基於混沌特性的魯棒性盲水印嵌入與提取方法
2023-07-09 06:27:46 4
專利名稱：基於混沌特性的魯棒性盲水印嵌入與提取方法
技術領域：
本發明涉及一種基於混沌特性的魯棒性盲水印嵌入與提取方法，是一種適用於數字圖像產品的版權認證，防止非法拷貝的數字水印方法。
為實現這樣的目的，本發明設計了一種新的離散餘弦變換(DCT)域魯棒性圖像水印方案，利用混沌隨機性好和容易再生的特性置亂、嵌入和提取水印。首先用一個靜態hash表處理後的混沌序列置亂水印，而後基於混沌序列在頻域中隨機選擇少量的參考點，並在其鄰域內用保留原係數小數部分的奇偶量化法批量嵌入亂序水印。在水印提取過程中，把嵌有水印的圖像進行離散餘弦變換後用跟嵌入過程同樣的混沌密鑰找到參考點，確定每個參考點鄰域內所隱藏的水印比特數，通過查看每個參考點鄰域內修改過的離散餘弦變換係數的奇偶區域，來提取水印比特，將提取的亂序水印經過反置亂得到恢復的水印。
本發明的方法主要包括水印嵌入和水印提取，具體步驟如下1、水印嵌入過程利用一個靜態Hash表處理後的混沌序列置亂二值水印，把原始圖像進行離散餘弦變換(DCT)後，在頻域內用另一個混沌序列隨機選擇少量DCT係數作為參考點，然後在參考點的鄰域內按一定的規則批量地嵌入不定數量的亂序水印比特，每個參考點鄰域內隱藏的水印比特數是隨機的，由一個混沌序列來決定。隱藏水印比特的過程也就是修改DCT係數的過程，本發明通過奇偶量化DCT係數來達到隱藏水印的目的。隱藏水印比特時，視水印比特是「0」還是「1」，通過一個量化步長將係數量化到奇偶區域，再加上其小數部分，即為修改後的頻域係數。將修改後的頻域係數矩陣作DCT逆變換，得到嵌入水印後的圖像。
注意到如果存在邊緣參考點或鄰域重疊嵌入的參考點，將會對水印的提取造成一定的誤判。因為本發明是在一個參考點鄰域內嵌入多個水印比特，參考點相對於宿主圖像的象素數量來說是很少的，因此這類參考點出現的概率是很小的，即使出現，可以在水印嵌入前將這類參考點丟棄。
2、提取水印過程先把嵌有水印的圖像進行DCT變換，然後用跟嵌入過程同樣的混沌密鑰產生的混沌序列找到參考點，確定每個參考點鄰域內所隱藏的水印比特數，通過查看每個參考點鄰域內嵌有水印的DCT係數的奇偶區域來提取水印比特。將提取的亂序水印經過反置亂得到恢復的水印。
由於是通過量化DCT係數以奇偶區域來隱藏水印，從而賦予了圖像頻域係數以二值特徵，提取水印時，只需查看所修改過的頻域係數是偶區域還是奇區域，從而判斷水印比特是「0」還是「1」，因此提取水印過程不用原始圖像。
本發明可以容易地實現在灰度圖像中實時嵌入和提取水印，嵌入的水印安全性和不可見性好，魯棒性強，而且提取水印時不用原圖，易於實時操作；即使圖像遭到比較強的破壞，也能提取出視覺可辨認的二值水印，從而達到版權保護的目的。
在
圖1中混沌序列用於水印置亂、選擇參考點、決定每個參考點鄰域內嵌入的水印比特數，混沌系統的初始參數Key1，Key2，Key3作為水印系統的三個密鑰。
圖2為本發明方法的提取水印過程框圖。
在圖2中的密鑰Key1，Key2，Key3應跟嵌入過程一樣，才能正確提取出水印。
圖3為水印比特為「0」時，DCT係數的奇偶量化示意圖。在圖3中，以「0」水印比特為例，給出了DCT係數的奇偶量化示意圖。 指所要修改的頻域係數，Δ是量化步長。
圖4為本發明水印置亂結果。
圖4(a)為原始二值水印，圖4(b)為置亂後的水印。
圖5為加入水印結果。
圖5(a)為原始圖像，圖5(b)為加入水印後的圖像，圖5(c)為提取的水印。
圖6為含水印圖像受攻擊後提取的水印。
其中，圖6(a)剪切50％面積(DR＝13.82％)，圖6(b)JPEG壓縮到原圖像文件大小的50％(DR＝1.54％)，圖6(c)加入均值為0標準差為52.43的高斯噪聲(DR＝7.91％)，圖6(d)5階30Hz低通濾波(DR＝9.18％)，圖6(e)雙線形插值法放大2倍(DR＝8.77％)，圖6(f)3×1窗口中值濾波(DR＝18.61％)，圖6(g)灰度級數為64的直方圖均衡(DR＝13.38％)。
圖7為量化步長對水印性能的影響。
其中，圖7(a)為量化步長對含水印圖像的峰值信噪比(PSNR)的影響，圖7(b)為量化步長對提取水印的DR的影響。
通過計算可知(fw-f^)(--1,+1),]]>，圖像頻域係數的變化反映了空域象素值的變化，從而影響了圖像的視覺質量，總體上說，頻域係數變化越大，則空域中象素值的變化也越大，所以Δ值影響著含水印圖像的質量，應合理選擇。所用的保留小數部分的奇偶量化法修改頻域係數，使得係數的修改在表面上不易被察覺，從而更利於水印的安全隱藏。3.水印提取含水印圖像首先作DCT變換。應用跟嵌入過程同樣的混沌密鑰K2和K3，在DCT域中找到參考點，並確定每個參考點鄰域內所隱藏的水印比特數目。水印比特的提取方法如下 用混沌密鑰K1，將提取的亂序水印比特作反置亂，再變回二維，得到提取的水印圖像。
水印的魯棒性要求嵌有水印的載體即使受到一定的擾動，也應仍然能恢復水印。通過計算可知，攻擊後的DCT係數f′w如果滿足(f′w-fw)∈(-Δ，Δ)，則應用本發明所提出的水印方案，水印比特能被正確提取，也就是說量化步長Δ值也影響水印的魯棒性，Δ值越大，則魯棒性越好，而水印的不可見性降低，因此Δ值的選擇應該在魯棒性和不可見性之間作折衷考慮。實驗結果為了說明本發明所提出的水印方案的性能和有效性，下面給出實驗仿真結果。實驗中所用的混沌序列均由一維Logistic-map混沌映射產生。圖4是用靜態Hash表處理後的混沌序列置亂64×64二值水印的結果，從圖4中看到水印的置亂效果很好。原始灰度圖像『Lena』大小為512×512，如圖5(a)所示。取量化步長Δ＝25，將圖4(b)所示的置亂後的二值水印嵌入到宿主圖像中，所得的含水印圖像如圖5(b)所示，可以看出水印的不可見性很好。在含水印的圖像沒有收到攻擊時，使用正確的密鑰，提取的水印如圖5(c)所示，可見水印被無誤地提取。圖6(a-g)是含水印圖像經過一系列較強程度的圖像處理後，提取的水印圖像及扭曲率(DR)，其中，圖6(a)剪切50％面積(DR＝13.82％)，圖6(b)JPEG壓縮到原圖像文件大小的50％(DR＝1.54％)，圖6(c)加入均值為0標準差為52.43的高斯噪聲(DR＝7.91％)，圖6(d)5階30Hz低通濾波(DR＝9.18％)，圖6(e)雙線形插值法放大2倍(DR＝8.77％)，圖6(f)3×1窗口中值濾波(DR＝18.61％)，圖6(g)灰度級數為64的直方圖均衡(DR＝13.38％)。從圖中可以看出，儘管含水印圖像受到不同程度的破壞，但提取的水印仍可辨認，從而達到版權證明的目的。圖7為量化步長對水印性能的影響。其中，圖7(a)為量化步長對含水印圖像的峰值信噪比(PSNR)的影響，圖7(b)為量化步長對提取水印的DR的影響。
與現有技術的水印方案相比，本發明所提出的水印方案多次應用混沌系統，設計的水印方案安全可靠、魯棒性強，尤其是抗高斯噪聲和JPEG壓縮的魯棒性效果更明顯。量化步長可根據不同的圖像處理和實際中對圖像質量、魯棒性的要求靈活調節，由於實現簡單且提取水印時不用原圖像，因此便於實時操作。
權利要求
1.一種基於混沌特性的魯棒性盲水印嵌入與提取方法，包括水印嵌入和水印提取，其特徵在於在水印嵌入過程中，利用一個靜態Hash表處理後的混沌序列置亂二值水印，把原始圖像進行離散餘弦變換後，在頻域內用另一個混沌序列隨機選擇離散餘弦變換係數作為參考點，然後在每個參考點的鄰域內按一定的規則批量地嵌入不定數量的亂序水印比特，其個數由一個混沌序列來決定，隱藏水印比特時，視水印比特是「0」還是「1」，通過一個量化步長將係數量化到奇偶區域，再加上其小數部分，即為修改後的頻域係數，將修改後的頻域係數矩陣作離散餘弦變換的逆變換，得到嵌入水印後的圖像；在水印提取過程中，先把嵌有水印的圖像進行離散餘弦變換，然後用跟嵌入過程同樣的混沌密鑰找到參考點，確定每個參考點鄰域內所隱藏的水印比特數，通過查看每個參考點鄰域內修改過的離散餘弦變換係數的奇偶區域，來提取水印比特，將提取的亂序水印經過反置亂得到恢復的水印。
全文摘要
本發明提出一種基於混沌特性的魯棒性盲水印嵌入與提取方法，首先用一個靜態Hash表處理後的混沌序列置亂水印，而後基於混沌序列在頻域中隨機選擇少量的參考點，並在其鄰域內用保留原係數小數部分的奇偶量化法批量嵌入亂序水印。在水印提取過程中，把嵌有水印的圖像進行離散餘弦變換後用跟嵌入過程同樣的混沌密鑰找到參考點，確定每個參考點鄰域內所隱藏的水印比特數，通過查看每個參考點鄰域內修改過的離散餘弦變換係數的奇偶區域，來提取水印比特，將提取的亂序水印經過反置亂得到恢復的水印。本發明對常見的圖像處理具有好的魯棒性，嵌入的水印安全性和不可見性好，實現簡單，易於實時操作。
文檔編號H04N5/913GK1440195SQ03116158
公開日2003年9月3日 申請日期2003年4月3日 優先權日2003年4月3日
發明者何晨, 王宏霞, 蔣鈴鴿, 丁科 申請人:上海交通大學