重水印，并且調(diào)整彼此的嵌入強(qiáng)度以達(dá)到魯棒性和不可見性的折中。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于Walsh碼序列的使用，對N級(jí)水印進(jìn)行調(diào)制，使得N級(jí)水印相互正交，在嵌入時(shí)互不干擾，實(shí)現(xiàn)了并行同時(shí)嵌入，這也是目前多重水印研究中的重點(diǎn)，同時(shí)在檢測時(shí)由于水印信息的完好正交性采用相關(guān)檢測時(shí)取得了很好的檢測效果，并且在檢測時(shí)沒有原始圖像的參與實(shí)現(xiàn)了脫離原始圖像的盲檢測，表明本發(fā)明具有很好的實(shí)用性。


圖1—基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法的框圖；圖2—三階離散小波變換系數(shù)矩陣模型圖；圖3(a)—Lena 256×256原圖；圖3(b)—含三重水印圖像；
圖3(c)—三個(gè)原始二值水印圖像；圖4—噪聲強(qiáng)度為10％時(shí)檢測到的水印；圖5—高斯濾波檢測到的水印；圖6—規(guī)則剪切1/2后含水印圖像；圖7—規(guī)則剪切1/2時(shí)檢測到的水印。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法主要包括并行嵌入和并行檢測兩部分，選用測試圖像Lena.bmp，大小為256×256。水印信息為二值圖像。
附圖3(a)是Lena測試原圖；附圖3(b)是含三重水印圖像；附圖3(c)是三個(gè)原始二值水印圖像。
原始圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解如附圖2所示(依據(jù)嵌入信息量的大小，圖像的大小選擇合適的分級(jí)數(shù))，依據(jù)附圖1所示的系統(tǒng)框圖，具體實(shí)施如下1.原始圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解，得到小波變換矩陣X；2.取三個(gè)原始二值水印圖像，降為一維S，與相應(yīng)的Walsh碼C異或得到調(diào)制后的水印W；3.在小波變換矩陣的LH3、HL3、HH3子帶中依據(jù)X’＝X+aW并行嵌入三級(jí)水印；4.離散小波反變換得到含三重魯棒數(shù)字水印圖像；5.將得到的含三重魯棒數(shù)字水印圖像做相同的小波變換；6.依據(jù)下式并行檢測水印q=Σi=1nY(i)Vyn=Σi=1nY(i)/nVyn/n=MynVy]]>其中Y(i)＝X(i)*W(i)，W(i)是Wn中的任意一個(gè)，My是Y(i)的平均值，Vy是Y(i)的樣本方差，每次由三個(gè)調(diào)制后的水印信息和小波矩陣系數(shù)進(jìn)行q值計(jì)算，然后選定q值最大的那個(gè)為檢測到的水印信息；7.由步驟6得到的調(diào)制水印解調(diào)恢復(fù)原始三級(jí)水印。
我們用最小均方誤差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)來衡量恢復(fù)的嵌水印圖像與原始圖像的差別。設(shè)圖像的大小為[M，N]，原始圖像象素值為X(i，j)，嵌水印的圖像的象素值為Y(i，j)則MSE=1MMΣi=1MΣj=1N(X(i,j)-Y(i,j))2]]>PSNR(dB)=10log(Lmax2MSE)]]>其中Lmax2是最大亮度電平，PSNR值越大表明兩圖像差異越小，對于水印信息可以用相似度η來判別是否存在。
η(w,w*)=Σi=1L(wi*wi*)/Σi=1L(wi)2]]>原始水印信息w，提取的水印信息w*，依據(jù)選取的閾值T，若η大于閾值T時(shí)即可證明水印是存在的。
下面我們通過具體實(shí)驗(yàn)來判斷該數(shù)字水印方法的抗幾何攻擊能力的魯棒性。
(1)抗加性高斯噪聲性能表1是水印抗高斯噪聲干擾時(shí)的檢測數(shù)據(jù)(NC表示相似度)

從表中我們可以看出在噪聲強(qiáng)度較小時(shí)三個(gè)水印均可以被檢測出來，隨著噪聲強(qiáng)度的增加水印的檢測難度增加，虛警漏警概率增加，發(fā)生錯(cuò)判或是誤判的幾率增加，以致有些水印已無法檢測到，但是本發(fā)明與其它算法相比具有很好的抗噪性能。附圖4為噪聲強(qiáng)度為10％時(shí)檢測到的水印。
(2)抗濾波性能A.抗高斯濾波特性表2是水印抗高斯濾波干擾時(shí)的檢測數(shù)據(jù)


B.抗均值濾波特性表3是水印抗均值濾波干擾時(shí)的檢測數(shù)據(jù)

由仿真結(jié)果我們可以看出本發(fā)明對于高斯濾波有較很好的抗攻擊特性，在窗長為[20 20]時(shí)依然可以將三個(gè)水印完全檢測成功。對于均值濾波，在窗長較小時(shí)可以檢測成功，當(dāng)窗長大于5之后發(fā)生誤判的概率增加，在窗長為20時(shí)已經(jīng)無法判斷。附圖5表示了高斯濾波窗長為[3 3]，方差為0.5時(shí)檢測到的水印。
(3)抗剪切性能我們考察剪切性能，由于剪切后圖像的剪切部位的像素值將變?yōu)?或者255，因此會(huì)給水印檢測帶來困難表4是水印抗剪切干擾時(shí)的檢測數(shù)據(jù)(NC表示相似度)

從結(jié)果中我們可以看出來本發(fā)明對于剪切有很好的抗攻擊能力，在剪切比例為1/2時(shí)除了高頻部分外其它均可以檢測成功，相比其它算法而言有很好的抗剪切魯棒性。附圖6表示了規(guī)則剪切1/2的圖像；附圖7表示了規(guī)則剪切1/2檢測到的水印。
權(quán)利要求
1.一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于水印的并行嵌入和基于相關(guān)的并行盲檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其中的并行嵌入部分包括多個(gè)原始水印信息的Walsh碼調(diào)制，圖像的離散小波變換，調(diào)制水印的并行嵌入，圖像離散小波的反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其中的并行檢測部分包括含多重魯棒數(shù)字水印圖像的離散小波變換，N級(jí)調(diào)制水印的并行相關(guān)檢測，Walsh碼解調(diào)，恢復(fù)所有N級(jí)水印。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其并行嵌入部分包括以下步驟a)原始圖像進(jìn)行L級(jí)離散小波變換，得到變換后的小波系數(shù)矩陣X；b)對于N級(jí)水印信息進(jìn)行Walsh碼調(diào)制，得到調(diào)制后水印信息，同時(shí)調(diào)制的Walsh碼序列作為密鑰由相應(yīng)所有者所有；c)在選取的不同小波子帶系數(shù)位置上將系數(shù)按照X’＝X+aW1，加性法則并行嵌入調(diào)制后的水印信息；e)將(c)中修改后的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行離散小波反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其并行檢測部分包括以下步驟a)對接收的含多重魯棒數(shù)字水印圖像進(jìn)行L級(jí)小波分解，得到變換后的小波系數(shù)矩陣Y；b)對含有水印的不同小波子帶系數(shù)和N個(gè)調(diào)制的版權(quán)所有者信息(調(diào)制水印)進(jìn)行并行相關(guān)檢測；c)將檢測后的信息依據(jù)密鑰進(jìn)行解調(diào)，得到原始嵌入的N級(jí)版權(quán)所有者信息(水印)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，為了保證不同所有者信息(水印)間具有很好的正交性，采用包含Walsh在內(nèi)的保證正交的任何一種碼子。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，為了增加系統(tǒng)的安全性對原始水印信息進(jìn)行預(yù)處理，包括置亂，混沌序列異或；原始圖像置亂，打亂嵌入位置；及采用擴(kuò)頻方法增強(qiáng)魯棒性。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，屬于信息安全和多媒體信號(hào)處理領(lǐng)域。水印信息經(jīng)Walsh碼調(diào)制后，保證了不同所有者的版權(quán)信息有很好的正交性，同時(shí)Walsh碼序列作為密鑰由所有者所有。本發(fā)明分為并行嵌入和并行檢測兩部分。并行嵌入部分主要包含對不同所有者的版權(quán)信息(水印)的Walsh碼調(diào)制，調(diào)制水印信息并行嵌入載體圖像；并行檢測部分主要包含基于相關(guān)的并行盲檢測，檢測后水印信息的解調(diào)。Walsh碼的正交性使得系統(tǒng)具有很好的盲相關(guān)檢測特性，具有很好的抗加性噪聲，濾波，剪切及JPEG的攻擊能力，盲檢測的使用也使得該方法有很好的實(shí)用性。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101093575SQ20071010022
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者費(fèi)澤松, 李曉莎, 匡鏡明 申請人:北京理工大學(xué)