專利名稱：一種能抵抗裁剪攻擊的數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像數(shù)字水印領(lǐng)域，具體涉及一種基于互補(bǔ)擴(kuò)頻碼的，能抵抗裁剪攻擊的數(shù)字水印方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字水印技術(shù)是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號(hào)。通常數(shù)據(jù)內(nèi)容叫做 “載體”，記號(hào)叫做“水印”。水印通常是不可見(jiàn)或不可察的，但是通過(guò)一些計(jì)算操作可以被提取。水印與載體緊密結(jié)合并隱藏其中，成為載體不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞載體使用價(jià)值的操作而存活下來(lái)，這種操作通常叫做“攻擊”。一般認(rèn)為數(shù)字水印系統(tǒng)是由兩部分組成的——水印嵌入和水印提取。根據(jù)載體的類型可以將數(shù)字水印分為圖像水印、 音頻水印、視頻水印、文本水印、軟件水印等。由于圖像處理軟件的強(qiáng)大功能和普及，相比其他數(shù)字水印，圖像數(shù)字水印遭受攻擊的可能性更大、種類更多，即便是不懂專業(yè)技術(shù)的普通用戶也能夠?qū)D像進(jìn)行裁剪、模糊、添加噪聲、添加文字、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，因此對(duì)圖像數(shù)字水印的嵌入和提取方法提出了更高的要求。在所有攻擊中，裁剪攻擊是較難抵抗的攻擊。已有的抗裁剪攻擊的數(shù)字水印方法大多為將裁掉的部分用黑色或者白色圖像塊補(bǔ)齊圖像尺寸，這種方法顯然不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。本發(fā)明要給出一種能抵抗裁剪攻擊的圖像數(shù)字水印方法，該方法基于互補(bǔ)擴(kuò)頻碼技術(shù)，水印嵌入圖像空域，無(wú)需補(bǔ)齊圖像尺寸，具有較好的魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出一種能抵抗裁剪攻擊的圖像數(shù)字水印方法。該方法能夠從裁剪過(guò)的圖像中提取水印。本發(fā)明的技術(shù)方案是嵌入1.水印預(yù)處理以人工輸入或者從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取的方式獲得要嵌入到圖像中的水印w，水印w為一 0-1序列，長(zhǎng)度為m比特。給水印w加上一個(gè)人工構(gòu)造的長(zhǎng)度為1比特的水印頭，水印頭也是一個(gè)0-1序列。然后對(duì)加了水印頭的水印進(jìn)行糾錯(cuò)編碼。預(yù)處理后的水印記為whC，whC是一個(gè)長(zhǎng)度為η的0-1序列。其中對(duì)加了水印頭的水印進(jìn)行糾錯(cuò)編碼這一步是可選的，因此η彡1+m。2.水印擴(kuò)頻。2. 1從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取η對(duì)互補(bǔ)擴(kuò)頻碼，記為(C1, S1)，(C2，S2)，. . .，(Cn, Sn)，所有擴(kuò)頻碼均為長(zhǎng)度為K的一維雙極性碼，即由+1和-1構(gòu)成的一維碼。2. 2將Ci和Si, i = 1，2，. . .，η均按照從上到下、從左到右的順序排為Ii1Xlc2的矩陣，其中Ii1Xlc2 = K。2. 3定義一個(gè)Ii1Xlc2的全0矩陣CS，循環(huán)變量ρ = 1，嵌入強(qiáng)度q。q的值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)不可見(jiàn)性和魯棒性的要求確定，可取正實(shí)數(shù)中的任何值，一般取0.1-10之間的數(shù)值。2. 4 如果 whcp = 1，則 CS = CS+q(Cp+Sp)；否則，CS = CS_q(Cp+Sp)。ρ = p+1。其中whcp表示whc中的第ρ個(gè)元素，取值為0或1。2. 5如果ρ >n，轉(zhuǎn)第3步；否則轉(zhuǎn)2. 4步。3.圖像預(yù)處理從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取一個(gè)MXN圖像，利用圖像處理中YIQ變換提取圖像灰度Y、色調(diào)A和色飽和度B，將灰度分量大小歸一化為4ki X 4k2大小，記歸一化后的灰度分量為I，將I分為4X4的圖像塊，共Ii1Xlc2個(gè)圖像塊，記為Iij, i = 1,2, . . .，k1; j =4.嵌入對(duì)每一個(gè)圖像塊Iij按照同樣的方法嵌入CS中1個(gè)元素CSijtl其中CSij 表示矩陣CS中第i行第j列的元素。4. 1計(jì)算Iij邊上一圈像素的均值&。4. 2將Iu中間4個(gè)像素值置為4+0 。修改后的圖像塊，即嵌入水印的圖像塊記為 I' iJO5.圖像重構(gòu)將所有I' u拼接出圖像灰度分量Γ，恢復(fù)圖像原始尺寸，即將Γ 大小歸一化為MXN，利用YIQ逆變換從色調(diào)A和色飽和度B中恢復(fù)I ‘的色彩信息，得到重構(gòu)后的圖像，即帶水印的圖像。提取1.圖像預(yù)處理從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取一個(gè)MXN圖像，利用圖像處理中YIQ變換提取圖像灰度Y'、色調(diào)A'和色飽和度B'，將灰度分量大小歸一化為41^Χ41 2大小，記歸一化后的灰度分量為I'，將I'分為4X4的圖像塊，共Ic1Xli2個(gè)圖像塊，記為I' ij，i = l，
2，· · ·，，j1_，2，···，1^2 ο2.提取對(duì)每一個(gè)圖像塊Γ 按照同樣的方法提取出CS中1個(gè)元素CSU。2. 1計(jì)算Γ ,j邊上一圈像素的均值 \。2. 2計(jì)算I ‘ ,j中間4個(gè)像素的均值/"http://。2. 3 置CSij=IW2. 4將CS按照一行一行的順序排為一個(gè)一維向量。3.讀取水印擴(kuò)頻碼重新從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取嵌入時(shí)用到的η對(duì)互補(bǔ)擴(kuò)頻碼(C1, S》，(C2，S2)，· ··，(Cn Sn) ο4.計(jì)算相關(guān)度利用信號(hào)處理領(lǐng)域中計(jì)算線性相關(guān)度的方法，分別計(jì)算CS與CJSi 的線性相關(guān)度，記為ti; i = 1，2，...，n。5.恢復(fù)水印如果、彡0，則恢復(fù)出的水印whc' i=l;否則Whc' i = 0，i = l，
2 9 · · · j η ο6.恢復(fù)原始水印對(duì)whc'進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼，如果得到的水印頭與原始水印頭相同， 則水印頭之后的部分是原始水印；否則，圖像中沒(méi)有嵌入水印。本發(fā)明與其他認(rèn)證方法相比具有以下特點(diǎn)1.能抵抗裁剪攻擊，且提取時(shí)無(wú)需補(bǔ)齊圖像尺寸。2.除能抵抗裁剪攻擊外，還能夠抵抗濾波、加噪、JPEG壓縮、旋轉(zhuǎn)、縮放、添加文字等攻擊，魯棒性好。3.只在圖像空域操作，省去了對(duì)圖像進(jìn)行頻域變換和逆變換的操作，速度快。4.盲提取不需要原始圖像，僅憑帶水印的圖像就能提取出水印。


圖1總體流程圖。圖2嵌入流程圖。圖3水印預(yù)處理流程圖。圖4水印擴(kuò)頻流程圖。
圖5圖像預(yù)處理流程圖。圖6水印嵌入示意圖。圖7圖像重構(gòu)流程圖。圖8提取流程圖。圖9水印提取示意圖。圖10恢復(fù)原始水印流程圖。圖11 一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。圖12實(shí)際例子中的原始圖像。圖13實(shí)際例子中的帶水印圖像。
具體實(shí)施例方式圖1表示的是本發(fā)明的總體流程圖。通過(guò)嵌入過(guò)程將水印嵌入圖像中，帶水印的圖像可能遭受到來(lái)自外界的有意或者無(wú)意的攻擊，可以從遭受到攻擊的圖像中提取出水印。圖2表示的是本發(fā)明的嵌入流程圖。水印經(jīng)過(guò)預(yù)處理和擴(kuò)頻，嵌入到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像中，然后對(duì)圖像進(jìn)行重構(gòu)得到帶水印的圖像。圖3表示的是本發(fā)明的水印預(yù)處理流程圖。以人工輸入或者從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取的方式獲得要嵌入到圖像中的水印《，水印為一 0-1序列，長(zhǎng)度為m比特。給水印w加上一個(gè)人工構(gòu)造的長(zhǎng)度為1比特的水印頭h，水印頭h也是一個(gè)0-1序列，加水印頭的目的是提取時(shí)用來(lái)判斷圖像中是否有水印。然后對(duì)加了水印頭的水印進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，其中糾錯(cuò)編碼可以選用BCH、卷積、重復(fù)編碼等糾錯(cuò)編碼中的任何一種，目的是降低水印誤碼率。預(yù)處理后的水印記為whc，whc是一個(gè)長(zhǎng)度為η的0-1序列。圖4表示的是本發(fā)明的水印擴(kuò)頻流程圖。從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取η對(duì)互補(bǔ)擴(kuò)頻碼，記為 (C1, S1)，(C2, S2)，· · ·，(Cn, Sn)，所有擴(kuò)頻碼均為長(zhǎng)度為K的一維雙極性碼。將Ci和Si, i = 1,2, ..., η均按照從上到下、從左到右的順序排為Ic1Xli2的矩陣，其中Ic1Xli2 = K，即按照從上到下一行一行的順序排為矩陣。定義一Ak1Xli2的全0矩陣CS，循環(huán)變量P = 1，嵌入強(qiáng)度q。q的值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)不可見(jiàn)性和魯棒性的要求確定，可取正實(shí)數(shù)中的任何值。如果 whcp = 1，則 CS = CS+q(Cp+Sp)；否則，CS = CS_q(Cp+Sp)，ρ = ρ+1，該過(guò)程直到 ρ = η+1 時(shí)停止。得到Ic1Xk2的矩陣CS。圖5表示的是本發(fā)明的圖像預(yù)處理流程圖。從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取一個(gè)MXN圖像，利用圖像處理中YIQ變換提取圖像灰度Y、色調(diào)A和色飽和度B，將灰度分量大小歸一化為 4ΚΧ41 2大小，記歸一化后的灰度分量為I，將I分為4X4的圖像塊，共Ic1Xli2個(gè)圖像塊，記為Iij, i = 1，2，...，k1; j = 1，2，... Λ2。其中圖像大小M和N、色調(diào)Α、色飽和度B需暫時(shí)保存，供圖像重構(gòu)時(shí)使用。圖6表示的是本發(fā)明的水印嵌入示意圖。對(duì)每一個(gè)4X4的圖像塊 Iij按照同樣的方法嵌入CS中1個(gè)元素CSij, i = 1,2, ... , k1 j = 1,2,..., lc2。記Iij的16個(gè)像素分別為Iijl，Iij2，. . .，Iijl6,計(jì)算Iij邊上一圈像素的均值 4=(/訴+/的+/訴+/辦+/於+/卵+/訴+/訴2+/訴3+/訴4+/訴5+/訴6)/12。將Iij中間4個(gè)像素Ii, Iij7，IijIO' IijIi的值均置為，得到新的4X4圖像塊Γ圖7表示的是本發(fā)明的圖像重構(gòu)流程圖。將所有I' u拼接出圖像灰度分量Γ， 恢復(fù)圖像原始尺寸，即將I ‘大小歸一化為ΜΧΝ，利用YIQ逆變換從色調(diào)A和色飽和度B中恢復(fù)Γ的色彩信息，得到重構(gòu)后的圖像，即帶水印的圖像。圖8表示的是本發(fā)明的提取流程圖。從經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像中提取出CS，并與互補(bǔ)擴(kuò)頻碼計(jì)算相關(guān)度，根據(jù)相關(guān)度恢復(fù)出水印，并經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)解碼、水印頭對(duì)比等過(guò)程恢復(fù)原始水印，或者判斷出圖像中不存在水印。圖9表示的是本發(fā)明的水印提取示意圖。對(duì)每一個(gè)圖像塊Γ。_按照同樣的方法提取出CS中1個(gè)元素CSij, i = 1，2，. . .，k1; j = 1，2，. . .，1 2。計(jì)算Γ ij邊上一圈像素的均值/^^+/^43+/^+/^+/^+49+412+413+414+415+^/16)/12和中間 4 個(gè)像素的均值/'^=0+/^7+/^10+/^11)/4,置將CS按照一行一行的順序排為一個(gè)一維向量。圖10表示的是本發(fā)明的恢復(fù)原始水印流程圖。對(duì)Whc'進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼，取前1比特做為水印頭，如果得到的水印頭與原始水印頭相同，則水印頭之后的部分是原始水??；否貝1J，圖像中沒(méi)有嵌入水印。圖11是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。虛線上面的是水印嵌入過(guò)程，虛線下面的是水印提取
過(guò)程。要嵌入的水印W =‘‘01”，長(zhǎng)度為m = 2比特。給水印w加上一個(gè)人工構(gòu)造的水印頭
h =‘‘10”，長(zhǎng)度1 = 2比特。對(duì)加了水印頭的水印“1001”進(jìn)行(7，4)BCH糾錯(cuò)編碼，編碼
后的水印whc =“ 1001110”，長(zhǎng)度為η = 7比特。從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取η = 7對(duì)長(zhǎng)度為K =
權(quán)利要求
1.一種能抵抗裁剪攻擊的圖像數(shù)字水印方法，其特征在于包括以下步驟嵌入1)水印預(yù)處理獲得要嵌入到圖像中的水印W，水印W為一0-1序列，長(zhǎng)度為m比特；給水印w加上一個(gè)人工構(gòu)造的長(zhǎng)度為1比特的水印頭，水印頭也是一個(gè)0-1序列；預(yù)處理后的水印記為whc，whc是一個(gè)長(zhǎng)度為η的0-1序列；2)水印擴(kuò)頻；2.1從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取η對(duì)互補(bǔ)擴(kuò)頻碼，記為(C1, S1)，(C2, S2),. . . , (Cn, Sn)，所有擴(kuò)頻碼均為長(zhǎng)度為K的一維雙極性碼，即由+1和-1構(gòu)成的一維碼；2. 2將Ci和Si, i = 1，2，. . .，η均按照從上到下、從左到右的順序排為Ii1Xlc2的矩陣， 其中 Ic1Xk2 = K ；2. 3定義一個(gè)Ic1 X k2的全0矩陣CS，循環(huán)變量ρ = 1，嵌入強(qiáng)度q ；q的值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)不可見(jiàn)性和魯棒性的要求確定，可取正實(shí)數(shù)中的任何值，一般取0. 1-10之間的數(shù)值；2. 4 如果 whcp = 1，則 CS = CS+q(Cp+Sp)；否則，CS = CS_q(Cp+Sp) ；ρ = ρ+1 ；其中 whcp 表示whc中的第ρ個(gè)元素，取值為0或1 ；2. 5如果ρ > n，轉(zhuǎn)第3步；否則轉(zhuǎn)2. 4步；3)圖像預(yù)處理從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取一個(gè)MXN圖像，利用圖像處理中YIQ變換提取圖像灰度Y、色調(diào)A和色飽和度B，將灰度分量大小歸一化為41^Χ41 2大小，記歸一化后的灰度分量為I，將I分為4X4的圖像塊，共Ic1Xli2個(gè)圖像塊，記為Iij, i = 1,2, ... , k1 j = 1， 2，· · ·，；4)嵌入對(duì)每一個(gè)圖像塊Iij按照同樣的方法嵌入CS中1個(gè)元素CSij；其中CSij表示矩陣CS中第i行第j列的元素；4. 1計(jì)算Iij邊上一圈像素的均值4. 2將Iu中間4個(gè)像素值置為修改后的圖像塊，即嵌入水印的圖像塊記為I'..；5)圖像重構(gòu)將所有Γu拼接出圖像灰度分量Γ，恢復(fù)圖像原始尺寸，即將Γ大小歸一化為MXN，利用YIQ逆變換從色調(diào)A和色飽和度B中恢復(fù)I ‘的色彩信息，得到重構(gòu)后的圖像，即帶水印的圖像；提取01.圖像預(yù)處理從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取一個(gè)MXN圖像，利用圖像處理中YIQ變換提取圖像灰度Y'、色調(diào)A'和色飽和度B'，將灰度分量大小歸一化為41^Χ41 2大小，記歸一化后的灰度分量為I'，將I'分為4X4的圖像塊，共Ic1Xli2個(gè)圖像塊，記為Γ ij;i = l，2，...， I^1，j = 1，2，· · ·，k2 ；02.提取對(duì)每一個(gè)圖像塊Γ按照同樣的方法提取出CS中1個(gè)元素CSu ；02. 1計(jì)算Γ 邊上一圈像素的均值02. 2計(jì)算I ‘ ,j中間4個(gè)像素的均值/“…02. 3 WOSirW02.4將CS按照一行一行的順序排為一個(gè)一維向量；03.讀取水印擴(kuò)頻碼重新從存儲(chǔ)介質(zhì)上讀取嵌入時(shí)用到的η對(duì)互補(bǔ)擴(kuò)頻碼(C1,S1), (C2，S2)，· · ·，(Cn Sn)；.04.計(jì)算相關(guān)度利用信號(hào)處理領(lǐng)域中計(jì)算線性相關(guān)度的方法，分別計(jì)算CS與CJSi的線性相關(guān)度，記為ti; i = 1，2，···，n;.05.恢復(fù)水印如果、彡0，則恢復(fù)出的水印Whc'i = l;否則Whc' i = 0，i = l， 2 ... J π ；.06.恢復(fù)原始水印對(duì)whc'進(jìn)行譯碼，如果得到的水印頭與原始水印頭相同，則水印頭之后的部分是原始水??；否則，圖像中沒(méi)有嵌入水印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能抵抗裁剪攻擊的圖像數(shù)字水印方法，其特征在于還包括以下步驟步驟1)水印預(yù)處理中對(duì)加了水印頭的水印進(jìn)行糾錯(cuò)編碼；步驟06中恢復(fù)原始水印中對(duì)whc ‘進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼。
全文摘要
一種能抵抗裁剪攻擊的數(shù)字水印方法屬于圖像數(shù)字水印領(lǐng)域。本發(fā)明基于互補(bǔ)擴(kuò)頻碼的嵌入和提前，能抵抗裁剪攻擊的數(shù)字水印方法。本發(fā)明能抵抗裁剪攻擊，且提取時(shí)無(wú)需補(bǔ)齊圖像尺寸，還能夠抵抗濾波、加噪、JPEG壓縮、旋轉(zhuǎn)、縮放、添加文字等攻擊，魯棒性好。只在圖像空域操作，省去了對(duì)圖像進(jìn)行頻域變換和逆變換的操作，速度快。不需要原始圖像，僅憑帶水印的圖像就能提取出水印。
文檔編號(hào)G06T1/00GK102456217SQ20121000391
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者姜楠 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)