專利名稱：一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入和提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多媒體信息檢索和信息安全技術(shù)，尤其是涉及一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入和提取方法。
背景技術(shù)：
隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種類型的數(shù)字化多媒體信息正在源源不斷地產(chǎn)生、傳輸并得到應(yīng)用。數(shù)字圖像作為一種內(nèi)容豐富、表達(dá)直觀的多媒體信息，其是多媒體信息庫(kù)中最為重要也是應(yīng)用最為普遍的一種數(shù)字媒體。目前，數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)正以爆炸式的速度在急劇增長(zhǎng)。顯然，面對(duì)著急劇增長(zhǎng)而產(chǎn)生的海量數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行有效的組織和管理，并從中快速地檢索出符合用戶需求的圖像信息，已成為當(dāng)前亟需要解決的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
從海量數(shù)字圖像數(shù)據(jù)中快速地檢索出符合用戶需求的圖像信息，目前已發(fā)展了基于文本的和基于內(nèi)容的兩種數(shù)字圖像檢索技術(shù)?；谖谋镜臄?shù)字圖像檢索技術(shù)是通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行文本標(biāo)注即建立相應(yīng)的關(guān)鍵詞或描述字段，例如將數(shù)字圖像的名稱、編號(hào)、作者、內(nèi)容描述、圖像大小、圖像來(lái)源、建立圖像的時(shí)間、存儲(chǔ)地點(diǎn)等關(guān)鍵性的信息采用自動(dòng)標(biāo)引或進(jìn)行人工注釋，建立起數(shù)字圖像的關(guān)鍵詞索引數(shù)據(jù)庫(kù)，然后按全文數(shù)據(jù)庫(kù)管理，采用全文數(shù)據(jù)庫(kù)檢索方法實(shí)現(xiàn)。因此，基于文本的數(shù)字圖像檢索技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種基于文本關(guān)鍵詞的匹配查找過(guò)程，即把數(shù)字圖像檢索過(guò)程轉(zhuǎn)換為對(duì)與該數(shù)字圖像對(duì)應(yīng)的文本檢索?；趦?nèi)容的數(shù)字圖像檢索技術(shù)是指從圖像庫(kù)中查找含有特定目標(biāo)的數(shù)字圖像，它通過(guò)軟件或相應(yīng)工具對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行自動(dòng)分析，提取數(shù)字圖像的內(nèi)容特征，如顏色、形狀與紋理等，以及這些特征的組合，作為特征向量存入數(shù)字圖像的特征索引數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣在進(jìn)行數(shù)字圖像檢索時(shí)，對(duì)一幅給定的檢索圖像進(jìn)行圖像分析提取特征向量，然后利用相似性匹配方法計(jì)算檢索圖像的特征向量與特征索引數(shù)據(jù)庫(kù)中的各圖像特征向量的相似度，根據(jù)相似度的大小返回檢索結(jié)果。然而，伴隨著數(shù)字圖像檢索技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新的問(wèn)題也隨之而來(lái)。首先，基于文本和基于內(nèi)容的兩種數(shù)字圖像檢索技術(shù)，在檢索過(guò)程中都需要建立大容量的索引數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的急劇增長(zhǎng)，對(duì)于存貯空間來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)；其次，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，系統(tǒng)間的互聯(lián)變得非常容易，開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)雖然極大地方便了人們對(duì)于數(shù)字圖像信息的獲取、交換和共享，但相應(yīng)地，數(shù)字圖像的版權(quán)和內(nèi)容完整性等方面的安全性問(wèn)題也變得日益突出。例如，任何用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)快速地檢索得到他人的數(shù)字圖像作品，如果在沒(méi)有得到作者或版權(quán)所有者許可的情況下，對(duì)原始數(shù)字圖像加以隨意復(fù)制、修改和再傳輸，這樣就會(huì)嚴(yán)重侵害到作者的著作權(quán)和版權(quán)所有者的利益。作為當(dāng)前數(shù)字媒體信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，數(shù)字水印技術(shù)已被廣泛地用于數(shù)字圖像的版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容完整性認(rèn)證，它通過(guò)對(duì)原始數(shù)字圖像的空域像素或變換域系數(shù)進(jìn)行一定的修改，將包含作者或版權(quán)所有者具有版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容完整性認(rèn)證的某種或幾種特征信息例如簽名、版權(quán)標(biāo)志、序列號(hào)、日期或圖標(biāo)等作為水印信息嵌入到原始數(shù)字圖像中，以此達(dá)到為原始數(shù)字圖像作品提供必要的認(rèn)證信息和版權(quán)保護(hù)的目的。數(shù)字水印要起到應(yīng)有的作用，一般要求具備魯棒性和不可覺(jué)察性兩個(gè)基本要素。魯棒性是指原始數(shù)字圖像在經(jīng)過(guò)常規(guī)信號(hào)處理或者外來(lái)攻擊之后，嵌入的數(shù)字水印仍然具有較好的可檢測(cè)性或者說(shuō)仍能夠反映出原始數(shù)字圖像的版權(quán)等方面的信息。不可覺(jué)察性是指數(shù)字水印的嵌入不能影響到原始數(shù)字圖像的視覺(jué)質(zhì)量，從而不會(huì)影響原始數(shù)字圖像的應(yīng)用價(jià)值。因此，在充分利用多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成果，享受海量的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)資源并從中快速檢索出符合用戶需求的圖像信息的同時(shí)，如果又能有效地保護(hù)這些原始數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的完整性和作品的版權(quán)等方面問(wèn)題，必將是多媒體信息檢索和信息安全技術(shù)領(lǐng)域的共同發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種水印魯棒性好，能夠有效提高數(shù)字圖像檢索過(guò)程中作品的安全性的數(shù)字水印嵌入方法，及一種能夠有效提高數(shù)字圖像檢索的準(zhǔn)確性，且能夠有效解決存儲(chǔ)空間問(wèn)題的數(shù)字水印提取方法。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入方法，其特征在于它的處理過(guò)程為首先，對(duì)待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像進(jìn)行歸一化處理；其次，對(duì)歸一化處理后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行二維離散小波變換，得到一個(gè)第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖；將第一小波逼近子圖分解為一個(gè)小數(shù)部分第一小波逼近子圖和一個(gè)整數(shù)部分第一小波逼近子圖；再次，根據(jù)待嵌入的二值數(shù)字水印中的每個(gè)像素的像素值，結(jié)合小數(shù)部分第一小波逼近子圖中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)取值范圍，對(duì)小數(shù)部分第一小波逼近子圖中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)值進(jìn)行二值量化處理，實(shí)現(xiàn)二值數(shù)字水印的嵌入，并返回一個(gè)二值邏輯表；然后，將二值量化處理后得到的新的小數(shù)部分第一小波逼近子圖和整數(shù)部分第一小波逼近子圖組合成新的第一小波逼近子圖；將新的第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖一起進(jìn)行二維離散小波逆變換，得到嵌入有二值數(shù)字水印的數(shù)字圖像；最后，將二值數(shù)字水印及在二值數(shù)字水印嵌入過(guò)程中返回的邏輯表傳輸給數(shù)字水印提取端。本發(fā)明的一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入方法，它具體包括以下步驟①-I、在數(shù)字水印嵌入端，假設(shè)有K個(gè)待嵌入的二值數(shù)字水印和K幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像，將第k個(gè)二值數(shù)字水印記為Wk，Wk={wk|wk(mk，nk)=0或
I,I ^ mk ^ Mk, I ^ nk ^ Nk}，將第k幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像記為Fk, Fk={fk|0 ^ fk(ik, jk) ( 255，I 彡 ik 彡 Ik，I 彡 jk 彡 Jk}，其中，I 彡 k 彡 K，K 彡 1，Wk 的分辨率為隊(duì)父^在此假設(shè)隊(duì)二隊(duì)^化,，!!,)表示W(wǎng)k中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的像素的像素值，F(xiàn)k的分辨率為IkX Jk，在此假設(shè)Ik=Jk, fk(ik, jk)表示Fk中坐標(biāo)位置為(ik, jk)的像素的像素值；①-2、假設(shè)當(dāng)前正在處理的待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像為第k幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像Fk ；①-3、對(duì)Fk進(jìn)行歸一化處理，將Fk經(jīng)歸一化處理后得到的數(shù)字圖像F' k中坐標(biāo)位置為(ik，jk)的像素的像素值記為f' k(ik, jk), f' k(ik，jk)=fk(ik，jk)/255，其中，I ^ ik ^ Ik, I ^ Jk ( Jk ;①-4、對(duì)F' k進(jìn)行Lk級(jí)二維離散小波變換，得到一個(gè)第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖，將F' k對(duì)應(yīng)的第一小波逼近子圖記為FAk，其中，Lk=Iog2 (Ik/Mk) =Iog2 (Jk/NK), FAk 的分辨率為(4/2。)；①-5、將FAk分解為小數(shù)部分和整數(shù)部分兩部分?jǐn)?shù)據(jù)子圖，得到一個(gè)小數(shù)部分第一小波逼近子圖和一個(gè)整數(shù)部分第一小波逼近子圖，分別記為FADk和FAIk ；①-6、根據(jù)Wk中的每個(gè)像素的像素值，對(duì)FADk中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)值進(jìn)行二值量化處理，實(shí)現(xiàn)二值數(shù)字水印Wk的嵌入，并返回一個(gè)大小為MkXNk的二值邏輯表，將經(jīng)二值量化處理后得到的小數(shù)部分第一小波逼近子圖記為FAD' k，將返回的二值邏輯表記為L(zhǎng)gk ；①-7 jfFAD' k和FAIk組合成F' k對(duì)應(yīng)的新的第一小波逼近子圖，記為FA' k；
①-8 JfFA'k對(duì)應(yīng)的多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖一起再進(jìn)行Lk級(jí)二維離散小波逆變換，得到嵌入有二值數(shù)字水印Wk的數(shù)字圖像，記為F" k ；①-9、令k=k+l，然后返回步驟①-2繼續(xù)對(duì)下一幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像進(jìn)行處理，直至K幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像均處理完畢，其中，k = k+Ι中的“=”為賦值符號(hào)；①-10、將K個(gè)二值數(shù)字水?。?、％、···、％、…、Wk以及在二值數(shù)字水印嵌入過(guò)程中返回的二值邏輯表Lgl、Lg2、…、Lgk、…、Lgd.輸給數(shù)字水印提取端，其中，W1表示第I個(gè)二值數(shù)字水印，W2表示第2個(gè)二值數(shù)字水印，Wk表示第K個(gè)二值數(shù)字水印，Lg1表示在二值數(shù)字水印W1嵌入過(guò)程中返回的二值邏輯表，Lg2表示在二值數(shù)字水印W2嵌入過(guò)程中返回的二值邏輯表，LgK表示在二值數(shù)字水印Wk嵌入過(guò)程中返回的二值邏輯表。所述的步驟①_5中令A(yù)(ξ J )表示FAk中坐標(biāo)位置為(i, J1)的系數(shù)的系數(shù)值，令表示FADk中坐標(biāo)位置為(ξ 的系數(shù)的系數(shù)值，令鳳(i 表示FAIk中坐標(biāo)位置為)的系數(shù)的系數(shù)值，則有fadk (4, ./；) = fak (LI) — (4, Jk )j，
fai-k{h-Jfai(k-Jk)，其中，符號(hào)《 L j表示取小于其自身的最大整數(shù)，ι<4<(4/2 -),ι<Λ<(Λ/2,*)α所述的步驟①-6的具體過(guò)程為al、將FADk中當(dāng)前正在處理的系數(shù)定義為當(dāng)前系數(shù)；a2、假設(shè)當(dāng)前系數(shù)的坐標(biāo)位置為(mk，nk)，則將當(dāng)前系數(shù)的系數(shù)值記為fadk (mk, nk),其中，I < mk < Mk, I < nk < Nk ;a3、根據(jù) fadk (mk, nk)和 Wk 中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的像素的像素值wk(mk，nk)，計(jì)算FAD' k中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的系數(shù)的系數(shù)值，記為fad' k(mk，nk)，并返回二值邏輯表Lgk中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的元素的邏輯值Igk (mk, nk),具體如下當(dāng) wk (mk, nk) =0 且 fadk(mk, nk) e
)
)=) *其中，符號(hào)《 L J w表示取小于其自身的最大整數(shù)，
I <( <(1[ 12/v) ,I <'/: <(/ /2V)；所述的步驟②-6的具體過(guò)程為cl、將TFADk中當(dāng)前正在處理的系數(shù)定義為當(dāng)前系數(shù)，將Lgk中當(dāng)前正在處理的元素定義為當(dāng)前元素；c2、假設(shè)當(dāng)前系數(shù)的坐標(biāo)位置為(m' k，n, k)，則將當(dāng)前系數(shù)的系數(shù)值記為tfadk(m' k，η ' k)，假設(shè)當(dāng)前元素的坐標(biāo)位置為(m' k，n, k)，則將當(dāng)前元素的邏輯值記為lgk(m' k，η ' k)，其中，I Sm' kSM' k, I n; k ^ k ;c3、根據(jù) tfadk (m' k, n/ k)和 IgkOn' k, n/ k),提取出二值數(shù)字水印W' k中坐標(biāo)位置為(m' k, n/ k)的像素的像素值,記為w' k(m/ k, n/ k),具體如下當(dāng) lgk(m' k, n' k)=0 且 tfadkOn' k, n' k) e
圖7b為以圖7a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；圖7c為以圖7a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖7d為以圖7a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像；圖7e為以圖7a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像；圖8a為查詢信息(原始二值數(shù)字水印W4);圖Sb為以圖8a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；
圖Sc為以圖8a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖8d為以圖8a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像；圖Se為以圖8a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像；圖9a為圖3a經(jīng)[9X9]窗口中值濾波后的數(shù)字圖像；圖9b為圖3b經(jīng)[9X9]窗口中值濾波后的數(shù)字圖像；圖9c為圖3c經(jīng)[9X9]窗口中值濾波后的數(shù)字圖像；圖9d為圖3d經(jīng)[9X9]窗口中值濾波后的數(shù)字圖像；圖IOa為從圖9a中提取出的二值數(shù)字水印；圖IOb為從圖9b中提取出的二值數(shù)字水?。粓DIOc為從圖9c中提取出的二值數(shù)字水??；圖IOd為從圖9d中提取出的二值數(shù)字水??；圖Ila為查詢信息(原始二值數(shù)字水印W2);圖Ilb為以圖Ila為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；圖Ilc為以圖Ila為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖Ild為以圖Ila為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像；圖lie為以圖Ila為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像；

圖12a為圖3a經(jīng)JPEG壓縮(8%質(zhì)量因子)后的數(shù)字圖像；圖12b為圖3b經(jīng)JPEG壓縮(8%質(zhì)量因子)后的數(shù)字圖像；圖12c為圖3c經(jīng)JPEG壓縮(8%質(zhì)量因子)后的數(shù)字圖像；圖12d為圖3d經(jīng)JPEG壓縮(8%質(zhì)量因子)后的數(shù)字圖像；圖13a為從圖12a中提取出的二值數(shù)字水?。粓D13b為從圖12b中提取出的二值數(shù)字水印；圖13c為從圖12c中提取出的二值數(shù)字水印；圖13d為從圖12d中提取出的二值數(shù)字水印；圖14a為查詢信息(原始二值數(shù)字水印W3);圖14b為以圖14a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；圖14c為以圖14a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖14d為以圖14a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像；圖14e為以圖14a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像；圖15a為圖3a經(jīng)疊加均值為O方差為O. 05高斯噪聲后的數(shù)字圖像；圖15b為圖3b經(jīng)疊加均值為O方差為O. 05高斯噪聲后的數(shù)字圖像；圖15c為圖3c經(jīng)疊加均值為O方差為O. 05高斯噪聲后的數(shù)字圖像；圖15d為圖3d經(jīng)疊加均值為O方差為O. 05高斯噪聲后的數(shù)字圖像；
圖16a為從圖15a中提取出的二值數(shù)字水?。粓D16b為從圖15b中提取出的二值數(shù)字水??；圖16c為從圖15c中提取出的二值數(shù)字水印；圖16d為從圖15d中提取出的二值數(shù)字水?。粓D17a為查詢信息(原始二值數(shù)字水印W4)；圖17b為以圖17a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；圖17c為以圖17a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖17d為以圖17a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像； 圖17e為以圖17a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像；圖18a為圖3a經(jīng)切去右上角256 X 256像素點(diǎn)后的數(shù)字圖像；圖18b為圖3b經(jīng)切去右上角256X256像素點(diǎn)后的數(shù)字圖像；圖18c為圖3c經(jīng)切去右上角256X256像素點(diǎn)后的數(shù)字圖像；圖18d為圖3d經(jīng)切去右上角256X256像素點(diǎn)后的數(shù)字圖像；圖19a為從圖18a中提取出的二值數(shù)字水??；圖19b為從圖18b中提取出的二值數(shù)字水?。粓D19c為從圖18c中提取出的二值數(shù)字水??；圖19d為從圖18d中提取出的二值數(shù)字水印；圖20a為查詢信息(原始二值數(shù)字水印W1)；圖20b為以圖20a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第一幅數(shù)字圖像；圖20c為以圖20a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第二幅數(shù)字圖像；圖20d為以圖20a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第三幅數(shù)字圖像；圖20e為以圖20a為查詢信息進(jìn)行檢索的檢索結(jié)果中的第四幅數(shù)字圖像。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。針對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字圖像檢索技術(shù)中所需存貯空間較大、安全性較差的局限性，本發(fā)明提出了一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入和提取方法，本發(fā)明在數(shù)字水印嵌入(圖像作品入庫(kù))過(guò)程中是將數(shù)字水印技術(shù)引入到數(shù)字圖像檢索過(guò)程中，具體是通過(guò)構(gòu)造與原始數(shù)字圖像內(nèi)容相關(guān)的二值圖像(如作者簽名、版權(quán)標(biāo)志、序列號(hào)、日期或圖標(biāo)等)作為二值數(shù)字水印嵌入到原始數(shù)字圖像作品中，同時(shí)在數(shù)字水印提取過(guò)程(圖像作品檢索環(huán)節(jié))中又作為數(shù)字圖像檢索時(shí)的查詢信息，而將提取到的二值數(shù)字水印一方面用于數(shù)字圖像檢索過(guò)程中的特征信息，通過(guò)計(jì)算與查詢信息之間的相關(guān)度來(lái)達(dá)到快速、準(zhǔn)確的數(shù)字圖像檢索目的，另一方面用于數(shù)字圖像安全領(lǐng)域的版權(quán)信息，起到數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)等目的，這樣有效地提高了數(shù)字圖像作品的安全性。本發(fā)明的數(shù)字水印嵌入和提取方法不僅避免了大容量特征索引數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，有效解決了存儲(chǔ)空間的問(wèn)題，而且在經(jīng)受常規(guī)圖像處理和外來(lái)攻擊之后也可快速、準(zhǔn)確地檢索出所需的數(shù)字圖像。進(jìn)一步，在檢索過(guò)程中，數(shù)字圖像始終處于版權(quán)保護(hù)之下，提高了作品的安全性，保護(hù)了版權(quán)所有者的利益。本發(fā)明提出的一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入方法，它的處理過(guò)程為首先，對(duì)待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像進(jìn)行歸一化處理；其次，對(duì)歸一化處理后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行二維離散小波變換，得到一個(gè)第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖；將第一小波逼近子圖分解為一個(gè)小數(shù)部分第一小波逼近子圖和一個(gè)整數(shù)部分第一小波逼近子圖；再次，根據(jù)待嵌入的二值數(shù)字水印中的每個(gè)像素的像素值，結(jié)合小數(shù)部分第一小波逼近子圖中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)取值范圍，對(duì)小數(shù)部分第一小波逼近子圖中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)值進(jìn)行二值量化處理，實(shí)現(xiàn)二值數(shù)字水印的嵌入，并返回一個(gè)二值邏輯表；然后，將二值量化處理后得到的新的小數(shù)部分第一小波逼近子圖和整數(shù)部分第一小波逼近子圖組合成新的第一小波逼近子圖；將新的第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖一起進(jìn)行二維離散小波逆變換，得到嵌入有二值數(shù)字水印的數(shù)字圖像；最后，將二值數(shù)字水印及在二值數(shù)字水印嵌入過(guò)程中返回的邏輯表傳輸給數(shù)字水印提取端。本發(fā)明的數(shù)字水印嵌入方法，它具體包括以下步驟①-I、在數(shù)字水印嵌入端，假設(shè)有K個(gè)待嵌入的二值數(shù)字水印和K幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像，將第k個(gè)二值數(shù)字水印記為Wk，Wk={wk|wk(mk，nk)=0或I, I ^ mk ^ Mk, I ^ nk ^ Nk}，將第k幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像記為 Fk，F(xiàn)k={fk|0 ^ fk(ik, jk) ( 255，I 彡 ik 彡 Ik，I 彡 jk 彡 Jk}，其中，I 彡 k 彡 K，K ^ I, Wk的分辨率為MkXNk, wk(mk, nk)表示W(wǎng)k中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的像素的像素值，F(xiàn)k的分辨率為IkXJk，fk(ik，jk)表示Fk中坐標(biāo)位置為(ik，jk)的像素的像素值。不失一般性，為處理方便，在此假設(shè)第k個(gè)二值數(shù)字水印Wk的豎直分辨率Mk與水平分辨率Nk相等，即Mk=Nk,同時(shí)假設(shè)第k幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像Fk的豎直分辨率Ik與水平分辨率 Jk 相等，即 Ik=Jk,且滿足//(/ Mk = 2Zi Jk I Nk = 2h ,Lk ^ I0在此，K個(gè)待嵌入的二值數(shù)字水印均為二值圖像，分別選自于與各自原始數(shù)字圖像內(nèi)容相關(guān)的二值圖像，可以是圖像作者簽名、圖標(biāo)、版權(quán)標(biāo)志、序列號(hào)和創(chuàng)建日期等，既包含了原始數(shù)字圖像的某些內(nèi)容特征，可用于圖像檢索時(shí)的查詢信息，又反映了原始數(shù)字圖像的版權(quán)信息，可用于圖像版權(quán)保護(hù)等目的。在此，圖像庫(kù)里待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字圖像皆為Sbit灰度圖像。①_2、假設(shè)當(dāng)前正在處理的待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像為第k幅待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字Sbit灰度圖像Fk。①-3、對(duì)Fk進(jìn)行歸一化處理，將Fk經(jīng)歸一化處理后得到的數(shù)字圖像F' k中坐標(biāo)位置為(ik，jk)的像素的像素值記為f' k(ik, jk), f' k(ik，jk)=fk(ik，jk)/255，其中，I ^ ik ^ Ik, I ^ Jk ( Jko①-4、對(duì)F' k進(jìn)行Lk級(jí)二維離散小波變換，得到一個(gè)第一小波逼近子圖和多個(gè)第一小波細(xì)節(jié)子圖，將F' k對(duì)應(yīng)的第一小波逼近子圖記為FAk，其中，Lk=Iog2 (Ik/Mk) =Iog2 (Jk/Nk)，F(xiàn)Ak 的分辨率為(/* nLk )x(.4/2^- ) α①-5、將FAk分解為小數(shù)部分和整數(shù)部分兩部分?jǐn)?shù)據(jù)子圖，得到一個(gè)小數(shù)部分第一小波逼近子圖和一個(gè)整數(shù)部分第一小波逼近子圖，分別記為FADk和FAIk,在此假設(shè)令
M ( ,Λ )表示FAk中坐標(biāo)位置為的系數(shù)的系數(shù)值，令X (ζ,Λ )表示FADk中坐標(biāo)位置為( ，Ζ)的系數(shù)的系數(shù)值，令M (￠,./T)表示FAIk中坐標(biāo)位置為(H)的系數(shù)的系數(shù)值，則有
fadk(4,JkI=K(%，A)-[/%(4>Jk)j，>4(4’Λ) = [A(4’Λ其中，符號(hào)表示取小于其自身的最大整數(shù)，〗^(/,/2￡*-) a < Jk <{Jk /).,①-6、根據(jù)Wk中的每個(gè)像素的像素值，對(duì)FADk中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)值進(jìn)行二值量化處理，實(shí)現(xiàn)二值數(shù)字水印Wk的嵌入，并返回一個(gè)二值邏輯表，將經(jīng)二值量化處理后得到的小數(shù)部分第一小波逼近子圖記為FAD' k，將返回的二值邏輯表記為L(zhǎng)gk。在此具體實(shí)施例中，步驟①-6的具體過(guò)程為al、將FADk中當(dāng)前正在處理的系數(shù)定義為當(dāng)前系數(shù)；a2、假設(shè)當(dāng)前系數(shù)的坐標(biāo)位置為(mk，nk)，則將當(dāng)前系數(shù)的系數(shù)值記為 fadk (mk, nk),其中，I < mk < Mk, I < nk < Nk ;a3、根據(jù) fadk (mk, nk)和 Wk 中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的像素的像素值wk(mk，nk),計(jì)算FAD' k中坐標(biāo)位置為(mk, nk)的系數(shù)的系數(shù)值，記為fad' k(mk，nk)，并返回二值邏輯表Lgk中坐標(biāo)位置為(mk，nk)的元素的邏輯值Igk (mk, nk),具體如下當(dāng) wk (mk, nk) =0 且 fadk(mk, nk) e
本發(fā)明的數(shù)字水印提取方法，它具體包括以下步驟②-I、在數(shù)字水印提取端，假設(shè)有K個(gè)待提取的二值數(shù)字水印和K幅待提取二值數(shù)字水印的數(shù)字8bit灰度圖像，將第k個(gè)二值數(shù)字水印記為W' k，Ψ k= {w ' k|w' k(m/ k, n 'k, I < n ' k ^ N ; k}，將第 k 幅待提取二值數(shù)字水印的數(shù)字8bit灰度圖像記為T(mén)Fk，TFk={tfk|0彡tfk(i' k，j' k)彡255，ISi' k^r k，l 彡 j' k<J' k}，其中，I 彡 k彡 K，K 彡 1，W' k 的分辨率為 M' kXN' k，在此假設(shè)M' k=N' k，且W' k的分辨率與數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印的分辨率相同，k(m/ k,n/ k)表示V k中坐標(biāo)位置為(m' k,n/ k)的像素的像素值，TFk的分辨率為Γ kXJ' k，在此假設(shè)Γ k=J' k，且TFk的分辨率與數(shù)字水印嵌入端待嵌入二值數(shù)字水印的原始數(shù)字8bit灰度圖像的分辨率相同，tfk(i' k，j' k)表示TFk中坐標(biāo)位置為(i' k，j' k)的像素的像素值。在此，圖像庫(kù)里待提取二值數(shù)字水印的數(shù)字圖像(或待檢索圖像)皆為Sbit灰度圖像。②_2、假設(shè)當(dāng)前正在處理的待提取二值數(shù)字水印的數(shù)字8bit灰度圖像為第k幅待提取二值數(shù)字水印的數(shù)字8bit灰度圖像TFk。②-3、對(duì)TFk進(jìn)行歸一化處理，將TFk經(jīng)歸一化處理后得到的數(shù)字圖像TF ' k中坐標(biāo)位置為(i ' k；j ' k)的像素的像素值記為tf ' k(i ' k, j ' k),tf' k(i' k，j' k)=tfk(i/ k，j' k)/255，其中，I 彡 i' Γ k，l<j' k 彡 J' k。②-4、對(duì)TF' k進(jìn)行L' k級(jí)二維離散小波變換，得到一個(gè)第二小波逼近子圖和多個(gè)第二小波細(xì)節(jié)子圖，將TF' k對(duì)應(yīng)的第二小波逼近子圖記為T(mén)FAk,其中，L' k=log2(r J
M' k) =Iog2 (J' k/N' ,)，丁 八，的分辨率為((/2/;^./卜/2”'-,②-5、將TFAk分解為小數(shù)部分和整數(shù)部分兩部分?jǐn)?shù)據(jù)子圖，得到一個(gè)小數(shù)部分第二小波逼近子圖和一個(gè)整數(shù)部分第二小波逼近子圖，分別記為T(mén)FADk和TFAIk,在此假設(shè)令
抑表示TFAk中坐標(biāo)位置為的系數(shù)的系數(shù)值，令的4(H)表示TFADk中坐標(biāo)位置為( )的系數(shù)的系數(shù)值，令#4( )表示TFAIk中坐標(biāo)位置為(U)的系數(shù)的系數(shù)值，則有《(α)=柯(CH典4 )]，柯(WH爽( )]，其中，符號(hào)表示取小于其自身的最大整數(shù)，isI7 ii/ /2^1,1 <J <(/ Hh') O
Λ \ kI\ i/②-6、根據(jù)數(shù)字水印嵌入端傳輸給數(shù)字水印提取端的二值邏輯表Lgk及TFADk中的每個(gè)系數(shù)的系數(shù)值，提取出二值數(shù)字水印W' k。在此具體實(shí)施例中，步驟②-6的具體過(guò)程為cl、將TFADk中當(dāng)前正在處理的系數(shù)定義為當(dāng)前系數(shù)，將Lgk中當(dāng)前正在處理的元素定義為當(dāng)前元素；c2、假設(shè)當(dāng)前系數(shù)的坐標(biāo)位置為(m' k，n' k)，則將當(dāng)前系數(shù)的系數(shù)值記為tfadk (m' k，η ' k)，假設(shè)當(dāng)前元素的坐標(biāo)位置為(m' k，n' k)，則將當(dāng)前元素的邏輯值記為lgk(m' k，η ' k)，其中，I Sm' k ^ Mk, I ^ n1 k ^ k ;c3、根據(jù) tfadk (m' k, n/ k)和 IgkOn' k, n/ k),提取出二值數(shù)字水印W' k中坐標(biāo)位置為(m' k, n/ k)的像素的像素值,記為w' k(m/ k, n/ k),具體如下當(dāng) lgk(m' k, n/ k)=0 且 tfadkOn' k, n/ k) e
，#4(C/)=，其中，符號(hào)“[j*，表示取小于其自身的最大整數(shù)，I</ <(/ /2^') ι <./^ <(/ Hh')； 所述的步驟②-6的具體過(guò)程為cl、將TFADk中當(dāng)前正在處理的系數(shù)定義為當(dāng)前系數(shù)，將Lgk中當(dāng)前正在處理的元素定義為當(dāng)前元素；c2、假設(shè)當(dāng)前系數(shù)的坐標(biāo)位置為(m' k，n' k)，則將當(dāng)前系數(shù)的系數(shù)值記為tfadk(m' k，η ' k)，假設(shè)當(dāng)前元素的坐標(biāo)位置為(m' k，n' k)，則將當(dāng)前元素的邏輯值記為lgk(m' k，η ' k)，其中，I Sm' J5SM' k, I n; k ^ k ;c3、根據(jù) tfadk (m' k, n/ k)和 IgkOn' k, n/ k),提取出二值數(shù)字水印W' k中坐標(biāo)位置為(m' k, n/ k)的像素的像素值,記為w' k(m/ k, n/ k),具體如下當(dāng) lgk(m' k, n/ k)=0 且 tfadkOn' k, n/ k) e [0,0.5)時(shí)，置 w' k(m/ k, n/ k)=0 ；當(dāng) Igk(m 1 k, n 1 k)=0 且 tfadk(m 1 k, n 1 k) e [0. 5，I)時(shí)，置 w ' k(m 1 k, n 1 k)=l ；當(dāng) IgkOn' k, n 1 k)=l 且 tfadk(m ' k, n 1 k) e [0，0. 5)時(shí)，置 w ' k(m 1 k, n 1 k)=l;當(dāng)IgkOn' k, n/ k)=l 且 tfadkOn' k, n/ k) e [0. 5,1)時(shí)，置 w' k(m/ k, n/ k) =0 ;c4、將 TFADk中下一個(gè)待處理的系數(shù)作為當(dāng)前系數(shù)，將Lgk中下一個(gè)待處理的元素作為當(dāng)前元素，然后返回步驟c2繼續(xù)執(zhí)行，直至TFADk中的所有系數(shù)和Lgk中的所有元素處理完畢，實(shí)現(xiàn)二值數(shù)字水印f k的提取。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印提取方法，其特征在于所述的步驟②-7中根據(jù)r的大小確定數(shù)字水印嵌入端嵌入的用于版權(quán)保護(hù)的二值數(shù)字水印Wk是否被成功提取的具體過(guò)程為如果r的值為1，則確定提取出的二值數(shù)字水印r k與數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk完全一致，表明數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk被無(wú)損地提取出，可用于版權(quán)保護(hù)；如果r的值介于I δτ之間，則確定提取出的二值數(shù)字水印r k與數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk的相似性很大，此時(shí)能夠從提取出的二值數(shù)字水印W' k中辨認(rèn)出數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk，表明數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk被成功提取出，可用于版權(quán)保護(hù)，其中，δτ為設(shè)定的水印提取門(mén)限；如果r的值小于δτ，則確定提取出的二值數(shù)字水印W' k與數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk的相似性很小，此時(shí)無(wú)法從提取出的二值數(shù)字水印r k中辨認(rèn)出數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印wk，表明數(shù)字水印嵌入端嵌入的二值數(shù)字水印Wk提取失敗。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印提取方法，其特征在于所述的步驟②-9中根據(jù)K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)ri、r2、···、！■,、…、rK由大及小的順序返回對(duì)應(yīng)的K幅嵌入有二值數(shù)字水印的數(shù)字Sbit灰度圖像的具體過(guò)程為dl、找出K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)A、r2、…、rk、…、rK中值最大的一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù),記為Iiiaxr1,假設(shè)Hiaxr1為K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)a、r2、…、rk、…、rK中的第k'個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù),貝U返回嵌入有第k'個(gè)二值數(shù)字水印Wk,的數(shù)字Sbit灰度圖像，作為符合用戶檢索要求的第I幅圖像，其中，I < k' < K ;d2、找出剩余的K-I個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)中值最大的一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，記為maxr2,假設(shè)maxr2為K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)…、rk、…、rK中的第k"個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，則返回嵌入有第k"個(gè)二值數(shù)字水印Wk 的數(shù)字8bit灰度圖像，作為符合用戶檢索要求的第2幅圖像，其中，I < k" < K ;d3、找出剩余的K-2個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)中值最大的一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，記為maxr3,假設(shè)maxr3為K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)巧、r2、…、rk、…、rK中的第k'"個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，則返回嵌入有第k'"個(gè)二值數(shù)字水印Wk, 的數(shù)字8bit灰度圖像，作為符合用戶檢索要求的第3幅圖像，其中，Kk' " <K;d4、按照步驟d3的操作，以相同的方式繼續(xù)找出每次剩余的歸一化相關(guān)系數(shù)中值最大的一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，以此返回對(duì)應(yīng)的嵌入有二值數(shù)字水印的數(shù)字8bit灰度圖像，直至剩下最后一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)，將最后一個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù)記為maxrK,假設(shè)maxrK為K個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù);…、rk、…、:rK中的第k*個(gè)歸一化相關(guān)系數(shù),則返回嵌入有第k*個(gè)二值數(shù)字水印Wk*的數(shù)字8bit灰度圖像，作為用戶檢索到的最后一幅圖像，其中，I彡k*彡K。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于圖像檢索和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入和提取方法，數(shù)字水印嵌入方法將數(shù)字水印技術(shù)引入到圖像檢索過(guò)程中，在數(shù)字圖像作品入庫(kù)環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)字圖像嵌入二值數(shù)字水印，使其處于版權(quán)保護(hù)之下，提高了數(shù)字圖像檢索過(guò)程中作品的安全性；數(shù)字水印提取方法將數(shù)字水印技術(shù)引入到圖像檢索過(guò)程中，將嵌入的二值數(shù)字水印作為數(shù)字圖像檢索時(shí)的查詢信息，將提取出的二值數(shù)字水印作為數(shù)字圖像檢索時(shí)的特征信息，保證了檢索的針對(duì)性，同時(shí)避免了大容量索引數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，解決了存儲(chǔ)空間的問(wèn)題；由于嵌入的數(shù)字水印具有很好的魯棒性，因此在數(shù)字圖像作品經(jīng)受常規(guī)圖像處理或外來(lái)攻擊之后，仍可有效地提取出嵌入的數(shù)字水印，保證了圖像檢索的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)H04N1/32GK102883091SQ20121035945
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者周亞訓(xùn), 徐星辰, 鄭世超, 殷丹丹, 彭勝喜, 齊亞偉 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)