專利名稱：一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利是利用小波變換低頻子帶的能量聚集效應(yīng)和奇異值分解的奇異值 穩(wěn)定性，發(fā)明一種具有強(qiáng)魯棒性的圖像零水印方法，以便更有利于實(shí)現(xiàn)版權(quán)認(rèn) 證，達(dá)到版權(quán)保護(hù)目的。
背景技術(shù)：
由于多媒體技術(shù)取得了重大發(fā)展，使得非法拷貝和傳播有價(jià)值、受版權(quán)保 護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品相當(dāng)容易。這種所謂的盜版給音樂(lè)、影視、廣播和軟件行業(yè)造成 極大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的版權(quán)保護(hù)方法包括在通信網(wǎng)中限制某些站點(diǎn)的存取 和對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行加密且嚴(yán)格管理密碼。這種稱之為"信任系統(tǒng)"是通過(guò)阻 止未授權(quán)用戶訪問(wèn)多媒體數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的。然而， 一旦授權(quán)用戶非法拷 貝、非法傳播給其他用戶，這種系統(tǒng)對(duì)版權(quán)保護(hù)無(wú)濟(jì)于事。針對(duì)以上情況，數(shù) 字水印技術(shù)被提出且被認(rèn)為最有希望成為"信任系統(tǒng)"的補(bǔ)充。
數(shù)字水印是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)，是信息隱 藏技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。它將具有特定意義的標(biāo)記(水印)，利用數(shù) 字嵌入的方法隱藏在數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，用以 證明創(chuàng)作者對(duì)其產(chǎn)品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，同時(shí)通過(guò) 對(duì)水印的檢測(cè)和分析來(lái)保證數(shù)字信息的完整可靠性，從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和 數(shù)字多媒體防偽的有效手段。
按照水印的特性，可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩 類。魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識(shí)著作權(quán)信息，如作者、作品序號(hào)等，要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用編輯處理；脆弱數(shù)字水印主要用于完整 性保護(hù)，要求必須對(duì)信號(hào)的改動(dòng)很敏感，這與魯棒水印的要求正好相反。魯棒 水印具有抵抗攻擊的能力，對(duì)于保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)具有重要意義。設(shè)計(jì)新穎 且性能良好的魯棒水印算法的關(guān)鍵在于在保證具有良好不可見性的基礎(chǔ)上如 何盡量提高魯棒性。
零水印方法往往提取原始載體的穩(wěn)定特征作為水印。它實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有在原 始載體中嵌入任何水印，可以有效地解決不可見性與魯棒性之間的矛盾。零水 印方法能否具有強(qiáng)魯棒性的關(guān)鍵在于所利用的特征對(duì)外在干擾是否具有強(qiáng)穩(wěn) 定性。
按照數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將水印分為時(shí)域數(shù)字水印和變換域數(shù) 字水印。時(shí)域數(shù)字水印是直接在信號(hào)空間上疊加水印信息，而變換域數(shù)字水印 是在載體的變換域上隱藏水印，包括在傅里葉變換域、離散余弦變換域、小波 變換域、奇異值分解等。從某種意義上說(shuō)，只要構(gòu)成一種信號(hào)變換，就有可能 在其變換空間上隱藏水印。相比于空域，變換域法有以下優(yōu)點(diǎn) 一、嵌入的水 印信號(hào)能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保證水印的不可見性；二、 視覺系統(tǒng)HVS的某些特性可以更方便地結(jié)合到水印編碼過(guò)程中；三、變換域方 法可與現(xiàn)有的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而實(shí)現(xiàn)壓縮圖像的水印嵌入。
小波變換被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡，具有良好的局部時(shí)頻分析特性和多分辨率分 析特性，與人眼視覺特性相符合，因此小波域水印算法是一個(gè)研究熱點(diǎn)。圖像 經(jīng)過(guò)小波變換后被分割成水平、垂直、對(duì)角線和低頻四個(gè)子頻，低頻子帶還可 以繼續(xù)分解。水平、垂直和對(duì)角線子帶表征原圖像在不同尺度、不同分辨率下 水平、垂直和對(duì)角線部分的邊緣信息，具有明顯的方向特性，與人眼視覺特性 十分吻合；低頻子帶則是由小波變換分解級(jí)數(shù)決定的最大尺度、最小分辨率下 對(duì)原始圖像的最佳逼近，其統(tǒng)計(jì)特征和原圖像相似。水平、垂直和對(duì)角線子帶 的能量較少，圖像的總能量主要集中在低頻子帶，所以低頻子帶具有能量聚集效應(yīng)。因此，相比于水平、垂直和對(duì)角線三個(gè)子帶，低頻子帶的系數(shù)對(duì)外在干 擾具有更好的穩(wěn)定性。
奇異值分解具有如下特性圖像經(jīng)奇異值分解后得到的奇異值能夠表現(xiàn)出 圖像內(nèi)在的代數(shù)特性而非視覺特性； 一幅圖像的奇異值具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性， 當(dāng)圖像受到輕微的擾動(dòng)時(shí)，它的奇異值不會(huì)發(fā)生劇烈的變化。那么，最大奇異 值的最高位數(shù)字奇偶性也是相對(duì)穩(wěn)定的。我們可以利用這種穩(wěn)定性產(chǎn)生魯棒零 水印。
目前，許多魯棒水印方法已經(jīng)被提出來(lái)。但是大多數(shù)魯棒水印方法的魯棒 性還不夠強(qiáng)，不利于認(rèn)證版權(quán)。本發(fā)明的目的旨在保證具有良好不可見性的基 礎(chǔ)上盡量提高水印方法的魯棒性。綜合以上分析，本發(fā)明首先對(duì)原始載體圖像 進(jìn)行離散小波變換，然后對(duì)其低頻子帶進(jìn)行分塊奇異值分解，通過(guò)判斷每個(gè)子 塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性產(chǎn)生零水印。由于零水印方法沒(méi)有對(duì)原始載 體圖像做任何改變，所以本發(fā)明的不可見性相當(dāng)好。尤其值得一提的是，與其 他魯棒水印方法相比，本發(fā)明具有更強(qiáng)的抗攻擊魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法，以 便更有效實(shí)現(xiàn)版權(quán)認(rèn)證。
為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案-
本發(fā)明首先定義原始零水印序列rw與提取的零水印序列rw之間的相似 度s如下s-l-(念nv,w;)/K，其中O代表異或運(yùn)算。
1、 一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法，適用于數(shù)字圖像的
版權(quán)認(rèn)證領(lǐng)域，包括以下三個(gè)過(guò)程 A、魯棒零水印產(chǎn)生過(guò)程；B、 魯棒零水印提取過(guò)程；
C、 版權(quán)認(rèn)證。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，步驟A進(jìn)一步包括以下步驟
Al:大小為MxM的原始載體圖像I進(jìn)行w層小波變換。
A2:將第w層低頻子帶IL分成不重疊的mxm子塊。第"層低頻子帶IL的
大小為與x4 。子塊的總數(shù)為K = 。每個(gè)子塊記為IL,.= 1,2，L ，K 。
因此，IL-U""lL,.。
A3:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD，即IL,.-U,S,.V,t。 U,.和y.都是正交矩陣，a， (A:-1,2,L ，m)為對(duì)角陣S,的m個(gè)奇異值，符號(hào)"T"表示轉(zhuǎn)置。
A4:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性產(chǎn)生魯棒零水印 rw。過(guò)程如下如果a,的最高位數(shù)字是奇數(shù)，貝ijov^-l;否則，n^.=0，其 中nv,.是rw的第z'比特水印。
A5:在進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證時(shí)，需要利用原始零水印序列計(jì)算相似度。為了實(shí)現(xiàn) 盲認(rèn)證，我們利用Logistic混沌映射設(shè)計(jì)一個(gè)分段搜索方法。過(guò)程如下為了 加快搜索速度，將長(zhǎng)度為K的原始零水印序列分為W段，每段長(zhǎng)度為K/iV。 對(duì)于每段零水印序列，選擇一個(gè)Logistic混沌映射的初值作為密鑰，生成同樣 長(zhǎng)度的實(shí)數(shù)序列并二值化為{0， 1}序列。不斷重復(fù)以上過(guò)程，直到生成的{0， 1}序列與該段的零水印序列完全一致為止。密鑰總個(gè)數(shù)為K/W，保存密鑰， 用于版權(quán)認(rèn)證。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，步驟B進(jìn)一步包括以下步驟
Bl:對(duì)大小為MxM的遭到攻擊的圖像H進(jìn)行w層小波變換。
B2:將第w層低頻子帶HL分成不重疊的mxm子塊。每個(gè)子塊記為HL,.，"1，2，L，K。因此，HL-U HL,.。
B3:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD，即HL,. =U;SXT。 U;和V;都是正交矩陣，《 a=l,2,L ，m)為對(duì)角陣S;的附個(gè)奇異值。
B4:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性提取魯棒零水印
rw'。過(guò)程如下如果a卩的最高位數(shù)字是奇數(shù)，則r"-l;否則，nv,:-0，
其中nv,:是rw的第Z比特水印。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，步驟C進(jìn)一步包括以下步驟
Cl:利用所保存的K/W個(gè)密鑰和Logistic混沌映射產(chǎn)生原始零水印序列
rw,并計(jì)算它與提取的零水印序列rw'之間的相似度s 。
C2:根據(jù)閾值th進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證。當(dāng)s〉th，認(rèn)為版權(quán)申訴者合法擁有該作 品的版權(quán)；否則，認(rèn)為版權(quán)申訴者不擁有該作品的版權(quán)。
采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以在數(shù)字圖像中嵌入和提取一種具有強(qiáng)魯棒性 的零水印。當(dāng)數(shù)字圖像經(jīng)歷各種攻擊后，仍然可以較高的相似度提取零水印， 從而能夠更有效實(shí)現(xiàn)版權(quán)認(rèn)證，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。


圖l是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印
方法的魯棒零水印產(chǎn)生流程圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印 方法的魯棒零水印提取流程圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印 方法的版權(quán)認(rèn)證流程具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式
來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明首先定義原始零水印序列rw與提取的零水印序列rw'之間的相似 度如下s=l-(》nv;erw;)/iC，其中④代表異或運(yùn)算。
1、 一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法，適用于數(shù)字圖像的
版權(quán)認(rèn)證領(lǐng)域，包括以下三個(gè)過(guò)程
A、 魯棒零水印產(chǎn)生過(guò)程；
B、 魯棒零水印提取過(guò)程；
C、 版權(quán)認(rèn)證。
圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水 印方法的魯棒零水印產(chǎn)生流程圖。如圖1所示，魯棒零水印產(chǎn)生過(guò)程包括以下 步驟
步驟101:大小為MxM的原始載體圖像I進(jìn)行W層小波變換。
步驟102:將第w層低頻子帶IL分成不重疊的mxm子塊。第w層低頻子 帶IL的大小為與x^。子塊的總數(shù)為尺=(~^~)2。每個(gè)子塊記為IL,.，
Z=1,2,L，〖。因此，IL = U^IL,.。
步驟103:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD， g卩IL,.-UfS/V/^ U,和V'.都是正交矩 陣，W (A:=1，2，L ，m)為對(duì)角陣S,.的m個(gè)奇異值，符號(hào)"T"表示轉(zhuǎn)置。
步驟104:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性產(chǎn)生魯棒零 水印rw。過(guò)程如下如果cr/的最高位數(shù)字是奇數(shù)，貝Unv, =1;否則，=0， 其中nv,.是rw的第/比特水印。
步驟105:在進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證時(shí)，需要利用原始零水印序列計(jì)算相似度。為 了實(shí)現(xiàn)盲認(rèn)證，我們利用Logistic混沌映射設(shè)計(jì)一個(gè)分段搜索方法。過(guò)程如下為了加快搜索速度，將長(zhǎng)度為K的原始零水印序列分為iV段，每段長(zhǎng)度為 K/W。對(duì)于每段零水印序列，選擇一個(gè)Logistic混沌映射的初值作為密鑰， 生成同樣長(zhǎng)度的實(shí)數(shù)序列并二值化為{0， 1}序列。不斷重復(fù)以上過(guò)程，直到生
成的{0, u序列與該段的零水印序列完全一致為止。密鑰總個(gè)數(shù)為x/iv，保
存密鑰，由于版權(quán)認(rèn)證。
圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水 印方法的魯棒零水印提取流程圖。如圖2所示，魯棒零水印提取過(guò)程包括以下 步驟
步驟201:對(duì)大小為MxM的遭到攻擊的圖像H進(jìn)行w層小波變換。 步驟202:將第"層低頻子帶HL分成不重疊的mxm子塊。每個(gè)子塊記為
HL〃 z'-l，2，L，K。因此，HL-U二HL,。
步驟203:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD，即HL,.-U;S;V,。 U:和V;都是正交 矩陣，a, a=l,2，L ，m)為對(duì)角陣S;的m個(gè)奇異值。
步驟204:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性提取魯棒零 水印rw'。過(guò)程如下如果a,的最高位數(shù)字是奇數(shù)，貝Un^ =1;否貝ij， r" =0， 其中n^:是rw'的第/比特水印。
圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水 印方法的版權(quán)認(rèn)證流程圖。如圖3所示，版權(quán)認(rèn)證流程圖包括以下步驟
步驟301:利用所保存的K/iV個(gè)密鑰和Logistic混沌映射產(chǎn)生原始零水 印序列rw ，并計(jì)算它與提取的零水印序列rw'之間的相似度s 。
步驟302:根據(jù)閾值th進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證。當(dāng)s〉th，認(rèn)為版權(quán)申訴者合法擁 有該作品的版權(quán)；否則，認(rèn)為版權(quán)申訴者不擁有該作品的版權(quán)。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該 以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法，適用于數(shù)字圖像的版權(quán)認(rèn)證領(lǐng)域，包括以下三個(gè)過(guò)程A、魯棒零水印產(chǎn)生過(guò)程；B、魯棒零水印提取過(guò)程；C、版權(quán)認(rèn)證。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，步驟A進(jìn)一步包括以下步驟Al:大小為M X M的原始載體圖像I進(jìn)行W層小波變換。A2:將第w層低頻子帶IL分成不重疊的mxm子塊。第w層低頻子帶IL的 大小為4x!。子塊的總數(shù)為《=)2 。每個(gè)子塊記為IL,. ， / = 1，2,…,。因此，IL = U:IL,.。A3:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD，即IL,二U,工,.V,T。 U,.和V,都是正交矩陣，of a二l，2，…,w)為對(duì)角陣S,.的m個(gè)奇異值，符號(hào)"T"表示轉(zhuǎn)置。A4:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性產(chǎn)生魯棒零水印 rw。過(guò)程如下如果W的最高位數(shù)字是奇數(shù)，則ni;,.-l;否則，rw,.=0，其 中nv,.是rw的第/比特水印。A5:在進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證時(shí)，需要利用原始零水印序列計(jì)算相似度。為了實(shí)現(xiàn) 盲認(rèn)證，我們利用Logistic混沌映射設(shè)計(jì)一個(gè)分段搜索方法。過(guò)程如下為了加快搜索速度，將長(zhǎng)度為《的原始零水印序列分為w段，每段長(zhǎng)度為i:/w。對(duì)于每段零水印序列，選擇一個(gè)Logistic混沌映射的初值作為密鑰，生成同樣 長(zhǎng)度的實(shí)數(shù)序列并二值化為{0， 1}序列。不斷重復(fù)以上過(guò)程，直到生成的(O， 1}序列與該段的零水印序列完全一致為止。密鑰總數(shù)為《/W，保存密鑰，用于版權(quán)認(rèn)證。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法，步驟B進(jìn)一步包括以下步驟Bl:對(duì)大小為M x M的遭到攻擊的圖像H進(jìn)行w層小波變換。B2:將第w層低頻子帶HL分成不重疊的mxm子塊。每個(gè)子塊記為HL,,/ = 1,2，".，《。因此，HL'二U:見,。B3:對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行SVD，即HL,. =UX.V,:T。 U;和V,:都是正交矩陣，a二i,2，…，附)為對(duì)角陣i::.的m個(gè)奇異值。B4:通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性提取魯棒零水印 rw'。過(guò)程如下如果o^的最高位數(shù)字是奇數(shù)，則rw;二l;否則，m;;=0, 其中nv;是rw'的第/比特水印。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，步驟C進(jìn)一步包括以下步驟Cl:利用所保存的《/iV個(gè)密鑰和Logistic混沌映射產(chǎn)生原始零水印序列 rw，并計(jì)算它與提取的零水印序列rw'之間的相似度"C2:根據(jù)閾值th進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證。當(dāng)s〉th，認(rèn)為版權(quán)申訴者合法擁有該作 品的版權(quán)；否則，認(rèn)為版權(quán)申訴者不擁有該作品的版權(quán)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方 法，本發(fā)明首先定義相似度如下原始零水印序列rw與提取的零水印序列rw'之間的相似度s定義為^二l-(^n^.④nv;)/〖，其中④代表異或運(yùn)算。
全文摘要
魯棒水印方法在版權(quán)認(rèn)證領(lǐng)域起著重要作用。在保證具有良好不可見性的基礎(chǔ)上如何盡量提高魯棒性是設(shè)計(jì)魯棒水印方法時(shí)所要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本發(fā)明利用圖像小波變換低頻子帶的能量聚集效應(yīng)和奇異值分解的奇異值穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種具有強(qiáng)魯棒性的雙重變換域圖像零水印方法。首先對(duì)原始載體圖像進(jìn)行離散小波變換，然后選擇低頻子帶進(jìn)行分塊奇異值分解，通過(guò)判斷每個(gè)子塊最大奇異值的最高位數(shù)字奇偶性產(chǎn)生魯棒零水印。本發(fā)明沒(méi)有對(duì)原始載體圖像做任何改變，所以它擁有良好的不可見性。相比于其他絕大多數(shù)魯棒水印方法，本發(fā)明具備更強(qiáng)的抗攻擊魯棒性。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)盲版權(quán)認(rèn)證。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101604441SQ200910086458
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月15日
發(fā)明者葉天語(yǔ), 楊義先, 鈕心忻, 馬兆豐 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)