圖像數字水印方法
2023-05-09 19:04:36 1
專利名稱：圖像數字水印方法
技術領域：
本發明涉及一種信息隱藏技術，確切說是涉及一種圖像數字的頻域水印方法，是一種可以在開放的信息環境下使攜帶數字水印信息的作品、產品能被合法使用，而作品、產品中所隱藏的水印信息，能隨時被提供檢測使用，可以為智慧財產權的保護、隱蔽標識、篡改提示、隱蔽通信和仿偽提供非常有效的解決辦法。
背景技術：
隨著計算機技術的發展，多媒體產品迅速增加。同樣由於網絡的迅速普及使得這些產品的獲取渠道也飛速拓寬，操作這些媒體的各種工具也猛增。所有這些都使得數字產品的合法使用成為一個非常嚴峻的課題。為保護這些產品的版權，僅靠註冊其所有權已無法有效保護作者的合法利益。隨意拷貝、隨意發布，甚至偷換所有權來牟利，這些都嚴重損傷作者的利益。因此，如果通過信息偽裝技術，將版權所有者的個人信息隱藏於其本身作品中，以便隨時鑑別，則維護作者的合法利益將變得比較容易。同樣，將這樣的信息隱藏於註冊的商標中，也可以防止造假者偽造商標；再與其他的防偽技術相複合，可以防止非法拷貝、複印。將信息隱藏技術與傳統的加密技術(如PGP、數字籤名等)相結合，可產生像個人指紋一樣的數據，根據註冊的ID來進行各種認證操作。
數據隱藏類似數據加密，但不同於傳統的加密。數據隱藏的目的不在於限制正常的資料存取，而在於保證隱藏數據不被侵犯和非法重視。另外，信息偽裝必須考慮隱藏的信息在經歷各種環境、操作之後而免遭破壞的能力。在圖像傳遞過程中，機密資料若是在非法攔截者破解的過程中消失，則機密資料可以說是安全的，倘若機密資料是在正常的處理過程中消失，則機密資料的傳遞算是失敗的、無效的，必須重新傳遞。一般的多媒體形式的文件，其信息量都非常大，為了節省傳遞時間，在傳遞之前都會將傳遞的信息資料進行壓縮處理。因此，信息偽裝還必須考慮諸如圖像壓縮這種非惡意操作造成的威脅，使機密資料對正常的有損壓縮技術具有免疫能力。這種免疫力的關鍵是要使隱藏資料的信息不易被有損壓縮破壞，也不易被通常的信號變換操作破環。要求隱藏的數據量與隱藏的免疫力是互相矛盾的，不存在一種完全滿足這兩種要求的方法。通常只能根據需求的不同有所側重，採取某種妥協。從這一點來看，實現真正有效的數據隱藏的難度很大，因而十分具有挑戰性。信息偽裝具有以下幾個特性隱藏性這是信息偽裝的基本要求，經過一系列隱藏處理的圖像(宿主圖像)沒有明顯的變質，隱藏的信息無法被人的感官直接感受。
隱藏場所的安全性。應將欲隱藏的信息藏在目標圖像的內容之中，而非文件頭等處，防止因格式變換而遭到破壞。
免疫性隱藏處理後的圖像，具有抗拒因圖像文件的某種改動而導致隱藏信息的丟失的能力。所謂改動包括傳輸過程中的信息噪聲、過濾操作、重新採樣、編碼、有損壓縮、模/數轉換。
隱藏數據編碼的非對稱性。保證不使存取難度增加。
編碼糾錯性。為了保證隱藏數據的完整性，使其在經過各種操作和變換後仍能很好的恢復。
隱藏數據的自產生性。經過一些變換，可能使圖像產生較大的破壞，如果仍能從留下的數據中恢復隱藏信號，而且恢復過程中不需要宿主圖像，這就要求隱藏的數據必須具有某種自相似特性。
數字水印技術正是這樣一種信息隱藏技術，但又與之不完全相同。近來被作為媒體產品版權保護的強有力的方法在到處都被推薦使用。數字水印是一種媒體數據添加少量信息，在對原數據作微小修改之下使之具有作版權保護的版權資訊的一種技術。在從嵌入水印媒體數據中檢測/提取信息的幫助下，它可以用於跟蹤和鑑別標識作品的所有權、數據的授權使用認證等。例如在數字水印技術用於數字作品的版權保護時，為保證作品的使用不受版權保護要求的影響(如果採用數據加密，則加密後的數據必須經過解密後才能使用)，就必須將版權資訊或其他標誌版權的信息隱形地嵌入到數據中，這是傳統數據加密技術無法處理的。同樣，根據需要可將這樣類似的信息嵌入到媒體數據中，再將其印刷輸出，則可形成數字水印防偽標籤，由於這樣的標籤可以防偽造，但不能防複印拷貝，就必須將數字水印技術與其他的防拷貝技術複合，複合後的防偽標籤將可以以低成本的優勢應用於各種大小商品的防偽。
數字水印有感覺上可見與不可見之分。對於可見水印，就如同貨幣的有形圖案，我們可以通過感覺器官感知；而不可見水印，是指無法直接感知，但又確實存在的東西，我們可以通過特定的方法進行某種處理之後感覺到，如貨幣上的隱形水印，需藉助紫外線照射才可能看見。
通常，不可見水印有兩個基本的要求(1)隱形性，即不能干擾被保護的媒體數據正常使用；(2)穩鍵性，即水印必須難以被破壞或偽造。對於一般的信號處理或惡意攻擊，應不影響水印的正常檢測。特別地，水印在信號處理後仍能被檢測/析取。這些信號處理包括D/A和A/D轉換，重採樣，濾波、平滑、增強、壓縮、幾何變換(旋轉、縮放)、剪切等。另外，該水印還應具有防禦故意的想刪除水印的攻擊行為的能力。數字水印系統應能保證假水印產生的可能性接近沒有。應該注意的是，這兩個基本要求，隱形性和穩健性，是互相衝突的。事實上，數字水印的一個基本問題就是要在這兩者之間達成一個好的平衡。
數字水印的早期研究集中於隱形上，而沒有考慮穩健性要求。最近，大量工作都集中在設計一個穩健的水印方案。各種視覺模型也被用到，以達到兩個基本要求之間的最佳平衡。
通常，水印方案按水印添加的數據狀態可分為兩類空域和頻域方案。空域方法是將水印信息在需保護數據的時域(或空域)直接進行某種幅值調製，而這種調製過程不明顯影響該數據的正常使用。M.Kutter就使用空域方法，並基於測試圖像領域平均評估了原圖像數據，同時探索性估計了測試圖像的判決門限。所謂頻域方法是指水印信息是嵌入在原數據經過某種變換後的頻域數據中。由於絕大多數信號處理操作，在頻域具有很好的特性，且前期的許多好的視覺模型也是在頻域中研究的。因此，頻域水印方案有很大的優勢。
水印方案按檢測方式可分為基於提取的水印方法和基於檢測的水印方法。水印檢測可根據不同要求採取不同的方式。比如有時需要檢測出水印確切信息，有時又只需要檢測有無指定水印信息。因此，相應的水印檢測，可用信號提取方法和信號統計檢測分析方法。
所謂水印提取法，指按一定方法從數據中提取出水印信息，然後該水印信息與所有者的水印信息進行比較。一般來說，能進行水印提取的信息是由有一定意義的信息序列表示的，這些信息按二進位串的形式排列。在嵌入數據中後以各種狀表示，比如以數據的正負表示0、1值；當所有0、1序列從數據中提取出形成一個串時就形成了提取的水印信息。所謂水印檢測法，指不用進行水印提取，而直接從可能含有水印信息的特徵集中進行統計分析，以判斷是否具有指定水印。例如，在數據D中嵌入由所有者提供的信息產生的偽隨機序列S，生成帶水印的數據X作為發行版，在檢測時，只將待檢測的數據X與S進行相關性分析，根據相關程度給出鑑別的真偽。
許多水印方案都要求提供原始數據以供水印檢測，也有一些提出了不需原始數據的水印位檢測。這些方案都不能直接用於版權保護，許多都只能用於一般信息隱藏，不能防破壞攻擊或偽造。以圖像數據為例作如下分析
給定原始圖像I，籤字信息S，然後將S嵌入I創建一帶水印圖像I′，I與I′在感覺上是一樣的。通常，嵌入過程可以是任意函數f(I，s)，但實際應用中的許多嵌入操作只是簡單的加法。水印檢測時，給定等檢測圖像X(假定有確定的水印信息)，首先從X中析取S′(這經常需要使用原始圖像I)，後將S′與S進行相似分析，其相似值與一門限比較，以確定X是否是原始圖像的帶水印的某種版本。以前普遍認為，不可見水印方法可用於數字媒體版權保護，因為從數據中提取的信息必須與擁有者所提供的信息相匹配。然而，研究發現，一個偽劣的水印方案可導致許多人同時宣稱擁有某一作品。換句話說「作品的真正作者再不能以他在此作品中嵌入了他的隱形信息而宣布擁有權，因為別人在技術上可以有同等的證據表明同樣具有所有權」。當一個水印方案的檢測需要原始數據時，就會出現這種情況，這稱為逆鑲嵌水印攻擊。出現這一問題的關鍵點在於，這種水印方法的檢測過程是基於待檢測數據與原始數據的差異進行的。
可以假定I與X之間的差異為可能的水印信息。如果擁有I的人和當前保存X的人都知道這樣一種關係，則他們都可以宣稱另外一個是帶水印版本，而他自己所保存的為原始版本。當然，X的擁有者不應被假設為知道這種關係。因此，表面看來，X的擁有者不能聲明I是X的水印版。但是，擁有X的人實際上可以用X創建一個減去他自己的籤名信息Sx且感覺上與I一樣的複製品X′。現在X的擁有者可以完全知道X與X′之間的關係。對於X′而言，只要籤名信息Sx被承認，I與X是統計相當的，則X′與I就有複製的這種關係。因此，X的擁有者準確知道X′與I之間的關係，他就可以聲稱他擁有原始數據X′，I與X是X′的水印版本。此時，同一種數據就有了兩個甚至多個主權人，沒有其他任何人可以區分真假。更有可能，X的擁有者都懶得作一個複製品X′，直接聲稱自己沒有發行任何水印版本的數據，而I的所有者只是從X中減去了籤名信息Sx得到I，對法官來說根本無法判斷誰是罪犯。
發明內容
本發明的目的在於為解決目前在多媒體數字作品版權保護和認證來源認證、篡改認證、網上發行及用戶跟蹤等方面存在的一系列問題，提供一種隱形性、穩健性、自相似性好，能有效防止逆鑲嵌水印攻擊、防禦故意刪除水印攻擊的圖像數字水印方法，為數字產品的智慧財產權保護，數字圖像的隱蔽標識，為法庭、醫學、新聞及商業所需的篡改提示，數字信息的隱蔽通信和印刷防偽提供可靠的保證。
本發明的目的是通過實施下述技術方案來實現的
一種圖像數字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特徵在於水印信息的生成與隱藏按下述方法進行由用戶提供需保護的產品和個人信息，包括個人的註冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產品中；該過程將按某種算法將生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產品的頻域數據Df中；具體說為給產品添加水印來進行版權保護，其做法是先將產品文件由輸入輸出件讀入，形成產品數據；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進行確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印添加所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據，再由水印嵌入件將水印信息數據嵌入到頻域數據中；之後，由數據變換件將頻域數據變換到時域/空域形成產品數據；最後，由產品輸入輸出件輸出形成添加水印後的產品進行發布；為了檢測一產品版權資訊的真偽，水印信息的檢測按下述方法進行將待檢測產品由產品輸入件讀入形成產品數據；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據；由水印信息檢測件，將頻域數據與水印信息驗證數據進行相關分析，輸出一相關值；最後由結果解釋件對相關輸出值進行解釋。
本方法的優點在於本方法採用的隨機數序列與常規隨機數序列相比較，克服了常規方法的準周期特性；本方法創造的關聯序列，其可靠性無論是對正向猜測攻擊，還是逆向數據分析攻擊都具有阻斷牆作用，其水印檢測的可靠性和有效性得到了極大提高；本方法採用的雙通道水印技術進行水印信息的添加與檢測，在水印信息序列長度一般情況下，可以保證水印檢測的有效性和可靠性；在給定門限時，本方法的誤檢率是傳統相關檢測誤檢率的平方，檢測可靠性提高了一個幾何量級，有效克服了水印信息隱形性與穩健性間的矛盾；本方法中採用的小波變換技術，使得能夠定量的分析圖像中水印信息的能量最優值，使得能夠同時保證水印的隱形性和穩健性，本方法對印刷產品的檢測研究，拓寬了水印技術應用領域。
圖1為水印添加過程及控制項組成示意2為水印檢測過程及控制項組成示意3為水印信息嵌入件的模塊構成示意4為水印信息檢測件的模塊構成示意5為RS件模塊構成示意6為關聯隨機序列發生的模塊結構示意7左圖為常規方法產生的隨機數序列圖，右圖為混沌映射產生的隨機數序列圖具體實施方式
一種圖像數字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特徵在於水印信息的生成與隱藏按下述方法進行由用戶提供需保護的產品和個人信息，包括個人的註冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產品中；該過程將按某種算法生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產品的頻域數據Df中；具體說為給產品添加水印來進行版權保護，其做法是先將產品文件由輸入輸出件讀入，形成產品數據；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進行確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印添加的所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據，再由水印嵌入件將水印信息數據嵌入到頻域數據中；之後，由數據變換件將頻域數據變換到時域/空域形成產品數據；最後，由產品輸入輸出件輸出形成添加水印後的產品進行發布；為了檢測一產品版權資訊的真偽，水印信息的檢測按下述方法進行將待檢測產品由產品輸入件讀入形成產品數據；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據；由水印信息檢測件，將頻域數據與水印信息驗證數據進行相關分析，輸出一相關值；最後由結果解釋件對相關輸出值進行解釋，以此判斷版權資訊的真偽。其中a、產品輸入輸出件是支持多種媒體文件格式的系統，能根據系統給出的指令，讀取產品的某些數據作為空域/時域數據，傳遞給數據變換件；還根據指令接收空域/時域數據，並將之放置回產品的指定位置形成修改後的產品。
b、用戶信息輸入件是用戶提供個人信息的界面，該界面可接收文本或圖像。
c、數據變換件由於小波分析具有較好的時頻特性、快速計算能力、可並行計算及可根據用戶指定數據特性和分析需要自行構造小波等優點，本方法選擇基於小波變換的頻域水印方法；數據變換件根據要求完成數據的正向和逆向數據變換，本方法採用了二維數據的正向和逆向小波變換。
d、隨機序列產生控制項，簡稱RS件數字水印信息包括水印序列S和水印所在位置序列P兩個數據，這兩個序列由RS件產生，因此它是水印信息數據生成件；RS件的輸入接收用戶信息輸入件傳來的明文信息和個人密鑰，嵌入或水印檢測所需要的水印序列和位置序列。由於數字水印的關鍵問題，是解決用戶水印信息的唯一性，可靠性和安全性，即用戶在提供有效或無效輸入時所產生的結果，必須滿足是版權檢測所期望發生的，這個保證就完全由RS件的可靠性和安全性來保證。所以，RS件必須滿足數字水印技術的單向性，同時也必須有足夠的計算複雜度，以防止攻擊者按正向搜索尋找到密碼和明文信息，因此RS應滿足以下要求①不可逆即不能留下逆鑲嵌攻擊漏洞。
②不能分析猜測；分析猜測往往根據輸入與輸出的規律分布，從水印序列和位置序列反猜輸入數據的範圍區間，縮小搜索的空間以較快地獲得猜測的成功。這可以通過增加輸入至輸出的敏感性來克服，即選擇可行算法使得輸入數據的微小變化都會引起輸出序列的大範圍漂移，從而無法定位輸入與輸出的大致映射關係。
③單一輸入對應唯一輸出；為減少不同輸入產生相同輸出的可能性，需要使輸入與輸出為一一映射，這同時也減小了猜測攻擊的可能性。
④隨機猜測概率為0；當過程不可逆且整個輸入與輸出的映射為隨機映射時，攻擊者就可能會簡單地採取猜測攻擊方法，這時，若隨機猜測概率非常小即接近於0時，可以說只有產品所有者才能知道自己的水印信息所在。
對於不可逆性，很多映射函數都具有單向性。因此，主要是防止分析猜測，儘量使單一輸入對應唯一輸出。因為分析猜測主要是根據映射的規律進行的，若這種映射是隨機的，則就不會有規律可尋，其隨機猜測概率就非常小。因此，提高水印信息序列的隨機性是水印技術的一個重要方面。本方法採用動力混沌系統的混沌映射來產生隨機序列，同時在映射過程中進行一些變換以增強對輸入的敏感性；同樣，為儘量減小隨機猜測的概率，本方法以並聯方式生成關聯的水印序列與位置序列，這樣，即使隨機猜中其中一個，也無法同時猜中另外一個。圖5給出了RS件的構成，圖中密碼k和明文信息d來自用戶信息輸入件。本RS件的功能是生成水印信息隨機序列。它首先要確定一個與輸入對應的隨機數種子，該種子產生的序列必須滿足前述基本要求，序列產生操作是用於產生隨機位置序列和服從N(0，1)分布的隨機正態序列；一般情況下，可由模餘隨機數發生器產生均勻隨機整數序列作為位置序列，由正態隨機數發生器產生正態分布序列；本方法用混沌映射來產生
間的均勻隨機數序列，並以此生成位置序列；同樣以此均勻隨機數序列進一步產生正態分布序列；圖6給出了具體模塊結構；圖中
均勻分布隨機序列發生器，用於產生一個隨機分布序列，產生方法是基於混沌映射理論建立的人字滿映射，其映射的數學描述為 式中的初始值為前面生成的隨機數種子seed，μ為人字映射的左邊斜率值，其中μ取值為3/8。正態序列發生器根據mi序列產生正態分布序列Si，每個Si的產生以mi為種子，其數學描述為Si=j=112rj-6]]>式中rj為以mi為種子生成的在
間均勻分布的12個隨機數；位置序列P的生成過程相對比較複雜一點，在
均勻分布隨機數序列產生後，根據輸入密碼位序列的位值(0/1)來確定是否對mi進行逆轉變換；再將這個隨機數序列映射到[a，b]上，形成一個整數隨機數序列，即位置序列P。
其數學描述為 Pi＝a+(b+1-a)·mi式中下標i對應隨機數序列的位置，如果i大於輸入密碼位序列的尺寸，則循環取值。密碼位序列是將密碼串的各個字符按二進位方式組成的二進位串。
從RS件的構成可以看出，任何輸入密碼的微小變化將引起序列種子的變化，其產生的隨機數序列也將隨之漂移，密碼序列的微小改動更會使得最後的位置序列大相逕庭。
由於攻擊往往通過逆向猜測來進行，即先從數據中選取某些位置的數據作為添加有水印的特徵集，因此選定後的水印信息數據，應同時包括給定的位置序列和水印序列。如果要通過猜測來獲取輸入密碼和明文信息，則必須同時通過位置序列和正態序列的猜測，這使得猜測成功概率極大縮小。在某些情況下，根本就不會出現這種攻擊成功的可能性。
e、水印信息嵌入件是水印嵌入過程的關鍵件，它首先從頻域數據Df中提取特徵集I，再將水印信息序列按給定算法疊加到I中，形成特徵集I′，再將I′置換頻域數據Df中對應位置的數據，形成帶水印的頻域數據D′f。圖3給出了水印信息嵌入件的模塊構成，圖中的特徵集提取操作，就是從頻域數據Df中，根據位置序列P來選取用於水印嵌入操作的數據，根據水印的隱形性要求和穩健性要求，水印數據應嵌入到中低頻段，這既可以防止故意用濾波或壓縮等數字方法來刪除水印，又可以在一定質量保證下保護原數據的完好性。提取的特徵集I是頻域數據Df的一個子集，其數學描述為I＝f(Df，P)，這裡f函數為從Df中選取操作，如果位置序列為Pi∈[a，b]的序列，Df總數據個數為m個，低頻數據為ml個，高頻數據為mh個，則選取函數f定義為Ii=f(Df,Pi)=Df[ml+(k=0iPk)%(m-ml-mh)]]]>式中下標i，k為元素在集合中的位置，其ml+(k=0iPk)%(m-ml-mh)]]]>為計算特徵集第i個元素在頻域數據Df中的位置；圖中特徵集回置操作是將修改後的特徵集I′數據，置換頻域數據Df中對應位置的數據，該操作是特徵集提取操作的逆過程，其數學描述為Df[g(Df，Pi))]＝Ii式中函數g為計算特徵集第i個元素在頻域數據Df中的位置，函數g定義為g(Df,Pi)=ml+(k=0iPk)%(m-ml-mh)]]>嵌入操作是將水印序列S按一定模型疊加至特徵集數據中，也是水印數據真正嵌入到產品中的操作，其數字描述為I′＝I+G(I)·S1其中G(I)為疊加強度，它控制嵌入數據的隱形性。
f、水印信息檢測件是產品版權鑑定過程的關鍵件；它首先從頻域數據Df中提取特徵集I，再將由RS件產生的水印信息驗證序列S2與特徵集I進行相關性分析，輸出相關結果值供參考。由於水印序列S1與水印信息驗證序列S2由同一RS件產生，在一樣的輸入時，產生的序列S2＝S1；圖4描述了水印信息檢測件的構成。圖中特徵集提取操作與水印信息嵌入件的特徵集提取操作完全一樣，就是從頻域數據Df中根據位置序列P來選取用於水印檢測操作的數據。
本方法產生的位置隨機序列與常規偽隨機整數序列比較表明常規方法產生的偽隨機序列，在給定種子後產生的周期性重複與隨機數據的隨機性要求不相符，圖7分別為本方法混沌映射生成序列圖和常規隨機數產生方法產生的隨機數序列圖，由圖看出本方法有非常好的隨機效果，而常規方法顯示出周期性導致安全性較差。
相關檢測門限的選取。
門限的選取需要綜合考慮各方面因素，其中主要是隨機序列的可靠性，一般選擇為添加信息強度的一半。本方法中的關聯水印技術，其安全性已得到極大提高，因此適當降低門限值不會威脅到水印技術的安全性和可靠性。
根據雙通道數字水印技術理論分析，相對於單通道水印技術，在相同門限下的誤檢率要低一個幾何量級。例如對於門限T＝5的誤檢率，由5.73×10-7降低到3.28×10-13。假設對本方法水印技術的每秒猜測搜索1個水印信息，要獲得一個達到給定相關檢測輸出門限的時間需要3 16881年。如果我們將門限調為4，則單通道誤檢率為6.33×10-5，本方法雙通道技術下的誤檢率為4.01×10-9，即在同樣假設下獲得一個達到檢測門限的時間為7.9年，因此，實際應用中可以將門限設定為4。
本方法數字水印技術在CPU主頻為850M的微機上，檢測一個水印信息所花費時間大約為0.8秒。針對門限值4，如果要搜索尋找一個達到要求的水印信息需要5～6年時間。
目標圖像提取用HP6L印表機列印輸出的圖像，經EPSON掃描儀輸入的圖像。用小波變換進行高通濾波處理，所獲得的邊緣數據非常好，使用不同長度的正交小波基進行濾波處理，所得到的邊界數據完全一致，因此考慮長度較長的小波基光滑效果較好。
水印的隱形性其度量指標是圖像的失真度均方誤差(MSE)，信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)。其計算按下面公式進行 其中2=1Ni=0N-1(Xi-X__)2,]]>X__=1Ni=0N-1Xi,]]>X為添加水印後圖像的像素值。添加水印後的圖像與原圖像相比其隱形性按上述指標分別為MSE＝2.1，SNR＝33.6，PSNR＝44.9。以肉眼觀察兩圖沒有差別，該水印技術的隱形性非常好，符合水印技術的基本要求。
數字水印的穩健性在各種環境下的生存能力，其主要指標為受各種幹擾後的相關檢測輸出值。
本方法中的圖像以Lena256為例進行實驗，水印添加強度為10，添加信號序列長度為2048。則添加水印後沒有經過處理的圖像檢測結果為q＝{14.3，16.4，17.7}。其中大括號內的數據表示圖像紅、綠、藍三色分量的相關檢測值，每個值為雙通道檢測結果的平均值。數字水印信息在各種圖像處理和故意攻擊下，需要保持足夠的穩健性。這種穩健性的強弱體現為對圖像的合法發行和合法使用的保證程度，如果不能可靠保證水印信息穩健性，則無法保證產品被合法使用，更無法維護作者的權益。
首先，圖像要經過傳輸發行，因此必須進行有損壓縮。本文採用JPEG標準進行圖像壓縮，並對添加水印的圖像在各種品質因子下的壓縮進行了相關檢測比較。實驗結果表明，在一般質量要求下的水印檢測值達到要求。
在圖像處理中，圖像的縮放是比較平凡的。因此，保持此過程中數字水印的穩健性是非常必要的。
首先是圖像經過放大再縮小，一般情況下這樣的處理不改變像基本特徵，只可能引入噪聲，因此數字水印在這種情形下與處理前是變化不大的。本文將Lena256放大2.7倍後，其相關檢測值為q＝{14.3，16.4，17.7}。再縮小回原尺寸時，其相關檢測值q＝{14.3，16.4，17.7}因此圖像先放後縮不影響水印信息的檢測值。
其次，圖像先縮後放大回原尺寸，則由於縮小過程中的信號丟失，將影響數字水印信息的檢測。且該過程隨縮小幅度增大，水印的相關檢測值減小。實驗數據表明，當比例因子小於0.5後，水印相關檢測值急劇減小。但從圖像質量來看，即使比例因子為0.5，此時的圖像失真度也非常大，其放大回原尺寸的圖像與原圖像的比較度量，峰值信噪比已減小到26.2。因此，在保證圖像質量的信號處理中可以保證數字水印信息檢測的正確性。
有時圖像會受到許多因素的幹擾，此時能否保證圖像中數字水印信息檢測的可靠性，本文就通過實驗來驗證。圖像幹擾包括對圖像進行各種信號處理，如添加各種噪聲、圖像剪切覆蓋、模糊圖像等。
首先對圖像進行某塊剪切或覆蓋，其水印相關檢測值的可靠性。其水印相關檢測值為q＝{13.1，14.8，15.7}。但是，如果對圖像進行切邊處理，則本文水印方法的水印檢測將受到嚴重幹擾，一個實驗是將Lena256圖像的長度寬度減小3個象素，則此時的相關檢測值為q＝{0.7，0.6，0.7}，說明幾乎不能進行水印信息檢測。但一般來講，對圖像進行切邊處理後的圖像，是能夠與原圖像進行比較以確定原始圖像的，可以採用其他方法來克服該缺陷。
其次，對圖像進行模糊處理也是一種比較嚴重的幹擾措施。一般來講通過低通濾波可以去除一些高頻噪聲，同時也將弱化數字水印信息的相關檢測值。本文採用圖像軟體ACDSee對圖像進行一次90％的模糊處理。此時的水印相關檢測值為q＝{7.4，9.0，10.0}，水印相關檢測值已降得很低了，但此時的圖像質量也下降許多，峰值信噪比為31.7。儘管如此，這裡仍然需Z要進行一步研究如何在圖像模糊使得水印信息衰減的情況下，取得比較好的檢測輸出值。
另外，圖像中數字水印信息在噪聲中的生存能力與噪聲類型和強度的種種關係。一般來講，使用最多的噪聲是高斯噪聲、均勻白噪聲和伽瑪噪聲，它們以其不同的分布對數據產生不同影響，分別對應添加的高斯噪聲、均勻噪聲圖像，水印檢測結果為q＝{9.0，10.4，10.5}和q＝{11.4，12.6，13.4}。與原始添加水印後的圖像比較一致，即在傳輸過程中由噪聲引起的幹擾不會明顯破壞水印穩健性。
同樣，有時需對圖像進行有意的處理，如強化圖像特徵而進行圖像銳化、圖像增強，圖像變換的圖像抖動處理，甚至圖像的列印或照片輸出。在這些情況下，更應保持水印信息的可靠性。
本文採用ACDSee軟體對帶水印圖像進行一次銳化處理，此時的相關檢測值為q＝{16.6，18.3，19.5}。由此可見，經過銳化處理的圖像，其水印信息得到加強，該作用可以用於處理圖像在被模糊處理後檢測效果不太明顯時增強相關檢測值。但需要注意的是此時圖像的失真情況，其峰值信噪比減小到32.7。
本文採用二值抖動方法對圖像進行抖動處理，儘管圖像僅剩下輪廓，但水印檢測效果非常好，q＝{7.7，7.7，7.7}。這裡三分量值相同是因為抖動之後的圖像象素點為二值的，只有黑白兩種顏色。該抖動後圖像的相關檢測結果表明，該方法可用於圖像作品的印刷發行或選題要求不高的實時圖像傳輸，因為二值化後的圖像熵急劇縮減，可以得到非常大的壓縮比。
正如前面所提到，圖像作品同樣可以通過期刊雜誌進行發行以送到讀者的面前。但為了避免非法的未經作者授權的作品傳播，需要提供一種用於檢測發行作品是否作者所允許。這種方法主要用於避免發行商否認發行作品為作者所有，從而傷害作者權益的行為。因此，圖像作品在經過D/A、A/D轉換後，應能保持水印信息的穩健性。本文對此進行了大量的研究發現，這是完全可行的。通過對提取圖像的水印信息檢測，得到列印輸出圖像的版權資訊檢測結果為8.4，各種檢測結果比較表明該檢測結果是非常好的。
正交小波基長度對水印的影響由於本文使用的都Daubechies小波基，因此小波基的緊支長度對本文數字水印的影響就顯得尤其重要。從理論上講，小波基的緊支長度越長，對數據的光滑作用就越好。特別是當嵌入數據幅度較大時，即使客觀標準變化不大，其視覺影響也會隨之增加。因此，可以通過適當提高小波基長度來克服。同時，也正因為這個原因，水印信息的穩健性會隨著小波基緊支長度的增加而增強。綜上所述本文的隨機數序列與常規隨機數序列的產生相比較，具有明顯的優點。克服了許多以前常規方法的準周期特性。本關聯序列的可靠性無論是正向猜測攻擊還是逆向數據分析攻擊都具有阻斷牆作用，其水印檢測的可靠性和有效性得到了極大提高。
本文小波方法的使用，使我們能夠定量的分析圖像中信息的能量最優值，使得能夠同時保證水印的隱形性和穩健性。本文對印刷產品的檢測研究，可以拓寬水印技術應用領域。
權利要求
1.一種圖像數字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特徵在於水印信息的生成與隱藏按下述方法進行由用戶提供需保護的產品和個人信息，包括個人的註冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產品中；該過程將按某種算法生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產品的頻域數據Df中；具體說為給產品添加水印來進行版權保護，其做法是先將產品文件由輸入輸出件讀入，形成產品數據；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進行確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印添加所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據，再由水印嵌入件將水印信息數據嵌入到頻域數據中；之後，由數據變換件將頻域數據變換到時域/空域形成產品數據；最後，由產品輸入輸出件輸出形成添加水印後的產品進行發布；為了檢測一產品版權資訊的真偽，水印信息的檢測按下述方法進行將待檢測產品由產品輸入件讀入形成產品數據；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認後，輸入數據經RS件，即隨機序列產生控制項，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數據；產品數據由數據變換件將之變換為頻域數據；由水印信息檢測件，將頻域數據與水印信息驗證數據進行相關分析，輸出一相關值；最後由結果解釋件對相關輸出值進行解釋。
2.按照權利要求1所述的圖像數字水印方法，其特徵在於生成水印信息數據的RS件，由水印生成算法、原始水印數據w(數字水印信息)、計算生成水印信息隨機離散序列f(I，w，k)所組成，通過對水印信息的隨機離散序列化，將水印信息整理成隨機形式，不為攻擊者所猜測到；採用正態分布的偽隨機序列作為水印序列，這主要是因為若採用標準正態分布的數據序列，其均值為0，其方差為1，對原數據不會產生太大的影響，很好的滿足了隱形性要求，數字水印信息包括水印數據序列和水印所在位置序列兩種數據。
3.按照權利要求1所述的圖像數字水印方法，其特徵在於將水印信息嵌入目標產品中的水印信息嵌入件，由水印嵌入算法、原始圖象I、水印信息S所組成；在水印的嵌入過程中，由用戶提供需保護的產品和個人信息，包括個人的註冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產品中；該過程按算法生成的水印序列S1以一定的強度疊加到產品的變換域數據Df中。
4.按照權利要求1所述的圖像數字水印方法，其特徵在於檢測水印信息的水印信息檢測方法是在檢測過程中，由用戶提供需檢測的產品和個人信息，包括個人的註冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，將個人信息按認證系統的算法生成一個私人水印序列S2，要求在個人信息與添加過程的完全一樣時，S2與S1是高度相關的；再經過相關器的相關性分析，輸出S2與檢測產品的變換域數據Df的相關值，根據相關結果就可以確定產品的版權真偽。
全文摘要
本發明公開了一種圖像數字水印方法，其特徵是輸入產品數據，由數據變換件將其變換為頻域數據，用戶輸入私人信息，由RS件生成水印信息，由水印嵌入件將水印信息嵌入到產品頻域數據中，再由數據變換件將嵌有水印的頻域數據變換到空域/時域形成產品數據，最後由產品輸入輸出件輸出添加水印的產品進行發布；水印檢測將待檢測產品數據變為頻域數據，將個人信息由RS件生成水印檢測驗證所需信息，由水印信息檢測件將產品頻域數據與水印檢測驗證數據進行相關分析，結果由解釋件進行解釋。具有隱形性、穩健性好、防止各種猜測攻擊的優良性能。
文檔編號G06T5/00GK1517855SQ03117168
公開日2004年8月4日 申請日期2003年1月16日 優先權日2003年1月16日
發明者李炳法, 孫家水 申請人:成都市宇飛信息工程有限公司