一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法
2023-05-17 05:00:31 3
專利名稱：一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法
技術領域：
本發明涉及一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，為數字音 頻水印的信息隱藏、版權保護、數據安全提供一個有效的保護手段。
背景技術：
數字音頻水印技術就是在不影響原始音頻質量的條件下向其嵌入具有特定意義 且易於提取信息的過程，當中不影響原載體的使用，也不易被人的聽覺系統覺察到音頻信 號的改變。一個成熟的數字音頻水印方法需具備以下特點魯棒性(robustness)即抗幹擾 能力、不可檢測性(undetectability)、透明性(invisibility)、安全性(security)、計算 複雜度低和錯誤率低等。目前的數字音頻水印方法主要針對二值圖像進行處理，對於灰度、 彩色圖像的研究相對較少。用二值圖像處理方法處理彩色或者灰度水印，計算複雜，在透明 性、魯棒性和信息隱藏量上難以取得一個較好的平衡點，因此不適用於灰度、彩色圖像的處 理。最早的音頻水印技術研究始於1996年，Bender等(BenderW，Gruhl D and Morimoto N. Datahiding Techniques, Proceedings, SPIE 2402,1995) dj 7 LSB H 碼、回聲編碼、擴頻編碼和相位編碼等四種方法，Boney等將cox方案應用到音頻信號中， (BonehD, Shaw,J. Co Ilusion2secure fingerp rinting for digital data. A dvances in Cryp to logy :P roc. CRYPTO' 95,N ew Yo rk :Sp ringer2V erlag，1995)，並取得了一定 的效果。目前音頻數字水印技術主要有三大類時間域方法、變換域方法、壓縮域方法。時間域方法從時間的範疇上將水印嵌入音頻中，主要有LSB方法、回聲數據隱藏 等方法此類方法採用的是先將音頻根據嵌入信息量進行分段，然後對每段特定區域整體或 者特定區域做略微影響，達到嵌入水印的目的，然而在同等大小的水印圖像下如果音頻文 件較小，分段後的每段所含信息會大量減少，面對攻擊後會有較大的偏差。如在採用在音 頻的回聲域上嵌入隱藏信息時，如果在回聲域隱藏較多信息極易被檢測到，而且由於時域 信息易被常規攻擊方式所破壞，因此只能隱藏少量信息或在非常局限領域中使用，但穩健 性和抗感知性之間存在較大矛盾。變換域方法採用的是將音頻轉為變換域，然後將水印嵌入，其方法主要有離散餘 弦變換(DCT)、離散傅立葉變換(DFT)和離散小波變換(DWT)等，其中DCT方法採用先確定 穩定特徵區域，然後對其DCT變換來嵌入二值圖像，變換域方法擁有很好的魯棒性和抗感 知性，但在水印容量、穩健性和抗感知性之間只能偏向其中兩者，鑑於數字水印的實際應用 需要，現有方法大多選擇偏向穩健性和抗感知性，存在的主要問題是嵌入信息量過低，如果 要保證嵌入大圖像，則存在運算時間長，抗感知性差等缺陷。壓縮域方法是在音頻壓縮過程中加入水印信息，按照水印嵌入位置不同可分為 PCM數據域、MDCT係數、壓縮係數等方法。該方法魯棒性較差，耗時較長。目前，國內外對壓 縮域的研究較少。現有的數字音頻水印嵌入方法大多是基於變換域方法的改進方法。
發明內容
為克服上述現有方法存在的問題，尤其是變換域方法存在的嵌入信息量低、運算 時間長，抗感知性差等缺陷，本發明提出一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌 入方法，將通過載體音頻小波分解得到低頻係數，找出低頻係數的最佳嵌入區域並把加密 後的水印信息通過卷積嵌入至低頻係數區域中，平衡了水印的不可見性、魯棒性和信息嵌 入量之間的矛盾，極大的增加水印圖像的信息儲存量、透明性和魯棒性。本發明中並非採用傳統的先分段後選取方法，而是通過先將載體音頻小波分解得 到低頻係數，然後根據所需嵌入信息量直接找出低頻係數中對應數量的最佳嵌入位置，最 後把加密後的水印信息通過卷積嵌入至低頻係數特定位置中，此方法具有數字水印抗感知 性強，魯棒性較好，同時極大的增加了水印的信息嵌入量。為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，包括數字水印的嵌入、 數字水印的提取、提取出的數字水印的還原，其特徵在於方法和步驟如下1)數字水印的嵌入A)對原始水印圖像進行重構與加密處理對水印圖像做方陣轉換和置亂處理；B)對原始載體音頻進行小波(DWT)變換對載體圖像進行3次小波分解，取得小 波低頻係數，作為水印嵌入的預選位置；C)自動尋找低頻係數中最佳嵌入序列。最佳嵌入序列即先在音頻低頻係數中去 除接近無音(係數接近零)部分，再根據嵌入水印圖像所需大小來尋找音調低頻係數中最 大係數序列，該係數序列對音頻影響最小，即最佳嵌入水印位置；D)數字水印的嵌入將數字水印圖像序列與最佳嵌入序列二者卷積，即將數字水 印圖像嵌入到音頻低頻係數中；2)數字水印的提取根據原始音頻檢測已含水印的音頻並從中提取水印圖像序 列；3)數字水印的還原根據密鑰採用反Arnold變換和圖像重構將提取出的水印還 原；所述密鑰為Arnold變換次數KEY，原始水印圖像的長和寬M、N,嵌入強度QD。對步驟A)中進行水印圖像的重構與加密處理時，採用先將圖像做方陣轉換，將矩 形圖像轉為方陣圖像，達到不丟失圖像信息就符合Arnold變換的要求。然後用Arnold變 換對水印圖像做置亂處理。將方陣水印圖像代入Arnold公式迭代10 50次後，結束對圖 像的重構和加密處理。步驟C)自動尋找最佳嵌入序列，即先對步驟B)所得的音頻低頻係數進行掃描，得 出每個採樣點的振幅，再用步驟A)中取得的圖像水印矩陣為模版，根據水印圖像模版擁有 的元素個數確定所需採樣點數量，選取音頻低頻係數振幅最大的採樣點集，點集數量不多 於水印圖像2%，將其按其位置作為最佳嵌入序列，此序列為音頻傳輸中最為穩定部分。步驟D)中進行數字水印的嵌入時，採用卷積的嵌入方法，先將數字水印信息影響 度降低至嵌入的採樣點振幅的102%以內，再與其點乘。由此將水印圖像嵌入載體音頻低頻 係數中由步驟C)所的到的最佳嵌入序列所對應位置上。步驟中進行水印的提取，提取水印圖像時，分別對嵌入水印的音頻和原始音頻進行3次小波變換，根據參數K在原始音頻尋找到水印嵌入序列，根據其對比嵌入水印前後 音頻對應位，檢測出水印信息。所述步驟3)中進行水印的還原，對檢測出的水印信息進行Arnold逆變換，之後將 方陣水印進行矩陣重構，取得原始水印圖像。所述參數K = f1XV^^ + l，其中fix為截尾取整操作，M、N分別為原始水印圖像的 長和寬，M、N同時作為提取密鑰之一，其將在尋找水印嵌入位置和對提取的水印進行還原時使用。本發明將水印嵌入至音頻全部區域，水印有較強的不可見性和較強的魯棒性。對 水印做了轉換方陣的重構和圖像置亂處理，極大的加強了水印信息的保密性安全性。同時 有較好的抗攻擊能力。本發明所提出的水印方法不但功能強，而且運算速度快，在實現上也 非常的簡單和方便，在數字圖像版權的保護和信息的隱藏方面具有一定的實用價值。
圖Ia水印的嵌入過程；
圖Ib水印的提取過程；
圖2a灰度水印圖像；
圖2b方陣轉換後的圖像；
圖2c Arnold變換31次迭代後的圖像
圖3a載體音頻波形圖3b嵌入水印後音頻波形圖4a提取的水印圖像；
圖4b白噪聲攻擊後的水印圖像；
圖4c MP3攻擊後的水印圖像；
圖4d剪裁一半音頻的水印圖像。
具體實施例方式以下結合附圖和事實例對本發明進行詳細描述。一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，包括數字水印的嵌入、 數字水印的提取、提取出的數字水印的還原。1、數字水印的嵌入方法如圖1所示。①數字水印圖像的重構與加密處理本發明採用基於Arnold變換的方案對水印圖像進行處理。本方法採用先將圖像 進行方陣化的重構，將矩形圖像轉為方形圖像，同時能夠起到一定的置亂效果，再將方形圖 像代入Arnold變化中進行少量迭代，所需的計算量小，且對安全性有進一步提高。方陣化矩陣的方法對於一幅M*N的圖像，如圖加所示，將圖像的長和寬 的做乘積，計算出圖像總像素數PIX。取一個大於Pix開根的最小正整數K，公式為 K = flxV^W + l，其中fix為截尾取整操作，M、N分別為原始水印圖像的長寬(M、N同時將 作為提取密鑰之一，其將在尋找水印嵌入位置和對提取的水印進行還原時使用)。然後構建 一個以K為邊長的全零方陣U(大小為K*K)。最後用代入法將水印圖像轉置到方陣U中構成新的水印圖像，如圖2b所示，代入過程在下文中有描述，由於方陣U規格(規格與圖2b相 同)和原始水印矩陣(圖2a)有很大的差異性，每行(列)所能容納元素不同，並有K2-M*N 個多餘數據。在將原始水印矩陣帶入時需將多餘數據平均分布插入(分布在原始水印圖像 矩陣每列的最後)，帶入時以原始水印圖像矩陣的列為單位，代入方陣U中，每列多餘部分 將轉移至舉證U的下一列(如果水印圖像為臥式矩形則缺失部分由原始圖像矩陣下一列開 始部分所填補)，隨著元素的代入會導致越來越大的偏移，達到一定的置亂效果(見圖2b)。 最後再對新的水印圖像方陣U以進行Arnold置亂處理，得到待嵌入水印矩陣V。對於一幅 KXK的圖像，Arnold變換定義如下
權利要求
1.一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，包括數字水印的嵌入、數 字水印的提取、提取出的數字水印的還原，其特徵在於方法和步驟如下1)數字水印的嵌 入A)對原始水印圖像進行重構與加密處理對水印圖像做方陣轉換和置亂處理；B)對原始載體音頻進行小波(DWT)變換對載體圖像進行3次小波分解，取得小波低 頻係數，作為水印嵌入的預選位置；C)自動尋找低頻係數中最佳嵌入序列，最佳嵌入序列即先在音頻低頻係數中去除接 近無音(係數接近零)部分，再根據嵌入水印圖像所需大小來尋找音調低頻係數中最大系 數序列，該係數序列對音頻影響最小，即最佳嵌入水印位置；D)數字水印的嵌入將數字水印圖像序列與最佳嵌入序列二者卷積，即將數字水印圖 像嵌入到音頻低頻係數中；2)數字水印的提取根據原始音頻檢測已含水印的音頻並從中提取水印圖像序列；3)數字水印的還原根據密鑰採用反Arnold變換和圖像重構將提取出的水印還原。
2.根據權利要求1所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特徵 在於，所述步驟A)中進行水印圖像的重構與加密處理時，採用先將圖像做方陣轉換，將矩 形圖像轉為方陣圖像，達到不丟失圖像信息就符合Arnold變換的要求，然後用Arnold變換 對水印圖像做置亂處理，將方陣水印圖像代入Arnold公式迭代10 50次後，結束對圖像 的重構和加密處理。
3.根據權利要求1所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特徵 在於，所述步驟C)自動尋找最佳嵌入序列，即先對步驟B)所得的音頻低頻係數進行掃描， 得出每個採樣點的振幅，再用步驟A)中取得的圖像水印矩陣為模版，根據水印圖像模版擁 有的元素個數確定所需採樣點數量，選取音頻低頻係數振幅最大的採樣點集，點集數量不 多於水印圖像2%，將其按其位置作為最佳嵌入序列，此序列為音頻傳輸中最為穩定部分。
4.根據權利要求1所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特徵 在於，所述步驟D)中進行數字水印的嵌入時，採用卷積的嵌入方法，先將數字水印信息影 響度降低至嵌入的採樣點振幅的102%以內，再與其點乘，由此將水印圖像嵌入載體音頻低 頻係數中由步驟C)所得到的最佳嵌入序列所對應位置上。
5.根據權利要求1所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特徵 在於，所述步驟幻中進行水印的提取，提取水印圖像時，分別對嵌入水印的音頻和原始音 頻進行3次小波變換，根據參數K尋找到水印嵌入序列，對比嵌入水印前後的序列，檢測出 水印信息。
6.根據權利要求1所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特徵 在於，所述步驟幻中進行水印的還原，對步驟幻檢測出的水印信息進行Arnold逆變換，之 後將方陣水印進行矩陣重構，取得原始水印圖像。
7.根據權利要求5所述的基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，其特 徵在於所述參數K取得方法為將原始水印圖像的長寬做乘積，然後將其結果截尾取整再 加一所得，即K = flxV^W + l;其中fix為截尾取整操作，M、N分別為原始水印圖像的長和 寬，此參數並非需要反饋給用戶，僅僅作為中間參數使用；重構前的原始圖像規格M、N被同 時用作提取時所需密鑰。
全文摘要
一種基於小波變換和Arnold的自適應灰度水印嵌入方法，數字水印的嵌入法對原始水印圖像做方陣轉換和置亂處理；對原始載體音頻進行3次小波分解，取得小波低頻係數，作為水印嵌入的預選位置；自動尋找低頻係數中最佳嵌入序列，即為最佳嵌入水印位置；將數字水印圖像序列與最佳嵌入序列二者卷積，即將數字水印圖像嵌入到音頻低頻係數中。數字水印提取時，根據原始音頻檢測已含水印的音頻並從中提取水印圖像序列。數字水印還原時，將原始圖像長寬做為提取密鑰，採用反Arnold變換和圖像重構將提取出的水印還原。本發明所提出的水印方法不但功能強，而且運算速度快，在實現上也非常簡單和方便，在數字圖像版權的保護和信息的隱藏方面具有一定的實用價值。
文檔編號G10L19/00GK102142258SQ201110081228
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者馮濤, 楊恆歡 申請人:上海第二工業大學