專利名稱：基于提升小波變換的可逆數(shù)字水印方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應W計算機軟件，信息安全等內容。主要是在數(shù)字圖像中嵌入水印信息，并能夠從咴入水 印的閣像中無損地恢復水印信息與原始圖像。該方法具有較強的安全性，在咴入水印的圖像遭受攻擊的情 況下仍能冇效地提取水印信息。該項技術能夠應用于醫(yī)學、.軍亊、遠稈遙感等保密性耍求較高的圖像認證 中。
2.
背景技術：
數(shù)字水印技術已經(jīng)被廣泛的應用在數(shù)字媒體的安全保護領域。為了保護數(shù)字圖像的版權，數(shù)字圖像的 版權人可以將O己的信息作為水印眹入到圖像內。1K入數(shù)字水印的圖像可以被山版、傳描，當圖像的擁冇 者發(fā)現(xiàn)可疑圖像時，可以提取數(shù)字圖像的水印信息。通過對水印的認證，可以決定圖像的版權人， ^^為一項新的引人注S的技術，可逆數(shù)字水印技術不僅僅可以將水印信息嵌入到原始圖像內，而且可以在
需耍的時候從可疑圖像中有效地還原原始圖像。這些特性，使得該技術可以r^泛地用于醫(yī)學、軍率、遠程 遙感等領域的圖像認證中。該技術己經(jīng)引起越來越多的專家和學者關注[j。
關于可逆數(shù)字水印的第一篇報道是由Honsinger 提出的關f數(shù)字圖像認證的發(fā)明，他通過附加模 ^在空域內實現(xiàn)了可逆數(shù)字水印。Tian提出了根據(jù)相鄰像素的差值來擴展當前點，并有效地預防了擴展后 的上溢和下溢'，這種方式通過希爾小波變換去除/人量的相鄰點間的冗余信息，在空域得到了改進。 Adnan通過應川向呈而不是像素點的方式擴展了 Tian提山的方法，該方法提高了算法的信息嵌入量和計算 ，女率，能夠在臨近像素點間的向量柒內隱藏若干比特位i，仿真結果表明，它能在較高的信噪比下隱藏 人^*印信息。
33.

發(fā)明內容
3. 1耍解決的技術問題
閃為需耍在原始圖像內嵌入新的數(shù)據(jù)信息，因此在K入的過》至中不可避免的會發(fā)生數(shù)據(jù)的溢山。閃此 Alattar提出了首先定位咴入位置然后進行嵌入的方法，Thodi和Rodriguez應W JPEG-LS來控制溢出。 然而，如果數(shù)字圖像被破壞，那么對應點的信息就會發(fā)生變化，從而導致錯誤。肉此，我們引入了混沌黨 法來控制咴入點的位置，即使冇一個其至更多點被攻擊，使得象素值發(fā)生改變，我們仍舊可以從其他點準
確的恢復水印信息。該方法有效地解決了攻;i7問題，具有較強的獸榨性，能夠使圖像抵抗裁剪等攻m;如
X^入水卬的圖像沒有被破壞，該方法可以精確地提取出原始圖像。
3. 2技術方案
首先將原始圖像分成8X 8像素點大小的互不相交的像素塊，然后在這些像素塊上執(zhí)行提升小波變換。 根據(jù)這些像素塊的屬性值來決定是否嵌入數(shù)字水卬圖像。為了保證^入數(shù)字水印圖像的安全性和健讓性，' 首先應用混沌系統(tǒng)來生成一個置換序列，然后應用該序列來控制數(shù)字水印的K入。 3.3冇a效果
該方法實現(xiàn)了一種全新的基下-提升小波的數(shù)字水'印嵌入方式。為了提高安全性，釆甩了混沌序列來控 制水印的咴入。實驗仿哀.結果表明，該方法能夠保證水印的安全性，并能有效的抵抗閣像的裁剪等攻擊。 在咴入了水印的圖像沒有被破壞的'瞎況下，當提取完水印信息后，可以精確地恢復原始圖像。本方法能存 效的應用于醫(yī)學、軍書、遠程遙感等領域的圖像認證中。
4.


將該方法應川丁'512x512x8比特位的圖像"Lena" ， "Boat" and "Baboon"中，得到的峰估信噪 比(PSNK)分別為35. 795丄dB， 40. 2351dB和.12. 0527dB。在沒有遭受任伺攻;ti的條件卜'，圖l(a-e)分別為'Lena'原始圖像、水印圖像、嵌入水印圖像、從嵌入水印的圖像中提取出的水印圖像、從嵌入水印的圖
像中提取出來的原始圖像。
為了測試該方法的安全性和抗裁剪性，圖2(a)顯示了當應用正確混沌序列初始值x。 =0.234時所提取 的數(shù)字水印圖像，圖203)顯示了當應用^=0.2340000001作為提取初始值所提取出的數(shù)字水印圖像。從圖 可以看出即使混沌序列的初始值發(fā)生極其微小的變化，提取出的水印圖像也會發(fā)生重構，此時圖像與原來
圖像存在巨大差異，變得無法識別。
圖3顯示了遭受攻擊的示例。圖3中(a) 、 (c)分別顯示了發(fā)生裁剪和涂抹時的嵌入水印圖像，圖3 中(b)、 (d)分別顯示了從上述嵌入水印圖像中恢復的水印圖像，圖3(e)顯示了當嵌入水印圖像遭受0.5% 的椒鹽攻擊時從嵌入水印圖像中提取的數(shù)字水印圖像。圖4顯示了塊的像素矩陣圖。
5.具體實施方案
5. 1實施方案概述
步驟l:對于灰度圖像中的任何一對值Oc，力，定義它們的平均值1和差值h
x + jV
a)
步驟2:符號L」的含義是"向下取整"。經(jīng)過變化后公式(l)可以表示為
:=/ +
/2 + 1
產(chǎn)/ —
(2)
步驟3:因為灰度值的區(qū)間為
，因此得到
"1
《255
步驟4:等價變化為
1/z卜min(2(255-/)，2/ + 1)
(3)
嵌入水印的具體過程示意圖如圖5所示，具體實現(xiàn)過程如下:步驟1: W公式(l)計算第i個像素點集(x,，jO的T均值/,和差值/z,。
步驟2:計笄/z,' =2/^, +W,，其中w,為水印圖像中對應的點。
步驟3:通過公式(4)計算嵌入水印后圖像的新的第i個像素點柒(x,',乂)。
步驟4: ifi上述歩驟，直到所有點都被咴入水印。
步驟5:通過(;c:,乂)IE構水印圖像。
然而，通過上述方絮嵌入數(shù)據(jù)可能會發(fā)生溢出。為了防.l卜.發(fā)生溢出現(xiàn)象，只能夠在不會發(fā)生溢出的點 上K入數(shù)據(jù)。
提取水印和恢復圖像可以參考文獻[6]。
對T一對給定的灰度值(;c，力，如果他們滿足公式(5)，我們說它是可以fei入水印的。
0^L2/ + 6」2min(2(255-/)，2/ + 1) (5)
其中b的值為O或l。
這里，我們給出一個基于混沌序列的可逆水印算法。由混沌系統(tǒng)決定嵌入點，同時混沌系統(tǒng)保證了可 以嵌入最人呈的水印信息。算法描述如下。 5. 2實施方案的貝-體描述
假定原始圖像人小為512x512像素。嵌入水印的位宜和提取水印的步驟如下。 5.2.1確定K入水印位置
步驟1:首先將需耍阪入水印的原始圖像分成8x8像素人小的W不相交的塊。我們假定閣像為512X 512像素，256個灰度級。閃此，我們得到4096個小塊。為了表示方便，我們WJ來標注每一個特定的 塊。其中/' = 1，2—..，64. ./ = 1,2,...,64.。步驟2:對其中的每一塊，我們對它做一維整數(shù)小波變換，得到它的一個可以表示成4x4矩陣形式的
低頻子段",，如圖4所示。
步驟3:如果(^， )和(^,;^)都是可以嵌入水印的，我們用'l'表示該點，否則用'0'表示該點。 步驟4:對丁-每一塊，我們通過判斷該塊是否可以^入水印，從而得到一個密鑰/f ，該密鑰由'0'和 'l'組成。
5. 2. 2選擇^入位置
為了保證安全性，由混沌系統(tǒng)來決定眩入點。因為混沌系統(tǒng)具有對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)敏感、非周期 性^特性，它已經(jīng)被廣泛的W在閣像的置亂和加密領域。這里，用混沌系統(tǒng)來生成位置置亂矩陣P，然后
通過該置亂矩陣咴入數(shù)據(jù)。過程描述如下
步驟l:應用序列1 +1 =41 (1-^)以及給定的&,反復產(chǎn)生新的;c。，然后令
/ = mod(x0xlOl3,64) + l (6)
顯而易見，/€[1,64]。
步驟2:反復對公式(6)進行迭代，直到得到一組小于64的各不相同的數(shù)字，這些數(shù)字可以表示為 {//,,,' = 1,2,...,64}，其中/r, #、如果,V乂。
步驟3:重復步驟1和步驟2得到另外一組數(shù)列，表示為{/,，,、1，2,...，64}其中/,如果Z"'?？梢?根據(jù)得到的兩個新的序列生成罝換矩陣，艽中,》 = U...,64 。 5.2.3眩入水印
通過富:換矩陣完成數(shù)字水卬的置換。水印眩入過程如閣5所示。 5. 3水印提取
水印提取過程即為水印K入過程的逆過程，它包括以下步驟步驟1:嵌入了水印的圖像首先被分成8x8像素大小的互不相交的塊。
步驟2:根據(jù)序列、+1 =4x (l-^)，密鑰&生成置換矩陣尸/
步驟3:通過密鑰^和矩陣巧^，對咴入水印的圖像進行l(wèi)維提升小波變換，得到低頻子段的一對像 素序列(",&)和(^ ,6|6)，下面的步驟具體描述水印提取過程
(1)計算像素點對的平均值和差值，
/ =
2
(7)
(2)提取水印:
(8)
(3)恢復原始圖像像素值:
y。 =/
，
2
(9)
在得到原始Z^后，應川提升小波變換投式來恢復原始圖像。
注意通常情況下，當對圖像進行可逆IWT變換后，應用可逆算法嵌入水印，可能會發(fā)生溢出，溢出 會導致可逆變換無效。為了實現(xiàn)可逆性，必須對咴入過程進行修正。修正過程描述如下在咴入位置的選
取過^i中，子段LL;應該滿足一定的約^條件，即、&, 和616應該滿足下屬約束條件
(10)
(11)
其中"和-是預先定義的常量。
權利要求
1、一種基于提升小波模式的可逆數(shù)字水印方法，其特征是首先將原始圖像劃分為若干無重疊的子塊。
2、 根據(jù)權利耍求1所述的基T提升小波模式的可逆數(shù)字水印方法，其特征是應用混沌系統(tǒng)對原始圖像進行置亂ft序。
3、 根據(jù)權利耍求1所述的基T提升小波投式的可逆數(shù)字水印方法，其特征是自定義常量范同，該范圍決定某區(qū)域是否可以眹入水印，從而實現(xiàn)嵌入點的選取。
4、 根據(jù)權利耍求1所述的基于提升小波模式的可逆數(shù)字水卬方法，其特征是根據(jù)被劃分的區(qū)域是否可以咴入水印來生成密鑰K，用K控制^入點的具體選取。
5、 根據(jù)權利耍求1所述的基于提升小波模式的可逆數(shù)字水印方法，其特征是對原始圖像進行一維整數(shù)小波變換。
全文摘要
本發(fā)明涉及應用計算機軟件，信息安全等內容。主要是在數(shù)字圖像中嵌入水印信息，并能夠從嵌入水印的圖像中無損地恢復水印信息與原始圖像。該方法實現(xiàn)了一種全新的基于提升小波的數(shù)字水印嵌入方式。引入了混沌算法米控制嵌入點的位置，即使有一個甚至更多點被攻擊，使得象素值發(fā)生改變，仍舊可以從其他點準確的恢復水印信息。該方法有效地解決了攻擊問題，具有較強的魯棒性，能夠使圖像抵抗裁剪等攻擊；如果嵌入水印的圖像沒有被破壞，該方法可以精確地提取出原始圖像(見摘要附圖)。實驗仿真結果表明，該方法能夠保證水印的安全性，并能有效的抵抗圖像的裁剪等攻擊。該項技術能夠應用于醫(yī)學、軍事、遠程遙感等保密性要求較高的圖像認證中。
文檔編號G06T1/00GK101477675SQ20081005200
公開日2009年7月8日 申請日期2008年1月3日 優(yōu)先權日2008年1月3日
發(fā)明者李立宗, 顧巧論, 高鐵杠 申請人:南開大學