一種安全多功能圖像數字水印系統的製作方法

2023-10-25 17:46:07

專利名稱：一種安全多功能圖像數字水印系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機應用和信號處理領域，特別是計算機信息安全中的多功能數字水印技術。
背景技術：
描述數字圖像版權通知、版權保護和拷貝跟蹤涉及到通信和電子商務應用領域的數字圖像產品宣傳、版權通知、版權保護和濫用跟蹤等問題。已有數字水印技術大都只關註解決單一的版權保護問題。已有的少數多功能圖像水印技術最多也僅關注同時解決圖像的版權通知和版權保護二重問題；而且缺乏安全措施，即用於版權通知的可見水印容易被去除；也不能對圖像產品用戶的非授權拷貝行為提供追究措施，因為無法找到非授權拷貝的源頭。

發明內容
本發明的目的在於擴展數字圖像水印系統功能。對用於版權通知和廣告宣傳的樣品圖像，嵌入了高安全性的可見水印，增加可見水印被非法消除和提取的難度，加大對樣品圖像的保護力度。對於盜版數字圖像，不僅可以驗證圖像的版權，而且可以追蹤盜版產品的來源。
將作為可見水印的灰度圖像採用改進的圖像融合方式與被保護圖像疊加，利用混沌系統的二維序列控制各點疊加係數的大小，得到含可見水印圖像；再將版權保護水印圖像逐像素地嵌入到被保護圖像中不含可見水印的圖像子塊小波域低頻係數，得到樣品圖像，用於產品宣傳和版權通知。對於購買圖像的註冊用戶，利用混沌密鑰消除樣品圖像的可見水印，並將用戶的身份標識作為另一種隱形水印，嵌入到消除可見水印後的圖像，確保嵌入的用戶標識水印和原作者的版權水印互不影響，得到含有兩種隱形水印的圖像作為發行給用戶的圖像。版權擁有者可以從被使用和傳播的圖像中提取版權水印和用戶標識水印，以驗證版權所有者和追蹤圖像的來源。主要特徵如下可見水印嵌入算法①確保可見水印圖像大小不超過被保護圖像，如果小於被保護圖像，可以在在周圍補白色像素，使其與被保護圖像等大。
②設定三維統一混沌系統狀態初值(x0，y0，z0)、系統演化起止時刻t0和tf(區間長度與圖像尺寸N有關)；可見水印嵌入權重係數的最小值r1和最大值r2，根據實驗得到經驗值r1＝0.25，r2＝0.50。
③利用變步長四階五級Runge-Kutta-Felhberg算法，求解給定初值的混沌系統微分方程組，得到三個足夠長的混沌序列X1，Y1，Z1。然後取每個序列後部分子序列得到三個長度為N的混沌序列X＝{x(i)}，Y＝{y(i)}，Z＝{z(i)}，i＝1，2，...，N。
④對圖像空間的任一嵌入點(i，j)，計算嵌入權重係數αijtemp＝(|y(i)×z(j)|-|y(i)×z(j)|)×103(1)αij＝(r2-r1)×temp/999+r1(2)並計算βij＝Vij/Vmax，Vij是可見水印圖像空間點(i，j)處的像素值，Vmax是可見水印圖像的最大像素值。
⑤利用公式Aij=(aij+ij2-aijij2)Aij,]]>將點(i，j)處的水印像素嵌入到載體圖像，得到嵌入可見水印的一個像素點值Aij′。
⑥重複④～⑤，對所有可見水印像素進行嵌入，直到全部可見水印嵌入完畢，得到含可見水印圖像。
版權保護隱形水印嵌入算法用於版權保護的原始水印為二值圖像WR1＝{wr1(i，j)，1≤i≤Lw11，1≤j≤Lw12}，以隱形方式嵌入被保護圖像，並且是魯棒的，對每個水印像素wr1(i，j)，在載體圖像中隨機選擇一個未嵌入可見水印的8×8子塊(稱可嵌塊)，將wr1(i，j)嵌入被選中子塊的提升小波變換域低頻係數。原始圖像的可嵌塊位置由可見水印中像素均值為Vmax的子塊位置來確定。而隨機選擇可嵌塊的方式由前面的混沌系統序列X和Y來控制，採用基於二維混沌序列排序進行地址置亂的算法實現。將載體圖像的一個8×8子塊看成一個點，由於載體圖像可以劃分成(N/8)×(N/8)個子塊，於是處於第i行和第j列的子塊可以表示為blk(i，j)。從實值混沌序列X，Y中分別取長度為N/8的子序列X0和Y0X0＝{x(i)，i＝1，2，...，N/8}；Y0＝{y(j)，j＝1，2，...，N/8}。首先將混沌序列X0和Y0按大小排列成有序序列X0′和Y0′，由於實值混沌序列的無周期性，原序列中無重複值，因此原序列的每一個值都在有序序列中有一個唯一的位置序號與之對應。用px(i)表示有序序列X0′中的第i個值在原序列X0中的位置序號，px(i)＝1，2，...，N/8；用py(j)表示有序序列Y0′中的第j個值在原序列Y0中的位置序號，py(j)＝1，2，...，N/8。隨機選擇可嵌子塊位置的思路是對應於第(k，l)位置點的版權水印像素，將位置(k，l)映射成混沌序列X0′和Y0′的元素下標對(i，j)，再將元素下標對(i，j)映射到另一個位置序號對(px(i)，pY(j))；然後將坐標位置(px(i)，py(j))決定的子塊blk(px(i)，py(j))作為候選子塊。如果該子塊blk(px(i)，py(j))為不可嵌子塊，則按一定次序考察下一組元素下標對(i′，j′)，判斷由新的下標對(i′，j′)所對應的另一個位置坐標(px(i′)，py(j′))處的子塊是否可嵌；如此繼續，直至找到的子塊為可嵌子塊，再將魯棒水印嵌入該子塊小波係數。版權水印嵌入算法的關鍵步驟用偽代碼描述如下
n＝0；％n記錄已掃描X0′和Y0′的元素對數目for k＝1Lw11％Lw11是版權水印圖像像素的行數for l＝1Lw12％Lw12是版權水印圖像像素的列數n＝n+1；i＝floor((n-1)/(N/8))+1；％floor為向下取整函數j＝n-(i-1)*(N/8)；while(子塊blk(px(i)，py(j))不可嵌)n＝n+1；i＝floor((n-1)/(N/8))+1；j＝n-(i-1)*(N/8)；end while將可嵌子塊blk(px(i)，py(j))作3級提升小波變換；將魯棒水印像素wr1(k，l)用雙參數量化法嵌入子塊小波係數；由含水印的小波係數重構子塊圖像；end forend for可見水印消除算法①取與嵌入可見水印時一樣的三維統一混沌系統狀態初值(x0，y0，z0)、系統演化起止時刻t0和tf(區間長度與圖像尺寸N有關)；可見水印嵌入權重係數的最小值r1和最大值r2。
②利用變步長四階五級Runge-Kutta-Felhberg算法，求解給定初值的混沌系統微分方程組，得到三個足夠長的混沌序列X1，Y1，Z1。然後取每個序列後部分子序列得到三個長度為N的混沌序列X＝{x(i)}，Y＝{y(i)}，Z＝{z(i)}，i＝1，2，...，N。
③對圖像空間的任一嵌入點(i，j)，計算點(i，j)處的嵌入權重係數αij和βijtemp＝(|y(i)×z(j)|-|y(i)×z(j)|)×103；αij＝(r2-r1)×temp/999+r1；βij＝Vij/Vmax；④利用公式Aij=Aij(aij+ii2-aijij2),]]>得到消除可見水印後的像素值Aij。
⑤重複③～④，對所有點實施可見水印消除運算，直到全部像素點處理完畢，得到消除可見水印的宿主圖像。
用戶標識水印嵌入算法先確定嵌入子塊為那些曾經包含可見水印的子塊，當可見水印被消除後，將購買者的標識信息嵌入這些子塊位置；然後採用與前面嵌入版權水印的相同方法，逐比特將用戶標識信息嵌入每個子塊的提升小波域低頻係數。
版權保護水印和用戶標識水印的提取算法提取隱形水印的過程分別是嵌入版權資訊和客戶信息的逆過程，在實施提取算法前，先要用與嵌入時相同的密鑰和混沌序列分別找到兩種水印的嵌入位置；然後將該位置含有水印的子塊作3級提升小波變換；再運用雙參數反量化操作從含有水印的小波低頻係數Cw′中提取一個水印比特w′；反覆這樣逐比特提取。提取一個水印比特的具體算法如下先計算Cw′的絕對值整除Q後的餘數r′，r′＝|Cw′|-|Cw′|/Q×Q。
然後判斷r′，如果r′-Q/2＞(Q/2-q)/2，則w′＝b；否則w′＝1-b。
這裡Cw′是可能遭到攻擊的圖像子塊的小波低頻係數，w′是從該小波係數中提取的一個水印比特，b代表隱形水印中比特值佔多數的比特(b＝0或b＝1)。提取水印時並不需要參考原始圖像，屬於盲提取。
發明的優點和積極效果1.突破了現有圖像水印系統一般只能實現1～2種功能的限制，本發明能夠實現對數字圖像進行版權通知、版權保護和拷貝跟蹤等三重功能。
2.本發明中，用於版權通知的可見水印嵌入係數由混沌序列控制，增加了可見水印被非法消除的難度，提高了可見水印的安全性。安全性分析如下假設非法用戶要想完全去除可見水印，那麼他必須準確知道圖像每個像素點的嵌入權重係數。若採用窮舉每點權重係數的辦法進行分析，根據產生權重係數的公式(3)和(4)，對圖像的每一個像素點，若取混沌序列值小數點後3位數字來隨機產生權重係數，則每點的可能值有103種；這樣整個圖像像素嵌入權重係數的組合數則有103×(N×N)＝1000(N×N)種。若載體圖像的大小為N×N＝512×512，則該組合數為103×(512×512)種。在現有硬體條件下要搜索到正確的嵌入係數組合方式是不可能的。因此，通過直接窮舉嵌入係數方式消除可見水印是行不通的。而作為密鑰的混沌系統初值是3個實數，密鑰空間巨大；所以，水印系統具有密碼學意義的安全性。
3.本發明中，發行到用戶手中的圖像雖然包含兩種隱形水印，但載密圖像仍然具有較高的視覺質量，發行圖像的質量指標量--峰值信噪比PSNR值可以達到39dB左右。
4.本發明中，發行圖像中的兩種隱形水印具有較強的抵抗常規圖像處理和噪聲攻擊的魯棒性，圖像在經歷傳輸和使用過程的一般攻擊後，仍能從中正常提取版權水印和用屍標識水印。
5.本發明中，兩種隱形水印的嵌入方式都是採用小波域嵌入，採用提升小波變換，具有運算速度塊、存儲開銷小的優點。


圖1安全多功能水印系統框圖；圖2被保護圖像Goldhill；圖3可見水印圖像；圖4版權保護水印；圖5用戶標識水印；圖6含原始雙水印圖像；圖7正確消除可見水印的圖像；圖8錯誤消除可見水印的圖像。
具體實施例方式實施例1實驗採用大小為512×512的8位灰度圖像Goldhill作為被保護圖像；512×512的8位灰度圖像湘雅醫學院校徽作為可見水印標誌；32×32的文字二值圖像「印」字作為版權保護水印；12×85的數字二值圖像作為客戶標識水印。上述圖像分別如附圖2～附圖5所示。
可見水印的能消除性對Goldhill載體圖像，嵌入可見水印採用的權重係數αij的最小、最大值分別設置為r1＝0.25，r2＝0.50，每一點產生一個
範圍的不同係數；嵌入隱形水印的雙量化參數這裡取Q＝120，q＝12(Q的取值範圍為[115，125]，q的取值範圍為[8，16]比較合適)。按照前面描述的算法，得到嵌入可見水印和版權標識水印後的圖像(如附圖6所示)。當採用正確的參數對可見水印進行消除後，所得圖像與原始圖像的PSNR為41.9549dB，而在原始圖像中僅僅嵌入不可見版權水印時的PSNR值也是41.9549dB，這表明在參數正確時，能將可見水印完全去除。在消除了可見水印的圖像中再增加用戶標識水印的嵌入，最後得到含版權標識和用屍標識兩種水印的發行給註冊用戶圖像(如附圖7所示)。附圖7相對於原始圖像的PSNR為39.3333dB。採用其它經典圖像實驗，得到正確消除可見水印又加入用戶標識水印後的圖像PSNR值，如附表1所示；表1同時也列出了羅永，成禮智等在2004，27(11)計算機學報發表的「小波變換結合糾錯編碼的半透明數字水印」參考文獻嵌入雙水印的最佳PSNR值。本發明中，發行圖像含有兩種不可見水印，水印容量為(32×32+12×85＝)2044比特；而表1中列出的參考文獻的發行圖像僅含有30比特的二值序列加上33比特的糾錯碼，水印容量僅為63比特。在隱形水印容量遠大於現有文獻的情況下，本方法消除可見水印後的圖像質量指標比現有文獻還要好。原因在於現有文獻中的雙重水印嵌入位置是重疊的，先嵌入的可見水印受到後嵌入的不可見水印影響，因此，即使是使用正確密鑰也不能將可見水印消除乾淨。而本文的雙重水印嵌入位置是獨立的，二種水印互不存在於擾，因此在消除可見水印時不會產生誤差。此外，本發明中，隱形水印嵌入算法採用了不同於通常單參數量化算法，而是採用雙參數(Q，q)量化算法，考慮了有意義的隱形水印圖像中0、1比特的數目不等特性，起到了優化載體圖像視覺質量的作用。如果採用通常量化嵌入算法，則上述圖像載入兩種不可見水印後的PSNR值為37.8214dB(比優化結果低1.5119dB)。
表1合法消除可見水印後圖像質量的比較

注表1中，PSNR*為參考文獻中的結果。
在消除可見水印時所用的參數若不正確，比如，當混沌系統狀態參量x(0)與正確值相差10-12，則消除可見水印後的圖像如附圖8所示。附圖8相對於原始圖像的PSNR值僅為30.2747，表明得到的圖像質量很差，直觀上也可以明顯發現可見水印未能被徹底消除的痕跡，這對非法用戶是不利的。
隱形水印抵抗攻擊的魯棒性發行到用戶手中的圖像在使用傳播過程中，可能遭遇各種圖像處理和信道噪聲的攻擊，實驗模擬這些攻擊，然後從受到攻擊的載體圖像中提取兩種隱形水印，提取的結果如附表2所示。表2同時計算了提取的版權水印與原始版權水印的歸一化相似度係數NC1，提取的用戶標識水印與原始用戶標識水印的歸一化相似度係數NC2。
表2兩種隱形水印抗攻擊魯棒性的直觀結果和數據結果

以上實驗表明，隱形水印具有對常規圖像處理的魯棒性。特別是抵抗JPEG壓縮的魯棒性相當強，當JPEG壓縮質量參數在24以上時，實驗提取的兩種隱形水印均可以達到100％的準確度。對於縮放操作，若是先放大，再縮小到原尺寸，則提取的兩種不可見水印也均可以達到100％的準確度。可見這種魯棒水印可以在圖像受到常規處理後存活下來，其一能夠作為版權標識實現對圖像的版權保護；其二能夠作為用戶標識實現對圖像非授權再發行的侵權行為進行跟蹤。
權利要求
1.一種圖像數字水印系統，其特徵是先可見水印和隱形的版權保護水印同時嵌入用於版權宣告和廣告宣傳的樣品圖像中，實現對圖像的版權通告和版權保護；再將圖像中的可見水印完全消除發行給購買用戶，並同時在發行圖像中加入另一種隱形的用戶標識水印，實現對圖像進行版權保護和對用戶非授權拷貝跟蹤。
2.一種根據權利要求1所述的圖像水印系統的可見水印嵌入方法，其特徵在於採用下述嵌入公式Aij'=(ij+ij2-ijij2)Aij]]>其中，Aij、Aij′分別為宿主圖像點(i，j)處嵌入可見水印前後的像素灰度值；αij為位置(i，j)處的嵌入權重係數，權重係數0.25＜αij＜0.50，αij由統一混沌系統的Y、Z序列控制產生；βij＝Vij/Vmax，Vij/Vmax是可見水印圖像點(i，j)處的像素值與其最大像素值之比。
3.一種根據權利要求1所述的圖像水印系統的隱形水印嵌入方法，其特徵在於用於版權保護的隱形水印各比特被分別嵌入到隨機選擇的不含可見水印的宿主圖像子塊小波域低頻係數，宿主圖像子塊分割大小為8×8像素，用於版權保護的水印為一幅二值圖像，對任一水印像素，在宿主圖像中隨機選擇一個不含可見水印的8×8子塊作為可嵌塊，可嵌子塊的隨機選擇方法是基於二維混沌序列X和Y排序實現地址置亂的算法，而水印比特具體的嵌入方法為雙參數量化係數法事先考慮水印圖像中0、1比特的數量不等性，定義佔多數的比特為優值比特b，佔少數的比特為劣值比特1-b；對應於要嵌入水印的子塊小波域低頻係數，如果待嵌入的水印比特為b，則修改小波域低頻係數為一個最鄰近區間[k×Q-q/2，k×Q+q/2]範圍內的數；如果要嵌入的水印比特為(1-b)，則修改小波低頻係數為一個最鄰近數k×Q，將嵌入1比特水印後的圖像子塊做3級提升小波逆變換，得到含水印的圖像子塊，其中K為整數，Q、q為雙量化參數。
4.一種根據權利要求3所述的圖像水印系統的版權保護隱形水印的嵌入方法，其特徵在於所述的雙量化參數Q，q中，Q的取值範圍為[115，125]，q的取值範圍為[8，16]。
5.根據權利要求1所述的安全多功能圖像水印系統，其特徵在於可見水印的消除公式為Aij=Aij'(ij+ij2-ijij2)]]>其中參數αij由混沌系統產生的序列Y、Z生成，該混沌系統與嵌入水印時的系統完全相同，且系統初值一樣，產生的混沌序列Y、Z也相同。
6.根據權利要求1所述的圖像水印系統，其特徵在於用於拷貝跟蹤的用戶標識隱形水印為二值圖像，對任意一個用戶標識水印像素，在載體圖像中隨機選擇一個未嵌入版權保護水印的8×8子塊作為可嵌子塊，子塊的選擇方法也是基於二維混沌序列X和Y排序實現地址置亂的隨機性方法。
7.根據權利要求1所述的安全多功能圖像水印系統，其特徵在於提取版權保護水印和用戶標識水印的過程是嵌入相應水印的逆過程，在實施提取算法前，先用與嵌入水印時相同的初始密鑰和混沌序列分別找到版權保護水印、用戶標識水印在宿主圖像中的嵌入子塊；然後將該子塊作三級提升小波變換；再運用雙參數反量化操作從含有水印的小波低頻係數中提取一個水印像素，直到所有隱形水印比特被提取。
全文摘要
本發明涉及電子數字水印技術，用於解決數字圖像版權通知、版權保護和拷貝跟蹤等問題。其特徵在於在數字圖像中嵌入可見水印實現版權通知，該水印各像素的嵌入係數由三維混沌系統的y、z序列控制。在含可見水印圖像中又嵌入一種隱形水印用於圖像版權保護，該隱形水印的嵌入位置由三維混沌系統的x、y序列實現隨機選擇，運用雙參數量化係數方法在宿主圖像子塊的提升小波域低頻係數中嵌入。而將圖像發行給購買用戶時，可見水印被完全消除；但同時將標識用戶身份的隱形水印嵌入宿主圖像另一些子塊的提升小波域低頻係數，嵌入位置也被置亂，用於跟蹤用戶非法再拷貝。該水印系統的可見水印很難被非法消除，而隱形水印則具有抵抗攻擊的強魯棒性。
文檔編號G06T1/20GK1963865SQ200610136788
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者陳志剛, 朱從旭 申請人:中南大學