一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術的製作方法

2023-12-09 13:17:06 1

專利名稱：一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術。
背景技術：
與相應的模擬數據相比，數字媒體具有幾個顯著的優點高質量、編輯加工容易、拷貝不失真、傳輸容易等。由於這些特點，最近幾年，數字媒體(數字音頻、圖像、數字視頻)技術的開發和應用有了爆炸性的發展。然而，數字媒體的無限次完美複製和通過網絡的迅速傳播給媒體原始擁有者的權益造成了潛在的威脅其艱苦勞動的成果有可能在一夜間被無償地複製並傳播到世界的每一個角落。這種威脅將極大地打擊數字媒體創作者的積極性。因而數字媒體的版權保護成為一個迫切需要解決的問題。
數字水印(Digital watermark)是解決數字版權保護問題的有效補充辦法。它通過在原始數據中嵌入秘密信息——水印來證實該數據的所有權歸屬。水印可以是代表所有權的文字、產品或所有人ID、二維圖像、印章、隨機序列等。
數字水印要發揮版權保護的作用起碼要滿足兩個基本要求首先，嵌入水印後的圖像與原圖像相差無幾，儘可能不要損失原作品的質量；再者，數字水印應該能夠抗擊各種無意或有意的攻擊，即該水印應具有較好的魯棒性，這是水印能夠起到版權保護作用的關鍵。
目前已經提出的許多水印處理算法只能抵抗幾種常見的攻擊，如對圖像進行數據壓縮，濾波和其它的信號處理操作。而對於諸如放縮、剪切、旋轉、拉伸、長寬比改變等幾何攻擊則無能為力。甚至一個非常小的幾何攻擊就能阻止水印的檢測，若為盲水印檢測這個問題變得更顯著了。因此在數字水印研究和應用中，有效抵抗這種幾何形變攻擊是相當關鍵的。

發明內容
為了克服現有水印處理算法的不足，本發明提供一種抵抗旋轉伸縮和位移(Rotation，Scaling and Translation，簡稱RST)攻擊的數字水印技術。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案基於三個位平面的質心，嵌入方案將原始圖像分為小扇形，然後按照水印比特來量化每個扇形，在水印檢測時，也同樣利用質心將水印圖像分為扇形，再根據量化區間判定嵌入的水印比特。為提高同步的精確性，在水印方案中使用了自適應低通濾波器和分割精細調整技術。
水印的嵌入過程技術包含以下步驟步驟1.用自適應低通濾波器預處理原圖像I，以便減少由RST變換引起的質心位置抖動，得到I′；步驟2.計算I′的三個最重要位平面的質心O(x07，y07)，A(x06，y06)，B(x05，y05)(質心對幾何攻擊具有不變性)，構成質心三角形，以O為中心，尋找最大覆蓋圓，以OA邊為起始邊均勻劃分圓為扇形；步驟3.用量化索引調製(Quantization Index Modulation，簡稱QIM)的方法，將水印序列嵌入到每一個扇形區域中。
水印的提取過程技術包含以下步驟步驟1.用自適應濾波器預處理水印圖像，得到I′；步驟2.計算I′的三個最重要位平面的質心O(x07，y07)，A(x06，y06)，B(x05，y05)(質心對幾何攻擊具有不變性)，構成質心三角形，以O為中心，尋找最大覆蓋圓，以OA邊為起始邊均勻劃分圓為扇形；步驟3.精細調整扇形劃分的方法以校正OA角；步驟4.採用最小距離解碼得到提取水印比特。
自適應低通濾波器和精細調整方法自適應低通濾波器去除由RST變換引起的質心位置抖動；精細調整方法用作校正OA角。
矩由於它能夠表示全局特徵因此在圖像處理處理領域中獲得了廣泛的應用。利用不變矩的重要屬性具有平移、比例縮放和旋轉不變性，本方案將不變矩應用到水印系統，設計了能夠有效抵抗幾何攻擊的數字圖象水印技術。由於質心的幾何不變屬性，在RST攻擊之後，檢測器仍能正確同步。
大量的實驗結果表明，與以往大部分的同類方案相比，所設計的基於位平面質心的抗RST攻擊多比特圖像水印方案——無論是在抵抗幾何攻擊的客觀度量上，還是恢復水印比特的主觀評價上，都有了相當程度的提高。方案利用幾何不變矩抗幾何攻擊。藉助自適應低通濾波器和精細調整可進一步提高魯棒性。這一技術具有很高的實用價值。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1、嵌入過程；圖2、一個256階灰度圖像的位平面組成；圖3、原圖的扇形劃分；圖4、水印提取過程；圖5、由於受到攻擊，質心可能發生偏移從而導致劃分的偏移，圖中實線表示正確的劃分和虛線表示錯誤劃分；圖6、扇形分割精細調節步驟；圖7、在放縮攻擊下，三種情況下誤碼率與容量的關係；圖8、在不同嵌入容量的情況下，誤碼率與縮放因子的關係；圖9、誤碼率和旋轉角度的關係；圖10、誤碼率和JPEG壓縮質量因子的關係；圖11、誤碼率與高斯白噪聲的方差的關係。
具體實施例方式
實施例1數字水印的嵌入過程如圖1所示，背景知識質心對一幅待保護的灰度圖像I，通常是由幾個位平面組成，例如一個具有256級灰度的圖像有8個位平面，即位平面7，位平面6，……，位平面1，和位平面0，如圖2所示。
對於三個最重要位平面(MSB)，位平面7，位平面6，位平面5，分別計算質心，O(x07，y07)，A(x06，y06)，B(x05，y05)。
x0=m10m00;y0=m01m00---(1)]]>其中m00，m10和m01是笛卡兒矩，其計算公式如下mpq=x=0N1-1y=0N2-1xpyqB(x,y)---(2)]]>其中B(x，y)是位平面在位置(x，y)的比特值。N1×N2是圖像I的大小。
質心已被證明對幾何攻擊具有不變性，例如對於旋轉、伸縮和位移等幾何變換具有不變性，本專利中，利用了質心三角形進行圖像分割，因此從理論上來說，在遭受了幾何攻擊後仍然很容易做到分割的同步。然而在實際RST變換中，使用了雙線性插值，質心位置有些抖動。為了減少位置錯誤，在編解碼過程中，在計算質心之前，用圖4的濾波器自適應過濾圖像。
I(i,j)=1M{(k,l)|d((i,j),(k,l))R}I(k,l)---(3)]]>其中R是濾波器覆蓋面積的半徑，M是R所包含的像素個數。濾波器半徑R自適應於圖像大小，在試驗中，R=1128N1,]]>由於濾波器的覆蓋面積是圓的，因此其正比於圖像大小，不論RST表現為什麼，濾波器總是能覆蓋同樣區域，顯而易見，在公式(3)的濾波器是低通濾波器。
當圖像經RST變換，像素值或多或少會受到幹擾，利用等式(3)的低通濾波器可以降低噪聲，因而降低了質心位置偏差，濾波圖像僅僅被用作計算質心，它不會涉及以下的量化過程。
水印的嵌入過程技術步驟1、用以上提到的自適應濾波器預處理原始圖像，以便減少由RST變換引起的質心位置抖動，得到I′；步驟2、用公式(2)計算I′的三個最重要位平面的質心O(x07，y07)，A(x06，y06)，B(x05，y05)(質心對幾何攻擊具有不變性)，OAB構成了一個三角形稱作質心三角形，如圖3所示；以O為中心，在原始圖像I中尋找最大覆蓋圓，然後均勻將圓N等分。劃分從質心三角形的一邊開始，例如沿著從OA到B的方向進行劃分，劃分過程如圖3所示。
步驟3、用量化索引調製的方法，將水印序列嵌入到每一個扇形區域中。首先，構造兩個量化器Q(.；s)，按照水印序列其中s∈{0，1}，本專利中，考慮Q(.；s)是均勻分布步長Δ的標量量化器，量化集包含兩個相互偏移Δ/2的量化器。對於扇形n，按照相應的水印比特wn，用量化器Q(.；wn)量化每一象素。
水印的提取過程技術抽取過程由圖4所示；步驟1、用自適應濾波器預處理水印圖像，得到IW′；步驟2、計算水印圖像IW′的三個最重要位平面的質心O(x07，y07)，A(x06，y06)，B(x05，y05)(質心對幾何攻擊具有不變性)，構成質心三角形，以O為中心，尋找最大覆蓋圓，以OA邊為起始邊均勻劃分圓為N個扇形；步驟3、遭受圖像處理和破壞攻擊後，位平面7，6，5可能被改變了，導致質心的錯位和劃分的偏移。儘管已經用了自適應濾波器和量化值限定以減少位置錯誤，但仍有一些位置錯誤存在。相對而言，O的位置偏移最小，其次是A，再次是B。精細調整扇形劃分以校正OA角；步驟4、採用最小距離解碼得到提取水印比特；精細調整扇形劃分具體實施方法在扇形n中，任一象素對水印提取都有貢獻。由於扇形的不精確劃分或其受到了攻擊，會導致一些象素被檢測嵌了比特1，一些嵌了比特0。令Num(1)表示在某一扇形區域中嵌入1的象素個數，Num(0)表示嵌入0的象素個數。定義Majn=Num(1),ifNum(1)Num(0)Num(0),ifNum(1)Num(0)---(6)]]>為扇形n中的多數象素數，θ為開始角度。定義Majall=n=1NMajn---(7)]]>為整個圖像中大多數象素數。
用Majall(θ)作為準則，首先決定哪個方向旋轉劃分角度，然後決定旋轉了多少角度，其步驟如圖6所示，圖6的步驟為步驟1、質心O為中心，尋找最大覆蓋圓。計算OA初始角θ0，以三角形OA邊為起始邊，均勻將最大覆蓋圓N等分步驟2、順時針或逆時針各旋轉Δ∠，各自均勻劃分最大覆蓋圓N等分，並計算 和 (θ為旋轉前的初始角)。如果 向順時針方向旋轉(dir＝1)，否則想逆時針方向旋轉(dir＝-1)；步驟3、在確定了旋轉方向後，設定θ0＝θ；步驟4、 計算Majall(θ)和 步驟5、比較Majall(θ)和 的大小，如果 成立，重複執行步驟4，直到 為止；步驟6、得到最佳角度θ0pt＝θ。
在得到最佳角度後，採用最小距離解碼得到提取水印比特。
根據以上介紹，可以很容易的實現水印的嵌入和提取。既可以軟體完成，也可以藉助DSP、具有SIMD或MIMD結構的並行機等硬體系統來實現。
實施例2標準512×512大小Lena圖像用作測試圖像。圖7給出了水印的錯誤比特率(BER)和水印容量的關係曲線。在這個實驗中，量化步長Δ＝6，嵌入水印的圖像質量為PSNR＝43.13dB，並對水印圖像做125％放大。為了測試自適應低通濾波器和精細調節的作用和效果，圖7同時給出了沒有使用自適應濾波器和精細調節的曲線。在此實驗中，使用自適應濾波器和分割精細調整的方案效果最好，並能實現高容量，而沒有使用自適應低通濾波的方案效果很差。
圖8給出了BER與尺度伸縮因子的關係。在這個實驗中，Δ＝6，PSNR＝43.3dB。當圖像縮小(縮放因子小於1)容量雖大但存在錯誤比特。這是因為當圖像縮小後一些像素值丟失了。當圖像放大時具有很好的效果。
圖9給出了錯誤碼率和旋轉角度的關係，其中Δ＝6，平均PSNR＝43.3dB。當嵌入容量是20比特時，方案能抵抗所有的旋轉角度。當嵌入容量是30或40比特時，在某些旋轉角度誤碼率有所增加。
實驗也同時測試了系統對沒有剪切的圖像平移的性能，方案能成功地檢測所有的水印比特。
實驗也測試了抵抗JPEG壓縮的性能，圖10給出了結果。在實驗中容量為50比特，Δ分別為2，4，6，8，10，12，14。PSNR分別為53.0dB，46.64dB，43.22dB，39.87dB，39.53dB，36.23B，35.08dB。比較各個曲線可知，Δ越大，魯棒性越好。
圖11給出了圖像被高斯白噪聲攻擊後的性能。在所有的曲線中，嵌入容量都是40比特。選取均值為零方差不同的高斯白噪聲。從圖中可知量化步長影響著魯棒性，Δ越大，魯棒性越好。
大量的實驗結果表明，與以往大部分的同類方案相比，所設計的基於位平面質心的抗RST攻擊多比特圖像水印方案——無論是在抵抗幾何攻擊的客觀度量上，還是恢復水印比特的主觀評價上，都有了相當程度的提高。方案利用幾何不變矩抗幾何攻擊。藉助自適應低通濾波器和精細調整可進一步提高魯棒性。因此具有商用價值。
權利要求
1.一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術，其特徵是基於三個位平面的質心，嵌入方案將原始圖像分為小扇形，然後按照水印比特來量化每個扇形，在水印檢測時，也同樣利用質心將水印圖像分為扇形，再根據量化區間判定嵌入的水印比特，在嵌入和提取方案中，利用自適應低通濾波器和精細調整劃分等方法提高同步的精確性；
2.根據權利要求1所述的一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術，其特徵是包括水印的嵌入過程技術和水印的提取過程技術和自適應低通濾波器和精細調整劃分等方法；水印的嵌入過程技術包含以下步驟步驟1、用自適應低通濾波器預處理原圖像I，以便減少由RST變換引起的質心位置抖動，得到I′；步驟2、計算I′的三個最重要位平面的質心O，構成質心三角形，以O為中心，尋找最大覆蓋圓，以OA邊為起始邊均勻劃分圓為扇形；步驟3、用量化索引調製的方法，將水印序列嵌入到每一個扇形區域中；水印的提取過程技術包含以下步驟步驟1、用自適應濾波器預處理水印圖，得到I′；步驟2、計算I′的三個最重要位平面的質心o，構成質心三角形，以O為中心，尋找最大覆蓋圓，以OA邊為起始邊均勻劃分圓為扇形；步驟3、精細調整扇形劃分的方法以校正OA角；步驟4、採用最小距離解碼得到提取水印比特；自適應低通濾波器和精細調整方法自適應低通濾波器去除由RST變換引起的質心位置抖動；精細調整方法用作校正OA角。
全文摘要
一種抵抗旋轉伸縮和位移攻擊的數字水印技術，基於三個位平面的質心，嵌入方案將原始圖像分為小扇形，然後按照水印比特來量化每個扇形，在水印檢測時，也同樣利用質心將水印圖像分為扇形，再根據量化區間判定嵌入的水印比特。在水印方案中使用了自適應低通濾波器和分割精細調整技術和水印的嵌入過程技術、水印的提取過程技術；自適應低通濾波器和精細調整方法本發明與以往大部分的同類方案相比，無論是在抵抗幾何攻擊的客觀度量上，還是恢復水印比特的主觀評價上，都有了相當程度的提高。方案利用幾何不變矩抗幾何攻擊。藉助自適應低通濾波器和精細調整可進一步提高魯棒性。因此具有商用價值。
文檔編號G06T1/00GK1738353SQ20051008623
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月16日 優先權日2005年8月16日
發明者趙耀, 潘正祥 申請人:北京交通大學