專利名稱：水印圖像的嵌入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種水印圖像的嵌入方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字多媒體技術(shù)以及因特網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體產(chǎn)品的安全問題成為目前一個(gè)相當(dāng)重要而又富有挑戰(zhàn)性的研究課題。數(shù)字水印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的一種潛在的有效方法，目前已成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，也是信息隱藏研究領(lǐng)域的一種重要分支，數(shù)字水印正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，并成為目前學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)前沿?zé)衢T方向。鑒于目前大多數(shù)商標(biāo)或版權(quán)標(biāo)志都是以灰度圖像或彩色圖像表示的，因此如何嵌入灰度水印圖像的研究具有很重要的實(shí)用價(jià)值，也更有意義，更加符合實(shí)際需求。由于信息隱藏容量的限制，采用灰度圖像作為圖像水印進(jìn)行嵌入不但嵌入難度高，而且難于實(shí)現(xiàn)盲提取，在提高嵌入水印的魯棒性的同時(shí)，也降低了其不可感知性，所以這方面的研究還不是很多。透明性與穩(wěn)健性是數(shù)字水印技術(shù)兩個(gè)基本特性。一般嵌入含水印的圖像若透明性比較好(即PSNR比較大)則穩(wěn)健性比較差(檢測(cè)的相關(guān)系數(shù)NC比較小)，它們是相互矛盾的，透明性與魯棒性都與水印的嵌入位置和嵌入強(qiáng)度息息相關(guān)。本發(fā)明就是為解決這一技術(shù)難題，結(jié)合圖像能量分析在合適的位置嵌入盡可能強(qiáng)的水印信息，即在同一嵌入強(qiáng)度下提高峰值信噪比的同時(shí)又要提高檢測(cè)相關(guān)系數(shù)NC。根據(jù)數(shù)字水印的作用可以將數(shù)字水印分為魯棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。(I)魯棒水印的主要目的在于保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán)，它要求嵌入后的水印能夠經(jīng)受各種常用的信號(hào)處理操作，包括無意的或惡意的處理，如有損壓縮、濾波、平滑、裁減、幾何變形等等。魯棒水印在經(jīng)過各種處理后，只要宿主圖像沒有被破壞到不可使用的程度。都應(yīng)能夠檢測(cè)出來。因此該類水印的穩(wěn)健性要求較高。(2)脆弱水印主要用于保護(hù)數(shù)字作品的完整性，鑒別數(shù)字作品的真?zhèn)巍?3)半脆弱水印要求能夠抵抗一定程度的有益的信號(hào)處理操作，如JPEG壓縮等，該水印比脆弱水印稍魯棒些。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明第一要解決的技術(shù)問題是提供一種灰度水印圖像的嵌入方法。本發(fā)明其次要解決的技術(shù)問題是解決水印算法中透明性與魯棒性相矛盾問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供水印圖像的嵌入方法，包括如下步驟(1)水印圖像的預(yù)處理將水印圖像進(jìn)行混沌序列置亂，并將該水印圖像變形成I行η列的圖像序列，即η個(gè)圖像信息；
(2)嵌入位置的選擇將原始載體圖像由矩陣為KM,N)分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8X8圖像塊(即長寬都為8個(gè)像素的矩形圖像塊)，對(duì)各8X8圖像塊進(jìn)行DCT (離散余弦變換)變換，根據(jù)8X8模板(即長寬都為8個(gè)像素的矩形圖像模板)取出各8X8圖像塊中對(duì)應(yīng)的低頻與高頻數(shù)據(jù)，并將所述低頻與高頻數(shù)據(jù)分別組成3X3的矩陣A和6X6的矩陣B，對(duì)矩陣Α、Β進(jìn)行奇異值分解并求其矩陣范數(shù)，求解各8X8圖像塊的能量比g，能量比
茗=I，其中、為所述矩陣B的首個(gè)奇異值，為所述矩陣A的首個(gè)奇異值；找出與 %jS%
能量比為前η個(gè)最大值相對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊；
(3)水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇水印信息即所述η個(gè)圖像信息，依次一一對(duì)應(yīng)地選擇在按所述能量比g從大到小排列的η個(gè)8X8圖像塊的所述矩陣A的奇異值分解的首個(gè)值中自適 應(yīng)地嵌入，嵌入強(qiáng)度隨圖像塊的能量比自動(dòng)調(diào)節(jié)；
(4)對(duì)嵌入水印信息的各8X8圖像塊進(jìn)行DCT逆變換，得到含水印信息的圖像。在進(jìn)行上述步驟(3)的水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇時(shí)逐一對(duì)η個(gè)8X8圖像的矩陣A進(jìn)行奇異值分解的方法為A=USVr ,式中U e ，SeRmxm , V e R編'r，U和V都是正交矩陣，S為對(duì)角陣；取出S對(duì)角矩陣首個(gè)奇異值并嵌入水印，嵌入公式^(1,1)= Si(IX) +KiXM^i = ;嵌入強(qiáng)度K隨塊能量比g自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述自
適應(yīng)地嵌入，其公式為4 = +艮4 = 1... ，式中《為基本因子，其取值條件需保證嵌入含水印信息的圖像峰值信噪比(PSNR)大于36db ； m為原始圖像分割成所述8X8圖像塊的總塊數(shù)；將新奇異值代入乂 = ray1·,求出含水印信息的低頻數(shù)據(jù)2 ,并將數(shù)據(jù)送回相
應(yīng)的8 X 8圖像塊中的對(duì)應(yīng)位置。
本發(fā)明還提供了一種水印圖像的嵌入和提取方法，其中，所述水印圖像的嵌入方法包括如下步驟
(1)水印圖像的預(yù)處理將水印圖像進(jìn)行混沌序列置亂，并將該水印圖像變形成I行η列的圖像序列，即η個(gè)圖像信息；
(2)嵌入位置的選擇將原始載體圖像由矩陣為KM,分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8 X 8圖像塊，對(duì)各8 X 8圖像塊進(jìn)行DCT變換，根據(jù)8X8模板取出各8X8圖像塊中對(duì)應(yīng)的低頻與高頻數(shù)據(jù)，并將所述低頻與高頻數(shù)據(jù)分別組成3 X 3的矩陣A和6 X 6的矩陣B，對(duì)
矩陣Α、Β進(jìn)行奇異值分解并求其矩陣范數(shù)，求解各8X8圖像塊的能量比g，能量比g = '
%
，其中s力所述矩陣B的首個(gè)奇異值，%為所述矩陣A的首個(gè)奇異值；找出與能量比為前
η個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊；
(3)水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇水印信息即所述η個(gè)圖像信息，依次一一對(duì)應(yīng)地選擇在按所述能量比g大小排列的η個(gè)8X8圖像塊的所述矩陣A的奇異值分解的首個(gè)值中自適應(yīng)地嵌入，嵌入強(qiáng)度隨圖像塊的能量比自動(dòng)調(diào)節(jié)；
(4)對(duì)嵌入水印信息的各8X8圖像塊進(jìn)行DCT逆變換，得到含水印信息的圖像；
在進(jìn)行上述步驟(3)的水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇時(shí)逐一對(duì)η個(gè)8X8圖像的矩陣A進(jìn)行奇異值分解的方法為J = ULTr，式中t/ e RMmM , S e R滅,V e ，U和V都是正交矩陣，S為對(duì)角陣；
取出S對(duì)角矩陣首個(gè)奇異值并嵌入水印，嵌入公式劣(IiI)= Si(IX) +KiXWi =);嵌入強(qiáng)度K隨塊能量比g自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述自適應(yīng)地嵌入，其公式為
^= + gi ,|二1... ,式中η力基本因子，其取值條件需保證嵌入含水印信息的峰值信噪比大于36db ； m為原始圖像分割成所述8X8圖像塊的總塊數(shù)
將新奇異值代入Z = Kff'r1·,求出含水印信息的低頻數(shù)據(jù)4并將數(shù)據(jù)送回相應(yīng)的8X8圖像塊中的對(duì)應(yīng)位置；
所述水印圖像的提取方法，其包括如下步驟
(a)對(duì)矩陣為/(M，奶的原始載體圖像和矩陣為/'(氣奶的待檢含水印圖像分別分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8X8圖像塊，并對(duì)各8X8圖像塊進(jìn)行DCT變換，根據(jù)8X8模板從各8X8圖像塊中取出對(duì)應(yīng)的低頻與高頻數(shù)據(jù)，并對(duì)原始載體圖像中的各8X8圖像塊內(nèi)的低頻與高頻數(shù)據(jù)分別構(gòu)成3 X 3的矩陣J與6 X 6的矩陣對(duì)含水印圖像的各8 X 8圖像塊內(nèi)的低頻與高頻數(shù)據(jù)分別構(gòu)成矩陣3X3的矩陣i與6X6的矩陣5'，對(duì)所述矩陣2 4
分別進(jìn)行奇異值分解』=TJSVr , ,4' = USVt ;
(b)求解各8X8圖像塊中的水印信息變化值=Aai)- A(M) , j = \...m , m為原始圖像分割成所述8X8圖像塊的總塊數(shù)；
(c)從矩陣為原始載體圖像中分割出的m個(gè)8X8圖像塊中，找出與能量比為前η個(gè)最大值相對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊，即找出η個(gè)8X8圖像塊；
(d)所述的η個(gè)8X8圖像塊之一的能量比與所述m個(gè)的8X8圖像塊之一的能量比分
別記為與 gM(J)= ,J = b-m ;根據(jù)
AW(f)
若(...,，則圖像灰度值〃^，得出η個(gè)圖像信息，K為嵌入強(qiáng)
SmV) =SmUJkJ
度；
(e)將所述的η個(gè)圖像信息按照各圖像信息所在的8X8圖像塊的能量比從大到小依序排列，得出I行η列圖像序列；將該圖像序列變形成置亂的灰度水印圖像；
Cf)依據(jù)混沌置亂算法的逆運(yùn)算從上述置亂的灰度水印圖像恢復(fù)出水印圖像；
在所述步驟(a)中從8X8模板設(shè)置的低頻與高頻區(qū)系數(shù)中取出1X9的數(shù)據(jù)A (9)、1X36的數(shù)據(jù)B (36)數(shù)組，將此數(shù)組變形成3X3的方陣3 4再對(duì)方陣』、進(jìn)行SVD分解運(yùn)算，取出奇異值對(duì)角矩陣中的首個(gè)值。所述步驟(C)中對(duì)原始載體圖像矩陣為/(Ai, A/)、待檢含水印圖像為/'(M,奶，分別分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8X8圖像塊，并對(duì)每個(gè)塊進(jìn)行DCT變換，從8X8模板設(shè)置的低頻與高頻區(qū)系數(shù)中取出1X9的數(shù)據(jù)A (9)、1X36的數(shù)據(jù)B (36)數(shù)組，將此數(shù)組變
形成3X3的方陣A、6X6方陣B，再對(duì)方陣A、B進(jìn)行SVD分解運(yùn)算，確定能量比g =—，
%
找出與能量比為前η個(gè)最大值相對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊。本發(fā)明具有積極的效果(I)本發(fā)明的自適應(yīng)灰度水印圖像的嵌入方法，利用混沌置亂去除原始水印與置亂水印的相關(guān)性，提高水印的安全性。通過對(duì)原始載體圖像I分塊作DCT變換與模板分塊矩陣SVD分解、矩陣范數(shù)，計(jì)算塊能量比，找尋分塊的最佳嵌入位置，提高水印的透明性。在嵌入過程中各分塊嵌入強(qiáng)度隨能量比自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大提高了水印的穩(wěn)健性。鑒于大多數(shù)商標(biāo)或版權(quán)信息都是以灰度圖像或彩色圖像表示，利用本發(fā)明向原始載體圖像I中嵌入有意義的灰度水印信息，具有重要的實(shí)用價(jià)值，更加符合實(shí)際需求。
(2)本發(fā)明在8X8圖像塊的DCT域作奇異值分解并用其矩陣范數(shù)表示圖像能量，利用分塊圖像能量分析尋找法，確定適合嵌入水印的分塊，提高了水印的不可見性。(3)本發(fā)明在嵌入過程中每個(gè)分塊的嵌入強(qiáng)度隨分塊的能量比g自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大增強(qiáng)了水印的魯棒性。(4)本發(fā)明根據(jù)8X8模板將分塊分為低、中、高三部分，將水印嵌入3X3矩陣奇異值分解的首個(gè)值中，這也提高的水印的穩(wěn)健性。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
圖I為實(shí)施例中的水印圖像。圖2為8X8模板。圖3為水印圖像的嵌入流程 圖4為水印圖像的提取流程 圖5為將含水印的圖像分別進(jìn)行品質(zhì)因子為90、75、50、30、10的壓縮的結(jié)果示意圖； 圖6為對(duì)含水印的原始圖像分別進(jìn)行加噪、濾波攻擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示意圖7為對(duì)含水印的原始圖像分別進(jìn)行剪切、旋轉(zhuǎn)、縮放攻擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施例I)
見圖1-3，本實(shí)施例的水印圖像的嵌入對(duì)象為一矩陣為的的原始載體圖像(M=N=512,即長、寬各為512像素的圖像)，其格式為未壓縮的8位以上高精度灰度位圖(bmp或tiff)，也可選取JPG格式的圖像?；叶人D像一般選取商標(biāo)或版權(quán)標(biāo)志，像素的總數(shù)η要求比載體圖像要小(η〈Μ/8*Ν/8)，實(shí)施例中選取像素大小為40X49的灰度水印。載體圖像嵌入位置確定及嵌入灰度水印信息步驟如下
(I)水印圖像的預(yù)處理。為保證水印的安全性，將水印圖像進(jìn)行一些算法(如混沌序列置亂法等)置亂，置亂后圖像記為W，并將圖像40X49變形成I行1960列圖像序列一維數(shù)組。(2)嵌入位置選擇。將原始載體圖像
權(quán)利要求
1.一種水印圖像的嵌入方法，包括如下步驟 (1)水印圖像的預(yù)處理將水印圖像進(jìn)行混沌序列置亂，并將該水印圖像變形成I行η列的圖像序列，即η個(gè)圖像信息；(2)嵌入位置的選擇將原始載體圖像由矩陣為分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8Χ8圖像塊，對(duì)各8X8圖像塊進(jìn)行DCT變換，根據(jù)8X8模板取出各8X8圖像塊中對(duì)應(yīng)的低頻與高頻數(shù)據(jù)，并將所述低頻與高頻數(shù)據(jù)分別組成3 X 3的矩陣A和6 X 6的矩陣B，對(duì)矩陣Α、B進(jìn)行奇異值分解并求其矩陣范數(shù)，求解各8X8圖像塊的能量比g，能量比g = i ,其中為所述矩陣B的首個(gè)奇異值，為所述 %B.矩陣A的首個(gè)奇異值；找出與能量比為前η個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊； (3)水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇水印信息即所述η個(gè)圖像信息，依次一一對(duì)應(yīng)地選擇在按所述能量比g大小排列的η個(gè)8X8圖像塊的所述矩陣A的奇異值分解的首個(gè)值中自適應(yīng)地嵌入，嵌入強(qiáng)度隨圖像塊的能量比自動(dòng)調(diào)節(jié)； (4)對(duì)嵌入水印信息的各8X8圖像塊進(jìn)行DCT逆變換，得到含水印信息的圖像； 在進(jìn)行上述步驟(3)的水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇時(shí)逐一對(duì)η個(gè)8X8圖像的矩陣A進(jìn)行奇異值分解的方法為J = USVr ,式中t/ e Rm— , S e , V e ，U和V都是正交矩陣，S為對(duì)角陣； 取出s對(duì)角矩陣首個(gè)奇異值并嵌入水印，嵌入公式
2.一種水印圖像的嵌入和提取方法，其特征在于 所述水印圖像的嵌入方法包括如下步驟 (1)水印圖像的預(yù)處理將水印圖像進(jìn)行混沌序列置亂，并將該水印圖像變形成I行η列的圖像序列，即η個(gè)圖像信息； (2)嵌入位置的選擇將原始載體圖像由矩陣為UMM分割成相應(yīng)個(gè)數(shù)的互不覆蓋的8 X 8圖像塊，對(duì)各8 X 8圖像塊進(jìn)行DCT變換，根據(jù)8X8模板取出各8X8圖像塊中對(duì)應(yīng)的低頻與高頻數(shù)據(jù)，并將所述低頻與高頻數(shù)據(jù)分別組成3 X 3的矩陣A和6 X 6的矩陣B，對(duì)矩陣Α、Β進(jìn)行奇異值分解并求其矩陣范數(shù)，求解各8X8圖像塊的能量比g，能量比g = i%，其中 為所述矩陣B的首個(gè)奇異值，%為所述矩陣A的首個(gè)奇異值；找出與能量比為前η個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的8X8圖像塊； (3)水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇水印信息即所述η個(gè)圖像信息，依次一一對(duì)應(yīng)地選擇在按所述能量比g大小排列的η個(gè)8X8圖像塊的所述矩陣A的奇異值分解的首個(gè)值中自適應(yīng)地嵌入，嵌入強(qiáng)度隨圖像塊的能量比自動(dòng)調(diào)節(jié)； (4)對(duì)嵌入水印信息的各8X8圖像塊進(jìn)行DCT逆變換，得到含水印信息的圖像； 在進(jìn)行上述步驟(3)的水印嵌入的數(shù)據(jù)選擇時(shí)逐一對(duì)η個(gè)8X8圖像的矩陣A進(jìn)行奇異值分解的方法為J = USFr，式中
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于解決水印算法中透明性與魯棒性相矛盾問題的灰度水印圖像的嵌入方法包括對(duì)原始載體圖像分塊并進(jìn)行DCT變換，利用模板將系數(shù)分低、中、高頻三個(gè)數(shù)據(jù)塊，組成新矩陣后進(jìn)行SVD分解，計(jì)算分塊能量比，確定適合嵌入的最佳分塊位置；將灰度水印信息依據(jù)能量比自適應(yīng)地嵌入到低頻分塊的奇異值中。
文檔編號(hào)G06T1/00GK102880997SQ201210281560
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者王海峰, 章怡 申請(qǐng)人:江蘇技術(shù)師范學(xué)院