一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法
2023-10-09 16:48:39 1
專利名稱：一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法
技術領域：
本發明涉及到多著作權的認證問題，同時採用了通信理論中的Walsh碼來保證多重水印信息間的正交性，所有者並行實現水印的嵌入和檢測且彼此獨立，屬於信息安全和多媒體信號處理領域。
背景技術：
數字水印技術自1993年提出以來一直受到國內外的普遍關注，近年來，隨著數字通信技術，計算機網絡技術和信息壓縮編碼技術的發展，由此引發的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題，而數字水印技術作為信息隱藏的一個重要分支，它在數字產品智慧財產權保護方面取得了卓越的成就。
數字水印的特性包含不可見性、魯棒性、可證明性、自恢復性、安全保密性。魯棒性對於版權保護有著重要作用，是數字水印的重要指標，魯棒性要求水印在經受了幾何、物理、有意或無意攻擊之後依然可以將水印提取或是證明水印的存在，目前很多的水印算法都在為提高魯棒性而努力。同時隨著數字水印技術在數字產品應用中的不斷深入，出現了多種不同功能的數字水印(如脆弱性水印和魯棒性水印)，由於它們具有不同功能且在不同階段顯示出來，所以產生了將多種水印嵌入到同一個數字產品中的設計，這也就是多重數字水印。多重數字水印技術是用來解決多著作權問題和數字產品在發布、銷售及使用等不同階段的版權認證問題。與單水印相比多個水印信號在嵌入和檢測時應互不幹擾，水印信號的不可見性和魯棒性的均衡問題更加複雜。
多重數字水印從嵌入算法角度可分為靜態多重數字水印和動態多重數字水印，其中前者在水印嵌入前已經明確知道所嵌入的水印個數，後者是所有者數量是動態的，相應的在嵌入前無法確切的知道水印的個數。多重數字水印的嵌入算法與單水印一樣包括空域和變換域。空域算法對載體圖像影響小，算法簡單，嵌入信息量大，但是它的不足是抵抗圖像幾何變形、噪聲、抗壓縮能力較差，具有代表性的有LSB，Patchwork等算法。變換域算法中常用的有DFT、DCT、DWT，變換域算法具有較好的魯棒性，抵抗信號處理和攻擊能力強，但是與空域算法相比此類算法的缺點是嵌入的信息量小，運算量大。
隨著信息網絡技術的發展，數字水印經過十幾年的發展在某些領域已經有很好的成效，並且很多商家和研究人員也在致力於這方面的研究，但是多重水印還是一個較新的領域，很多理論還不成熟，國內外很多學者也正致力於該領域研究，目前在多重水印算法研究中DWT域成為研究的熱點，且在DWT域的多重水印的研究主要包括(1)在不同子帶嵌入同一水印，在檢測時只要檢測到任一子帶中的水印即判斷水印的存在；該方法嵌水印容量小，造成容量的浪費，且無法實現盲檢測；(2)零水印信息嵌入由原始圖像和原始水印共同加載生成一個新的水印，實質是新水印的生成而並未在載體圖像中嵌入水印；不具有很好的實用性和可行性；(3)基於擴頻的數字水印方法；該方法具有較好的魯棒性，但是由於擴頻的加入使得實際嵌入的水印信息較小，而且圖像的不可見性下降。
本發明是針對現有上述的不足和單水印無法滿足多用戶的多種需要，在水印檢測時原始載體參與(明檢測)的不實用性等缺點，基於通信理論中Walsh碼的應用和信號處理領域中的相關檢測理論，提出了在變換域內一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，同時變換域算法還和現有的國際圖像壓縮標準兼容，可直接實現壓縮域內的算法。
Walsh函數廣泛應用於通信、雷達、圖像處理、語音識別等領域。Walsh碼是一種正交碼，具有良好的同步正交性。Walsh碼是通過哈達馬矩陣的行或列映射構成，碼的種類等於碼的長度。函數的每一行均代表一個Walsh碼序列。用w(0)表示Walsh序列0，即哈達馬矩陣的第一行，w(k)表示Walsh序列k，即哈達馬矩陣的第k+1行。N階Walsh函數(N＝2n，n＝0，1，2.....)對應於Walsh序列w(0)，w(1)，……w(N-1)，每個Walsh序列的長度均為N。Walsh碼具有理想的同步正交性能，即在完全同步時自相關函數R＝1，各碼之間完全正交，此時互相關值R＝0。
一般而言，有原始圖像參與的水印檢測(明檢測)算法具有較強的魯棒性，因為它可以有效的去除各種噪聲信號的幹擾，消除圖像和信號間的相關性，從而使檢測更加可靠和準確，但是從實用角度考慮對原始圖像的傳輸，保存等環節增加了許多的不變，因此較為實用的水印方案都在尋求不需原始圖像的水印檢測算法(盲檢測)。本發明採用了基於相關的盲檢測算法，使得發明具有很好的實用性。
發明內容
本發明涉及一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法。為保證N級多重水印間的正交性採用通信理論中的Walsh碼進行調製和解調，並且在檢測端採用基於相關的盲檢測，根據本發明的各個方面，此技術包含水印的並行嵌入和並行檢測兩部分。
其中的並行嵌入部分包括多個原始水印信息的Walsh碼調製，圖像的離散小波變換，調製後多重水印並行嵌入，離散小波的反變換得到含多重魯棒數字水印的圖像。並行檢測部分包括N級調製水印的並行相關檢測，Walsh碼解調，恢復所有N級水印。檢測的結果能明確的告知是否為確定的所有者並且檢測可以獨立進行。
為了解決現有技術中多著作權的認證問題，本發明是通過以下技術方案實現的，其步驟為並行嵌入部分a)原始圖像進行L級離散小波變換，得到變換後的小波係數矩陣X；b)對於N級水印信息進行Walsh碼調製，得到調製後水印信息，同時調製的Walsh碼序列作為密鑰由相應所有者所有；c)在選取的不同小波子帶係數位置上將係數按照X′＝X+aW，加性法則並行嵌入調製後的水印信息；e)將(c)中修改後的小波係數矩陣進行離散小波反變換得到含多重魯棒數字水印的圖像。
並行檢測部分a)對接收到含多重魯棒數字水印圖像進行L級小波分解，得到變換後的小波係數矩陣Y；b)對含有水印的不同小波子帶係數和N個調製的版權所有者信息(調製水印)進行並行相關檢測；c)將檢測後的信息依據密鑰進行解調，得到原始嵌入的N級版權所有者信息(水印)。
上面步驟主要描述了該技術包含的並行嵌入和並行檢測兩部分，嵌入時所有的所有者信息可以並行同時嵌入，同時由於水印信息已經由Walsh碼序列進行了調製，所以每個Walsh碼序列的選擇則作為密鑰由所有者所有，在檢測時並行檢測。不同所有者可以獨立檢測，然後由所有者依據自己的密鑰來恢復原始水印信息。該發明具有很好的安全性，在偽所有者提供虛假水印信息時無法正確獲得水印，即使得到了原始的水印信息由於沒有正確的密鑰信息也無法最終獲取正確的水印信息。
本發明克服了現有技術中的不足，實現了檢測時不需要原始圖像的盲檢測，同時針對現有版權保護認證中單一水印不能滿足多用戶的需要，實現了嵌入和檢測並行，相關檢測技術有效的實現了版權所有者的獨立認證，為不同所有者的驗證提供了很好的獨立性。
本發明為了使水印在壓縮域內同樣有很好的魯棒性，並且滿足人眼視覺特性使得含水印圖像具有很好的不可見性，選擇在小波域內嵌入，在水印嵌入位置的選擇時基於小波變換的特點a)圖像的離散小波變換相當於對圖像數據的行和列做一維小波變換；b)小波變換的結果就是原始信號在一系列倍頻程劃分的頻帶上的多個高頻子帶數據和一個低頻子帶數據；c)每一次小波分解都是對上第一級小波分解的低頻子帶的垂直，水平和對角分解；d)具有多分辨分解特點和良好的空間方向選擇性。
本發明採用在不同小波子帶中同時嵌入多重水印，並且調整彼此的嵌入強度以達到魯棒性和不可見性的折中。
本發明的優點在於Walsh碼序列的使用，對N級水印進行調製，使得N級水印相互正交，在嵌入時互不幹擾，實現了並行同時嵌入，這也是目前多重水印研究中的重點，同時在檢測時由於水印信息的完好正交性採用相關檢測時取得了很好的檢測效果，並且在檢測時沒有原始圖像的參與實現了脫離原始圖像的盲檢測，表明本發明具有很好的實用性。
圖1—基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法的框圖；圖2—三階離散小波變換係數矩陣模型圖；圖3(a)—Lena 256×256原圖；圖3(b)—含三重水印圖像；
圖3(c)—三個原始二值水印圖像；圖4—噪聲強度為10％時檢測到的水印；圖5—高斯濾波檢測到的水印；圖6—規則剪切1/2後含水印圖像；圖7—規則剪切1/2時檢測到的水印。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法主要包括並行嵌入和並行檢測兩部分，選用測試圖像Lena.bmp，大小為256×256。水印信息為二值圖像。
附圖3(a)是Lena測試原圖；附圖3(b)是含三重水印圖像；附圖3(c)是三個原始二值水印圖像。
原始圖像進行三級小波分解如附圖2所示(依據嵌入信息量的大小，圖像的大小選擇合適的分級數)，依據附圖1所示的系統框圖，具體實施如下1.原始圖像進行三級小波分解，得到小波變換矩陣X；2.取三個原始二值水印圖像，降為一維S，與相應的Walsh碼C異或得到調製後的水印W；3.在小波變換矩陣的LH3、HL3、HH3子帶中依據X』＝X+aW並行嵌入三級水印；4.離散小波反變換得到含三重魯棒數字水印圖像；5.將得到的含三重魯棒數字水印圖像做相同的小波變換；6.依據下式並行檢測水印q=i=1nY(i)Vyn=i=1nY(i)/nVyn/n=MynVy]]>其中Y(i)＝X(i)*W(i)，W(i)是Wn中的任意一個，My是Y(i)的平均值，Vy是Y(i)的樣本方差，每次由三個調製後的水印信息和小波矩陣係數進行q值計算，然後選定q值最大的那個為檢測到的水印信息；7.由步驟6得到的調製水印解調恢復原始三級水印。
我們用最小均方誤差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)來衡量恢復的嵌水印圖像與原始圖像的差別。設圖像的大小為[M，N]，原始圖像象素值為X(i，j)，嵌水印的圖像的象素值為Y(i，j)則MSE=1MMi=1Mj=1N(X(i,j)-Y(i,j))2]]>PSNR(dB)=10log(Lmax2MSE)]]>其中Lmax2是最大亮度電平，PSNR值越大表明兩圖像差異越小，對於水印信息可以用相似度η來判別是否存在。
(w,w*)=i=1L(wi*wi*)/i=1L(wi)2]]>原始水印信息w，提取的水印信息w*，依據選取的閾值T，若η大於閾值T時即可證明水印是存在的。
下面我們通過具體實驗來判斷該數字水印方法的抗幾何攻擊能力的魯棒性。
(1)抗加性高斯噪聲性能表1是水印抗高斯噪聲幹擾時的檢測數據(NC表示相似度)
從表中我們可以看出在噪聲強度較小時三個水印均可以被檢測出來，隨著噪聲強度的增加水印的檢測難度增加，虛警漏警概率增加，發生錯判或是誤判的機率增加，以致有些水印已無法檢測到，但是本發明與其它算法相比具有很好的抗噪性能。附圖4為噪聲強度為10％時檢測到的水印。
(2)抗濾波性能A.抗高斯濾波特性表2是水印抗高斯濾波幹擾時的檢測數據
B.抗均值濾波特性表3是水印抗均值濾波幹擾時的檢測數據
由仿真結果我們可以看出本發明對於高斯濾波有較很好的抗攻擊特性，在窗長為[20 20]時依然可以將三個水印完全檢測成功。對於均值濾波，在窗長較小時可以檢測成功，當窗長大於5之後發生誤判的概率增加，在窗長為20時已經無法判斷。附圖5表示了高斯濾波窗長為[3 3]，方差為0.5時檢測到的水印。
(3)抗剪切性能我們考察剪切性能，由於剪切後圖像的剪切部位的像素值將變為0或者255，因此會給水印檢測帶來困難表4是水印抗剪切幹擾時的檢測數據(NC表示相似度)
從結果中我們可以看出來本發明對於剪切有很好的抗攻擊能力，在剪切比例為1/2時除了高頻部分外其它均可以檢測成功，相比其它算法而言有很好的抗剪切魯棒性。附圖6表示了規則剪切1/2的圖像；附圖7表示了規則剪切1/2檢測到的水印。
權利要求
1.一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，其特徵在於水印的並行嵌入和基於相關的並行盲檢測。
2.如權利要求1所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，其特徵在於其中的並行嵌入部分包括多個原始水印信息的Walsh碼調製，圖像的離散小波變換，調製水印的並行嵌入，圖像離散小波的反變換得到含多重魯棒數字水印的圖像。
3.如權利要求1所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，其特徵在於其中的並行檢測部分包括含多重魯棒數字水印圖像的離散小波變換，N級調製水印的並行相關檢測，Walsh碼解調，恢復所有N級水印。
4.如權利要求2所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，其特徵在於其並行嵌入部分包括以下步驟a)原始圖像進行L級離散小波變換，得到變換後的小波係數矩陣X；b)對於N級水印信息進行Walsh碼調製，得到調製後水印信息，同時調製的Walsh碼序列作為密鑰由相應所有者所有；c)在選取的不同小波子帶係數位置上將係數按照X』＝X+aW1，加性法則並行嵌入調製後的水印信息；e)將(c)中修改後的小波係數矩陣進行離散小波反變換得到含多重魯棒數字水印的圖像。
5.如權利要求3所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，其特徵在於其並行檢測部分包括以下步驟a)對接收的含多重魯棒數字水印圖像進行L級小波分解，得到變換後的小波係數矩陣Y；b)對含有水印的不同小波子帶係數和N個調製的版權所有者信息(調製水印)進行並行相關檢測；c)將檢測後的信息依據密鑰進行解調，得到原始嵌入的N級版權所有者信息(水印)。
6.如權利要求1所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，為了保證不同所有者信息(水印)間具有很好的正交性，採用包含Walsh在內的保證正交的任何一種碼子。
7.如權利要求1所述的一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，為了增加系統的安全性對原始水印信息進行預處理，包括置亂，混沌序列異或；原始圖像置亂，打亂嵌入位置；及採用擴頻方法增強魯棒性。
全文摘要
本發明涉及了一種基於多著作權認證的並行多重魯棒數字水印方法，屬於信息安全和多媒體信號處理領域。水印信息經Walsh碼調製後，保證了不同所有者的版權資訊有很好的正交性，同時Walsh碼序列作為密鑰由所有者所有。本發明分為並行嵌入和並行檢測兩部分。並行嵌入部分主要包含對不同所有者的版權資訊(水印)的Walsh碼調製，調製水印信息並行嵌入載體圖像；並行檢測部分主要包含基於相關的並行盲檢測，檢測後水印信息的解調。Walsh碼的正交性使得系統具有很好的盲相關檢測特性，具有很好的抗加性噪聲，濾波，剪切及JPEG的攻擊能力，盲檢測的使用也使得該方法有很好的實用性。
文檔編號G06T1/00GK101093575SQ20071010022
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月6日 優先權日2007年6月6日
發明者費澤松, 李曉莎, 匡鏡明 申請人:北京理工大學