一種基於三維小波變換在體數據中嵌入多水印的方法

2023-07-30 19:34:31

專利名稱：一種基於三維小波變換在體數據中嵌入多水印的方法
技術領域：
本發明涉及一種基於三維小波變換(DWT)和三維餘弦變換(DCT)，在體數據中嵌 入多重數字水印技術，是一種多媒體數據保護方法，屬於多媒體信號處理領域。
背景技術：
隨著數位技術和網際網路技術的飛速發展，各種數字媒體如文本、圖像、聲音、視頻 等都可以通過網際網路快速方便地進行傳輸，信息化給人們的生活帶了極大的方便；但同時 這也使得這些信息的篡改和盜版等變得非常容易。數字水印是實現對數字作品版權保護的有效手段。因此，該技術成為多媒體信息 安全領域的一個研究熱點。但多數研究方向是在圖像、音頻數字水印。目前在數字水印研究領域中，如何在體數據中嵌入水印的問題，研究較少，因為醫 學圖像(CT、MRI等)大部分是體數據，這些體數據，原則上是不容許修改其內容的，另外，下 一代圖像壓縮標準JPEG2000是基於小波變換的，因此對於基於三維DWT、DCT，在體數據中 嵌入多重水印的工作有較大意義，並且要求嵌入的多水印有較強的魯棒性，其實現難度較 大，目前尚未見報導，尚屬空白。

發明內容
本發明的目的是提出一種基於三維小波變換在體數據中嵌入多水印的方法，並且 該水印算法具有較強的魯棒性，既能抗擊幾何攻擊又能抗常規攻擊，而且水印的嵌入不影 響原始體數據，是一種零水印方式。從而較好的保護了三維體數據的版權。為了實現上述目的，本發明是這樣進行的先對體數據進行三維小波變換，得到 「近似係數」和「細節係數」，這類似二維圖像的小波變換，「近似係數」代表體數據的低頻特 性，反映的是體數據的主要輪廓；「細節係數」代表體數據的高頻特性反映的是體數據的高 頻信息。由於小波變換本身的抗幾何攻擊能力較差，為此，我們先對體數據進行三維小波變 換(DWT)，然後再對反映低頻特性的「近似係數」再進行全局餘弦變換(DCT)，在DCT係數中， 提取一個抗幾何攻擊的特徵向量，並將水印技術與密碼學中的Hash函數和「第三方概念」 有機結合起來，實現了基於三維小波變換，抗幾何攻擊多重數字水印的嵌入。本發明所採用 的方法包括水印嵌入和水印提取兩大部分，第一部分為水印嵌入，包括(1)通過對體數據 進行三維小波變換，然後對近似係數進行全局DCT變換，得到一個抗幾何攻擊的特徵向量 V(j), (2)根據要嵌入的多重水印Wk(j)，k= 1，2，...，n;n表示嵌入的水印個數，和在體數 據中提取的特徵向量V(j)，通過Hash函數運算，生成二值邏輯序列Keyk(j)，然後將二值邏 輯序列Keyk(j)存在第三方；第二部分為多重水印的提取，包括C3)求出待測體數據的抗 幾何攻擊的特徵向量V』 (j)，(4)利用已存在第三方的二值邏輯序列Keyk(j)和待測體數據 的特徵向量V』 (j)，提取出多重水印Wk』(j)。現對本發明的方法進行詳細說明如下第一部分多重水印的嵌入
首先用Wk(j)表示要嵌入的多重水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1；1^ j^L, 1 ^ k ^ η}, L代表要嵌入的一個水印長度，η為嵌入水印的個數。原始體數據記為F = {f(i，j，k) |f(i，j，k) e R;1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡 N，1 彡 k彡P)}，其中，f(i，j，k)表示體數 據的體素(Voxel)數據值，類似二維圖像中的圖像的像素灰度值，設N = M(設切片的長寬 一樣)，多重水印的嵌入步驟如下1)通過對原始體數據進行三維小波變換，然後對「近似係數」再進行全局DCT變 換，在DCT的低中頻係數中，得到該體數據的一個抗幾何攻擊的特徵向量V(j)； 先對原始體數據F (i，j，k)進行三維DWT小波變換，得到係數矩陣ca_cd (i，j，k)， 再對其中的「近似係數」 ca(i，j, k)進行全局DCT變換，得到係數矩陣DF(i，j, k)中，取出 前L個值，並通過對DF(i，j, k)係數進行符號運算得到該體數據的特徵向量V(j)，當係數 值為「正」時我們用「1」表示(含「0」的情況)，係數為負時「0」表示(原因見下部分)，主 要過程程序描述如下ca_cd (i，j，k) = DWT3 (F (i，j，k)) ； %對體數據進行三維小波變換DF(i，j,k) = DCT3(ca(i, j,k)) ； %對近似係數進行全局餘弦變換V(j) = Sign(DF(i, j, k)) ； %求出一個特徵向量2)根據要嵌入的多重水印Wk(j)和已提取的體數據的特徵向量V(j)，利用Hash函 數特性，生成二值邏輯序列Keyk (j)Keyk(j)=V(i) Wk(j);k = 1,2, ... ,ηKeyk(J)是由體數據的特徵向量V(j)和要嵌入的多水印Wk(j)，通過密碼學常用的 Hash函數生成。保存Keyk(j)，在以後提取水印時需用。通過將Keyk(j)作為密鑰向第三方 申請，以獲得原作品的所有權，達到版權保護的目的。第二部分多重水印的提取3)求出待測體數據的特徵向量V』 (j)設待測體數據為F』(i，j，k)，經過小波變換(DWT)，和對其近似係數進行的全局餘 弦變換(DCT)，得到係數矩陣DF』(i，j, k)，按上述步驟1)的方法，求得待測體數據的特徵 向量V』 (j)，主要步驟描程序描述如下ca_cd，(i，j，k) = DWT3(F' (i, j,k)) ； %對待測體數據進行三維小波變換DF，(i, j,k) = DCT3(ca' (i, j,k)) ； %對近似係數進行全局餘弦變換ψ (j) = Sign(DF』(i，j, k)) ； %求出一個特徵向量4)在待測體數據中提取出水印Wk』 (j)根據存在第三方的在嵌入水印時生成的Keyk(j)和待測體數據的特徵向量V』 (j)， 利用Hash函數性質可以提取出待測圖像的多重水印Wk』 (j)。Wk,(j)=Keyk Q) Θ V'(j)再根據Wk(j)和Wk』 (j)的相關程度來判別待測圖像的所有者。本發明有以下優點首先由於本發明是基於三維DWT、三維DCT的數字水印技術，DffT是下一代圖像壓 縮技術JPEG2000的核心，DCT是現在最流行圖像壓縮JPEG的核心，因此，該算法現在和將 來的壓縮軟體都有較好的兼容性，並且多重水印的嵌入和提取是在頻域中進行，通過後面的實驗數據證實，該水印不僅有較強的抗常規攻擊能力，而且有較強的抗幾何攻擊能力；其 次，嵌入的多重水印不影響原始體數據的內容，是一種零水印技術。這個特性尤其是在醫療 圖像等方面具有較大的實用價值，使用範圍廣。以下我們從理論基礎和實驗數據說明1)三維離散小波變換(DWT)三維小波變換的一層分解過程如

圖1所示，圖1中的L、H分別表示序列經過低頻 和高頻濾波之後得到的低頻成分和高頻成分，與二維圖像的小波變換類似，體數據經過三 維小波變換後，被分解成一個代表體數據低頻特性的「近似係數」 LLL1 (低頻三維子帶)，和 該體數據的高頻信息的「細節係數」(高頻三維子帶)，下標「1」表示是三維DWT的第一層 分解；一個體數據的三維小波變換(兩層)的例子見圖2，圖2(a)為體數據的一個切片，圖 2(b)為體數據的三維成像，圖2(c)為體數據的三維小波變換(兩層)。2)體數據的抗幾何攻擊的特徵向量V(j)提取目前大部分水印算法抗幾何攻擊能力差的主要原因是人們將數字水印嵌入在體 素或變換係數中，體數據的輕微幾何變換，常常導致體素數據值或變換係數值的較大變化。 這樣嵌入在體數據中的水印便被輕易攻擊。如果能夠找到一個反映體數據幾何特點的特徵 向量，並且當體數據發生小的幾何變換時，該特徵向量值不會發生明顯的突變，而把要嵌入 的多重水印和該特徵向量相關聯，就可以較好的解決水印的魯棒性問題。小波變換沒有抗 擊幾何攻擊的能力，通過實驗數據，發現將體數據的三維小波變換和三維餘弦變換相結合， 可以找到一個抗幾何攻擊的特徵向量，當對一個體數據進行常見的幾何變換時(通過對每 個切片進行幾何變換來實現)，三維DCT低中頻係數值的大小可能發生一些變化，但其係數 符號基本保持不變，根據發現的這麼一個規律，我們先對體數據進行三維小波變換(這裡 選用二層)，然後對其近似係數再進行全局DCT變換，我們通過表1的一些實驗數據來說 明。表1中用作測試的原圖是圖5(a)，是matlab中自帶的一個MRI體數據的一個切片(取 第十個)，表1中「第1列」顯示的是體數據受到攻擊的類型，受到常規攻擊後的該切片圖 像見圖4(b)-(d)，常規攻擊對應的三維成像見圖5(e)-(h)；受到幾何攻擊後的切片圖像見 0 4(a)-(d)，其對應的三維成像見圖4(e)-(h)。表1的「第2列，，到「第9列」，這是三維 DWT-DCT係數矩陣中取的DF(1，1，1)-DF(1，2，4)八個低中頻係數。對於常規攻擊，這些低中 頻係數值DF(1，1，1)-DF(1，2，4)基本保持不變(第一列代表直流部分，大小變化稍大)，和 原體數據的DCT係數值近似相等；對於幾何攻擊，大部分係數有較大變化，但是從表1中可 以發現，大部分DWT-DCT低中頻係數的大小發生了變化但其符號基本沒有發生變化。我們 將正的DWT-DCT係數用，，1」表示(含值為零的係數)，負的係數用」 0」表示，那麼對於原始 體數據圖來說，三維DWT-DCT係數矩陣中的DF(1，1，1)-DF(1，2，4)係數，對應的係數符號序 列為」 1110 0011」，具體見表1的第10列，我們觀察該列可以發現，無論常規攻擊還是幾 何攻擊該符號序列和原始體數據的保持相似，與原始體數據對應的符號序列的歸一化相關 係數都較大(見表1 「第12列」)，(方便起見這裡取了 8個三維DWT-DCT係數符號)。表1三維DWT-DCT低頻部分係數及受不同攻擊後的變化值
權利要求
1. 一種基於三維小波變換在體數據中嵌入多水印的方法，其特徵在於基於三維小波 變換及抗幾何攻擊的特徵向量的提取，將水印技術、密碼學中的Hash函數特性和「第三方」 概念有機結合起來，實現了基於三維小波變換在體數據中嵌入多重數字水印，該方法共分 兩個部分，共計四個步驟第一部分是多重水印嵌入通過對多重水印的嵌入操作，得到相應的二值邏輯序列 Keyk(J)；1)對原始體數據進行三維小波變換，再對近似係數進行三維全局餘弦變換，在餘弦 變換係數中，根據低中頻係數的符號序列來得到該體數據的一個抗幾何攻擊的特徵向量 V(J)；2)利用Hash函數和要嵌入的多重水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值邏輯序列Keyk(J),Keyk (j)=VG) WkG);保存Keyk(j)，下面提取水印時要用到，通過把Keyk(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得 對原體數據的所有權；第二部分是多重水印提取通過二值邏輯序列Keyk(j)和待測體數據的抗幾何攻擊的 特徵向量V，(j)，提取出多重水印Wk』 (j)；3)對「待測體數據」進行三維小波變換和對近似係數進行全局DCT變換；在變換係數 中，根據低中頻係數的符號提取出「待測體數據」的一個抗幾何攻擊的特徵向量V』 (j)；4)利用Hash函數性質，和存在第三方的Keyk(j)，提取出水印，Wk』(j)=KeykG) V』⑴；將wk(j)和wk』 (j)進行歸一化相關係數計算，來確定「待測體數據」的所有權。
全文摘要
本發明公開了一種基於三維小波變換在體數據中嵌入多水印的方法，屬於多媒體信號處理領域。本發明的步驟是先進行水印的嵌入，包括(1)對原始體數據進行三維小波變換、全局餘弦變換，在變換係數中提取一個抗幾何攻擊的特徵向量；(2)利用該特徵向量和要嵌入的多水印通過Hash函數得到相應的二值邏輯序列，並將該二值序列存於第三方。然後進行多水印提取，包括(3)對「待測體數據」進行三維小波變換、全局餘弦變換，在變換域提取該對象的特徵向量；(4)利用Hash函數特性和存在第三方的二值邏輯序列提取多水印。本發明是基於三維小波變換的體數據多水印嵌入技術，實驗證明該算法有較強的抗幾何和常規攻擊能力。
文檔編號G06T1/00GK102136125SQ20111005670
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者李京兵, 杜文才 申請人:海南大學