一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入和提取方法與系統的製作方法

2023-05-14 06:26:51

一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入和提取方法與系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入方法，所述方法包括：對所述水印圖像進行QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息；對原始圖像做N×N像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個N×N的DCT係數矩陣；根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息；將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上；對嵌入水印信息後的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。本發明解決了現有變換域水印嵌入方法在抗噪聲、幾何、壓縮攻擊時，存在魯棒性差、嵌入信息量低、抗聯合攻擊性能較差的問題。
【專利說明】一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入和提取方法與系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及多媒體信息安全【技術領域】，具體涉及一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入和提取方法與系統。

【背景技術】
[0002]隨著網絡技術、信息技術和多媒體技術的飛速發展，數位化已成為信息表示的一種重要手段。數字多媒體信息得到廣泛的應用，如數字圖像、數字視頻、數字音頻等。數字多媒體作品便於存儲、複製和網絡傳播，由此引發的信息安全問題、盜版問題和版權糾紛問題日益增多，帶來嚴重的社會問題。
[0003]數字水印技術可以很好地解決這些問題，是實現版權保護的有效手段，已成為多媒體信息安全研究領域的一個重點。數字水印基本特徵包含安全性、可證明性、不可感知性、魯棒性。安全性是以魯棒性為基礎的，對數字水印進行對稱或非對稱加密處理可以禁止未經授權的嵌入、提取和檢測。可證明性是為受保護的信息產品提供安全和可靠的證據。不可感知性主要表現人類的感官器官的不可感知性和採用統計學方法也無法恢復數值水印。魯棒性是衡量數字水印質量好壞的重要指標，魯棒性要求在數字水印受到噪聲、壓縮、幾何、濾波、惡意等攻擊之後仍然可以證明水印的存在。水印的魯棒性和不可感知性是相互矛盾的，較好的方式是在它們之間取得平衡。
[0004]數字水印嵌入方法主要分為空間域算法和變換域算法。
[0005]空間域算法不需要對圖像進行任何的變換而直接將水印加載在原始載體上，空間域算法的優點:算法實現簡單、運算速度快、對圖像影響較小、嵌入信息量大等，其缺點主要是抵抗圖像的幾何變形、噪聲、壓縮攻擊能力較差，實現的水印比較脆弱，算法的魯棒性較差。
[0006]變換域水印主要是通過修改原始載體的變換域係數來實現水印的嵌入，主要算法有離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)域方法、離散餘弦變換(DiscreteCosine Transform,DCT)域方法、離散小波變換(Discrete Wavelet Transform,DffT)域方法等。
[0007]相比較空間域算法，變換域算法具有如下優點:變換域中將嵌入的水印信號能力分布到空間域的所有位置上，有利於保證水印的不可感知性和較好魯棒性。變換域算法還可以很好地兼容數據壓縮標準，進而實現在壓縮域內的水印算法，提高算法的抗壓縮攻擊的能力。
[0008]然而，現有的變換域水印嵌入算法在抗噪聲、剪切、壓縮攻擊時，存在魯棒性差、嵌入信息量低、抗聯合攻擊性能較差的不足，因而需要提出一種變換域水印嵌入算法，使得可以在抵禦噪聲、幾何、壓縮攻擊時，有較強的魯棒性，尤其是在抵禦多種聯合攻擊時，能夠表現出較好的性能。


【發明內容】

[0009]針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入和提取方法與系統，解決了現有變換域水印嵌入方法在抗噪聲、幾何、壓縮攻擊時，存在魯棒性差、嵌入信息量低、抗聯合攻擊性能較差的問題。
[0010]第一方面，本發明提供一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入方法，所述方法包括:
[0011]對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息；
[0012]對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ；
[0013]根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息；
[0014]將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上，其中，0〈Q〈256 ；
[0015]對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
[0016]優選地，所述將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上包括:
[0017]按照公式X' = x+aw，將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上；
[0018]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0019]優選地，所述Q個預設位置的係數為:
[0020]所述DCT係數矩陣中的Q個中頻係數；
[0021]或，
[0022]所述DCT係數矩陣中的R個低頻係數和Q-R個中頻係數，其中R、Q都為正整數，R〈Q。
[0023]第二方面，本發明提供一種抵禦聯合攻擊的圖像水印提取方法，所述方法包括:
[0024]對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ;
[0025]根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息，其中，0〈Q〈256 ；
[0026]根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印輸出；
[0027]對所述檢測到的水印進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0028]優選地，所述根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息包括:
[0029]根據Q個嵌入位置，按照W= U丨_x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息；
[0030]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0031]第三方面，本發明提供一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入系統，所述系統包括:
[0032]編碼模塊，用於對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息；
[0033]DCT變換模塊，用於對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ；
[0034]擴頻模塊，用於根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息；
[0035]水印嵌入模塊，用於將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上，其中，0〈Q〈256 ；
[0036]IDCT變換模塊，用於對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
[0037]優選地，所述水印嵌入模塊具體用於
[0038]按照公式X' = x+aw,將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上；
[0039]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0040]優選地，所述Q個預設位置的係數為:
[0041]所述DCT係數矩陣中的Q個中頻係數；
[0042]或，
[0043]所述DCT係數矩陣中的R個低頻係數和Q-R個中頻係數，其中R、Q都為正整數，R〈Q。
[0044]第四方面，本發明提供一種抵禦聯合攻擊的圖像水印提取系統，所述系統包括:
[0045]DCT變換模塊，用於對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCM^lMfNXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ；
[0046]水印提取模塊，用於根據預設的Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息，其中，0〈Q〈256 ；
[0047]解擴模塊，用於根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印信息輸出；
[0048]解碼模塊，用於對所述檢測到的水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0049]優選地，所述水印提取模塊具體用於
[0050]根據預設的Q個嵌入位置，按照W= (X' _x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息；
[0051]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0052]由上述技術方案可知，本發明的圖像水印嵌入方法，對水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，將通信系統中的糾錯技術應用在數字水印系統中，藉助QC-LDPC編碼的糾錯能力，降低了水印在傳輸過程中的差錯率，因而提高了算法的魯棒性。本發明所述的水印嵌入和提取方法，不但對於單一的噪聲、壓縮、剪切攻擊具有很好的魯棒性，而且，尤為重要地，對於多種聯合攻擊也表現出良好的性能，從而使得本發明所述的方法能夠應用在更為廣泛的水印嵌入場合。
[0053]另外，由於QC-LDPC碼具有低密度和準循環的特性，使得帶有較大信息量的水印信息經過QC-LDPC編碼後，降低了水印信息的複雜度，從而可以在原始圖像上嵌入攜帶較大信息量的水印，這樣不但可以使得原始圖像攜帶必要的水印信息，還可以增加數字水印的安全性。
[0054]本發明選擇二維的DCT變換，相對於小波變換DWT計算量要小，便於與糾錯碼和JPEG壓縮的結合，方便實際的工程應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0055]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0056]圖1是本發明實施例提供的原始圖像和水印圖像；
[0057]圖2是本發明實施例一提供的圖像水印嵌入方法的流程圖；
[0058]圖3是本發明實施例二提供的8X8分塊圖像的之字形排序；
[0059]圖4是本發明實施例三提供的圖像水印提取方法的流程圖；
[0060]圖5示出了本發明實施例五提供的3組不同的聯合攻擊模型示意圖；
[0061]圖6示出了本發明實施例五提供的單一噪聲攻擊後提取的水印圖像；
[0062]圖7示出了本發明實施例五提供的單一濾波攻擊後提取的水印圖像；
[0063]圖8示出了本發明實施例五提供的單一壓縮攻擊後提取的水印圖像；
[0064]圖9示出了本發明實施例五提供的單一剪切攻擊後提取的水印圖像；
[0065]圖10是本發明實施例五提供的三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像；
[0066]圖11是本發明實施例五提供的壓縮與三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像；
[0067]圖12是本發明實施例五提供的剪切與三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像；
[0068]圖13是本發明實施例六提供的圖像水印嵌入系統的結構示意圖；
[0069]圖14是本發明實施例七提供的圖像水印提取系統的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0070]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0071]本發明利用QC-LDPC碼對水印圖像進行編碼，下面簡單介紹下QC-LDPC碼的特性。
[0072]低密度奇偶校驗(LowDensity Parity Check, LDPC)碼最早由 Gallager 博士於1962年提出，但當時並未得到更多的關注，直到1981年Tanner引入雙向圖來重新描述LDPC碼，90年代Mackay等再次發現LDPC碼的優異性，並證明LDPC是一種逼近香農(Shannon)極限的好碼。準循環低密度奇偶校驗(QC-LDPC)碼是一種由置換矩陣組成的特殊結構化的LDPC碼，它的校驗矩陣是由一系列循環移位矩陣和零方陣構成。其編碼可以通過簡單的移位寄存器實現，具有實現複雜度較低的特點。
[0073]將數字水印系統看作一個通信系統模型，數字水印可以看作是發送的信息，原始圖像看作是數字水印的信道和攜帶者，原始圖像受到的攻擊可以看作是信道的噪聲，因此利用將水印的嵌入過程看作一個數據通信問題。水印信息編碼和生成可以看作信源處理，水印嵌入過程可以看作是調製，水印的提取可以看作是解調，水印信息解碼可以看作是接受到信號後的處理操作。
[0074]圖1示出了本發明實施例一至七所使用的原始圖像和水印圖像，其中，圖1中的(a)為原始圖像，圖1中的(b)為水印圖像，下面的實施例講述了如何將水印圖像(b)嵌入到原始圖像(a)中，同時也講述了如何從嵌入了水印圖像(b)的原始圖像(a)中提取出水印圖像(b)。
[0075]圖2示出了本發明實施例一提供的抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入方法的流程圖，如圖2所示，本實施例一的圖像水印嵌入方法如下所述。
[0076]步驟101:對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息。
[0077]步驟102:對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣其中，N為4、8或16。
[0078]步驟103:根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息。
[0079]步驟104:將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上，其中，0〈Q〈256。
[0080]步驟105:對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
[0081]由此，本實施例所述的圖像水印嵌入方法，對水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，將通信系統中的糾錯技術應用在數字水印系統中，藉助QC-LDPC編碼的糾錯能力，降低了水印在傳輸過程中的差錯率，因而提高了算法的魯棒性。本實施例所述的水印嵌入和提取方法，不但對於單一的噪聲、壓縮、剪切攻擊具有很好的魯棒性，而且，尤為重要地，對於多種聯合攻擊也表現出良好的性能，從而使得本實施例所述的方法能夠應用在更為廣泛的水印嵌入場合。
[0082]另外，由於QC-LDPC碼具有低密度和準循環的特性，使得帶有較大信息量的水印信息經過QC-LDPC編碼後，降低了水印信息的複雜度，從而可以在原始圖像上嵌入攜帶較大信息量的水印，這樣不但可以使得原始圖像攜帶必要的水印信息，還可以增加數字水印的安全性。
[0083]本實施例選擇二維的DCT變換，相對於小波變換DWT計算量要小，便於與糾錯碼和JPEG壓縮的結合，方便實際的工程應用。
[0084]下面通過實施例二來更為詳細的說明本發明的一個較佳實施例的實現過程。該過程包括如下步驟:
[0085]步驟201:對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息。
[0086]在本步驟中，將128X 128的水印圖像轉化為一維的二進位序列，利用QC-LDPC對二進位序列進行編碼，得到編碼後的二進位水印序列{0，1，…}。
[0087]為了使所述方法有較廣的適用範圍，可以設計不同的碼率以適應不同的數字水印，其中選擇的碼率越小，QC-LDPC編碼的糾錯能力就越大，當需要較大糾錯能力時，可以選擇較小的碼率。可選擇的碼率有1/4、1/3、1/2、3/4、9/10等。本實施例所有實驗都是在碼率為1/4的條件下進行的。
[0088]步驟202:對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣。
[0089]在本步驟中，首先對1024X1024的原始圖像做NXN像素大小的分塊，這裡，優選地，對原始圖像做8X8像素大小的分塊。當然也可以做4X4或16X 16像素大小的分塊。當然也可以是其他2mX 2m(m>4)像素大小的分塊，只是分的塊越大，在進行DCT變換時，計算量將急劇增加。
[0090]對分塊後的每一塊進行DCT變換，得到8 X 8的DCT係數矩陣，共64個DCT係數，其中DCT變換規則為:
「η tv 、、 7i{2m +1)/^ π(2η + l)c/
[0091]F(p,q) = Oi1ii 2^-f ( W)cos ~~cos ~~
w-o ?-οIN
[0092]其中，F(p, q)表示DCT係數，f (x, y)表示原始信號分量，x = O, I,...,M-l, y =0，I,…，N-1, X和y為像素米樣值，P和q為頻率米樣值，
[0093].——,P — — O
w [Y


,I—, \ < μ < M - \'Λ\ < q < M -1


V M
[0094]步驟203:根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息。
[0095]步驟204:將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上。
[0096]在本步驟中，將所述8X8的DCT係數矩陣按圖3所示的8X8分塊圖像的之子形排序轉換為一維序列後，依次讀取DCT係數矩陣中的Q個預設位置的係數，按照公式X'=x+aw，將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上。
[0097]其中，Q個預設位置的係數可以為所述DCT係數矩陣一維序列中的Q個連續或間斷的中頻係數；當然也可以是所述DCT係數矩陣一維序列中的R個連續或間斷的低頻係數和Q-R個連續或間斷的中頻係數，其中R、Q都為正整數，0〈Q〈256，R〈Q ；
[0098]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，w表示擴頻處理後的水印信息，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，a—般取值為1-10，a取值越小，嵌入的強度越小，不可感知性越好，但是魯棒性越差；反之，a取值越大，嵌入的強度越大，魯棒性越好，但是不可感知性越差。
[0099]一般地，對於8X8的DCT係數矩陣，Q的取值範圍為6〈Q〈16比較合適，較佳地，本實施例選擇Q取8，並選擇8個連續的中頻係數(從所述DCT係數矩陣一維序列中的第6位開始，連續選取8個中頻係數)，假設步驟203經過擴頻處理後的水印信息長度為100位，那麼按照公式V = x+aw，將擴頻處理後的100位水印信息循環嵌入到所述8個中頻係數上具體為:
[0100]選擇100/8 = 12.5個分塊，即選擇13個分塊，將100位水印信息嵌入到13個分塊的相同預設位置的係數上。
[0101]本實施例通過將水印信息嵌入到DCT係數矩陣中的Q個中頻係數上，因為DCT係數矩陣的低頻係數在傳輸中容易被保留，但容易被人的視覺接收，而高頻係數在圖像傳輸中容易丟失，選擇中頻係數可以平衡不可感知性和魯棒性，使水印信息更為穩健。當然也可以選擇若干位低頻係數和若干位中頻係數的組合。
[0102]步驟205:對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
[0103]在本步驟中，對嵌入水印序列後的各個DCT係數矩陣做IDCT，變換規則為:
「1、 π(1ηιΛ-\)ρ ^2n + l)q
[0104]f (x，7) = Σ Σ aPUaι' (!)' q) es ~ ■ cos ~~
m=0 ?=02.Δ4.
[0105]其中，F(p，q)表示水印序列後的DCT係數，f(x, y)表示嵌入水印後圖像的信號分量，X = 0，I,…，M-l，y = 0，I,…，N-l，X和y為像素採樣值，P和q為頻率採樣值，
[0106]


I— P - Oil^ ~ O

VM
W ΓΓ-


J—., \<p< M - l1.1父 I <q<M ~\


V M
[0107]圖4示出了本發明實施例三提供的抵禦聯合攻擊的圖像水印提取方法的流程圖，如圖4所示，本實施例的圖像水印提取方法如下所述。
[0108]步驟301:對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，N為4、8或16。
[0109]步驟302:根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息，其中，0〈Q〈256。
[0110]步驟303:根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印輸出。
[0111]步驟304:對所述檢測到的水印進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0112]下面通過實施例四來更為詳細的說明本發明的一個較佳實施例的實現過程。該過程包括如下步驟:
[0113]步驟401:對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣。
[0114]在本步驟中，對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，其中，分塊的大小要和嵌入水印時的分塊大小一致。對分塊後的每一塊進行DCT變換，變換規則為:
」, 、、 π{2ηι + \)ρ π(2// + 1)α
[0115]F{p, q) = αηαη [[./ (.v, v)cos~~cos ~~
m=0 n=0上N
[0116]其中，F(p，q)表示嵌入水印的圖像的DCT係數，f(x，y)表示嵌入水印的圖像的信號分量，X = O, I,…，M-l，y = 0，I,…，N-l，X和y為像素採樣值，P和q為頻率採樣值，
[0117]


,——,P — O^q = O

VM

aP^q _ *

*1—，ISpS M - lli^l M -1
[0118]步驟402:根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息。
[0119]在本步驟中，根據水印嵌入時的Q個嵌入位置，按照W= U' _x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息。
[0120]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0121]步驟403:根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印輸出。
[0122]在本步驟中，根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，如果檢測的相關性大於預設的第一閾值，則證明檢測到水印，並將檢測的水印輸出；否則，則證明檢測不到水印。一般情況下，所述第一閾值的取值為0.6?0.8之間。
[0123]在進行步驟404的QC-LDPC解碼之前，優選地，可以對檢測到的水印進行自適應濾波處理，以增強其抗噪聲的能力。
[0124]步驟404:對所述檢測到的水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0125]在本步驟中，如果在解碼之前，沒有對檢測到的水印信息進行濾波處理，那麼本步驟就直接對所述檢測到的水印信息進行QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。如果在本步驟解碼之前，對檢測到的水印信息進行了自適應濾波處理，那麼本步驟就需要對濾波後的水印信息進行QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0126]實施例二和實施例四分別講述了圖像水印嵌入過程和圖像水印提取過程，實施例五分別通過單一攻擊和聯合攻擊的攻擊方式來驗證實施例二所述圖像水印嵌入方法的有效性。
[0127]在本實施例五中，對實施例二得到的嵌入水印後的圖像分別用單一攻擊和聯合攻擊的方式進行攻擊，然後利用實施例四所述水印提取方法對水印圖像進行提取，為驗證實施例二所述水印嵌入方法的有效性，對提取後的水印圖像與原始水印圖像進行相似度比較，利用歸一化相關係數進行說明，歸一化相關係數NC的值越大，說明兩張圖片的相似度越高；當NC= I時，說明兩張圖片完全一樣。
[0128]其中，歸一化相關係數的定義為:
M N
ΣΣ
[_ NCiW^)= =fLM

? /=1 j=l V i=\ j=\
[0130]其中，W為原始水印，W』為提取的水印,大小為MXN, w(i, j)為原始水印上的像素點，w』 (i, j)為提取的水印上的像素點。
[0131]具體地，設V1表示高斯噪聲的方差，均值為0，V2表示椒鹽噪聲的噪聲密度，V3表示Speckle噪聲的噪聲密度，Q表示JPEG壓縮質量因子，P表示剪切原始圖像的比例。
[0132]其中，所述單一攻擊包括:單一的噪聲攻擊、單一的濾波攻擊、單一的壓縮攻擊和單一的剪切攻擊。
[0133](I)對於單一的噪聲攻擊,本實施例以高斯噪聲、椒鹽噪聲和Speckle噪聲為例，驗證本發明所述方法的有效性，當然對於其他噪聲，本發明所述方法也是適用的。
[0134]分別用單一的高斯噪聲攻擊嵌入水印後的圖像、單一的椒鹽噪聲攻擊嵌入水印後的圖像、單一的Speckle噪聲攻擊嵌入水印後的圖像，然後分別利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表I所示。
[0135]由表I可知，當V1 = 0.02時，NC的值為I，證明可以完全準確提取水印圖像，當V1=0.03時，NC的值為0.9620，從而說明本發明實施例所述的水印嵌入方法具有良好的魯棒性。同理，後續的表2-7的實驗數據也說明了本發明的方法對抗單一噪聲攻擊、單一濾波攻擊、單一壓縮攻擊、單一剪切攻擊、多種噪聲聯合攻擊、壓縮與多種噪聲聯合攻擊、剪切與多種噪聲聯合攻擊有較強的魯棒性。
[0136]表I單一噪聲攻擊實驗
[0137]
高斯噪聲椒鹽噪聲Speckle噪聲
噪聲類型TT

Vi=0.03 V1=O-CG V2=OJS V2=0.? V3=0.2 V3=0.1
NC 0.9620 I0.8734 I0.9000I
[0138](2)對於單一的濾波攻擊，分別用單一的高斯濾波攻擊嵌入水印後的圖像、單一的中值濾波攻擊嵌入水印後的圖像，然後分別利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表2所示。
[0139]表2單一濾波攻擊實驗
[0140]
μ ,高斯濾波高斯濾波中值濾波濾波類型
__4x4__3x3__3x3
NC I I 丨 I |l
[0141](3)對於單一的壓縮攻擊用JPEG壓縮攻擊嵌入水印後的圖像，然後利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表3所示。
[0142]表3單一 JPEG壓縮攻擊實驗
[0143]

壓縮因子 |Q = 40 Iq = 5o|q = 6o|q = 70

NC0.7903 ? ? ?
[0144](4)剪切攻擊對載體圖像影響較大，所以抗剪切攻擊可以很好地驗證算法的魯棒性。對不同剪切比例下的攻擊實驗如表4所示。
[0145]由表4可知，隨著剪切比例的增大，相似度下降，主要原因在於剪切破壞掉一部分糾錯碼的冗餘信息，降低了糾錯碼的糾錯能力。
[0146]表4單一剪切攻擊實驗
[0147]

剪切比例 |ρ = 1/2 Ip = 1/4 Ip = ι/8~

NC0.9305 0.9882 0.9974
[0148]其中，所述聯合攻擊包括:多噪聲聯合攻擊、濾波與多噪聲聯合攻擊、壓縮與多噪聲聯合攻擊、剪切與多噪聲聯合攻擊、壓縮與剪切聯合攻擊等，本實施例以高斯噪聲、椒鹽噪聲以及Speckle噪聲三種噪聲聯合攻擊、JPEG壓縮與三種噪聲聯合攻擊和剪切與三種噪聲聯合攻擊為例，驗證本發明所述方法的有效性，當然對於其他任意攻擊組合，本發明所述方法也是適用的。
[0149]如圖5所示，圖5中的(a)、(b)、(c)分別為3組不同的聯合攻擊模型。
[0150](I)由高斯噪聲、椒鹽噪聲以及Speckle噪聲組成的三種噪聲聯合攻擊嵌入水印後的圖像，然後利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表5所示。
[0151]表5三種噪聲聯合攻擊實驗
[0152]
高斯噪聲(V1)+椒鹽 V 丨=0.004 Vl=O-OfM Vl=O-OOfi V,=0.005 V ,=0.004
噪聲(V2)+Speckle 噪 V2=0.2 V2=0.1 V2=0.1 V2=0.1 V2=0.1
聲(V3)V3=O-Ol V:,=.2 Vi=O-Ol V3=O-Ol V3=O-Ol
NC0.8704 0.9273 0.9805 0.9999I
[0153](2)由JPEG壓縮攻擊、高斯噪聲、椒鹽噪聲以及Speckle噪聲組成的壓縮與三種噪聲聯合攻擊嵌入水印後的圖像，然後利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表6所示。
[0154]表6 JPEG壓縮與三種噪聲聯合攻擊實驗
[0155].u.r, ,? I V,=0.002 V 1=0.002 V1=O-OOI V,=0.001 V,=0.002
高斯噪聲(V1)+椒鹽
B ^B V.=0.02 VS=0.02 V7=0.03 V,=0.1 1=0.03
嗤吉nVhSriprklp # -~-
士 ( J PΥ3=0.02 V3=O,02 V3=0.02 V^0.0Ol V3=0.01
聲(V3)+JPEGiQ)
''=50Q=60Q-60Q=50Q=50
INC0.9325 0.9582 0.9738 0.9994I
[0156](3)由剪切攻擊、高斯噪聲、椒鹽噪聲以及Speckle噪聲組成的剪切與三種噪聲聯合攻擊嵌入水印後的圖像，然後利用實施例四所述水印提取算法提取水印的結果如表7所/Jn ο
[0157]表7剪切與三種噪聲聯合攻擊實驗
[0158]
~Vl=O-OOlVl=O-OOSVl=O-OOl Vl=O-OOS Vl=O-OOl V1=O-OOl
噪屍(V1)+椒亨V =O-OlV2=O,05 V2=O-Ol V2=O-OS V2=O-Ol V1=O-Ol
聲V3=0.01Y3=O-Ol v3=0.01 V3=O-Ol v3=0.02 V3=0.01
3 穴P= 1/4P= 1/8 P= 1/8 P=l/16 P=l/16 P=l/16
NC0,94540.9260 0.9840 0.9778 0.9395 0.9992
[0159]與表1-7相對應地，圖6-12示出了經過不同的單一攻擊或聯合攻擊後所提取的水印圖像。
[0160]圖6示出了單一噪聲攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在V1 = 0.03的條件下提取的水印圖像，(b)為在V1 = 0.02的條件下提取的水印圖像；(c)為在V2 = 0.75的條件下提取的水印圖像；⑷為在V2 = 0.7的條件下提取的水印圖像；(e)為在V3 = 0.2的條件下提取的水印圖像；(f)為在V3 = 0.1的條件下提取的水印圖像。
[0161]圖7示出了單一濾波攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為窗口大小為4X4的高斯濾波下提取的水印圖像；(b)為窗口大小為3X3的高斯濾波下提取的水印圖像；(c)為窗口大小為3X3的中值濾波下提取的水印圖像。
[0162]圖8示出了單一壓縮攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在Q = 40的條件下提取的水印圖像；(b)為在Q = 50的條件下提取的水印圖像；(c)為在Q = 60的條件下提取的水印圖像；⑷為在Q = 70的條件下提取的水印圖像。
[0163]圖9示出了單一剪切攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在P= 1/2的條件下提取的水印圖像；(b)為在P = 1/4的條件下提取的水印圖像；(c)為在P = 1/8的條件下提取的水印圖像。
[0164]圖10示出了三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在V1 = 0.004, V2=0.2, V3 = 0.01的條件下提取的水印圖像；(b)為在V1 = 0.004, V2 = 0.LV3 = 0.02的條件下提取的水印圖像；(c)為在V1 = 0.006, V2 = 0.1，V3 = 0.01的條件下提取的水印圖像；⑷為在V1 = 0.005，V2 = 0.1, V3 = 0.01的條件下提取的水印圖像；(e)為在V1 =
0.004，V2 = 0.1，V3 = 0.01的條件下提取的水印圖像。
[0165]圖11示出了壓縮與三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在V1 =
0.002，V2 = 0.02，V3 = 0.02，Q = 50 的條件下提取的水印圖像；(b)為在 V1 = 0.002, V2 =
0.02，V3 = 0.02，Q = 60 的條件下提取的水印圖像；(c)為在 V1 = 0.001，V2 = 0.03，V3 =
0.02, Q = 60 的條件下提取的水印圖像；(d)為在 V1 = 0.001, V2 = 0.1, V3 = 0.001, Q =50的條件下提取的水印圖像；(e)為在V1 = 0.002，V2 = 0.03，V3 = 0.01, Q = 50的條件下提取的水印圖像。
[0166]圖12示出了剪切與三種噪聲聯合攻擊後提取的水印圖像，其中，(a)為在V1 =
0.001，V2 = 0.01，V3 = 0.01，P = 1/4 的條件下提取的水印圖像；(b)為在 V1 = 0.005，V2=0.05, V3 = 0.0LP = 1/8 的條件下提取的水印圖像；(c)為在 V1 = 0.001，V2 = 0.01，V3=0.01, P = 1/8 的條件下提取的水印圖像；(d)為在 V1 = 0.005, V2 = 0.05, V3 = 0.01, P=1/16 的條件下提取的水印圖像；(e)為在 V1 = 0.001，V2 = 0.01, V3 = 0.02, P = 1/16的條件下提取的水印圖像；(f)為在V1 = 0.001，V2 = 0.01，V3 = 0.01，P = 1/16的條件下提取的水印圖像。
[0167]本實施例充分說明了本發明實施例二所述方法在抵禦單一攻擊和聯合攻擊時有較強的魯棒性。本實施例所述的圖像水印嵌入方法，對水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，將通信系統中的糾錯技術應用在數字水印系統中，藉助QC-LDPC編碼的糾錯能力，降低了水印在傳輸過程中的差錯率，因而提高了算法的魯棒性。
[0168]另外，由於本發明所述的水印嵌入方法是利用QC-LDPC編碼的糾錯能力降低水印在傳輸過程中的差錯率，從而提高對單一攻擊和聯合攻擊的魯棒性的，因此當外界的單一攻擊或聯合攻擊超過QC-LDPC編碼的糾錯能力時，就會影響所述水印提取的結果。對此，本實施例還給出了抵禦不同單一或聯合攻擊時的參數臨界值(參見表1-7的最左側的實驗數據，表I除外，表I中有三組參數臨界值)，當外界攻擊大於所述參數臨界值時，超出了QC-LDPC編碼的糾錯能力，因此所述水印的提取效果有明顯下降。當外界攻擊小於所述參數臨界值時，藉助QC-LDPC編碼的糾錯能力，幾乎可以完全恢復出水印圖像。本實施所給出的參數臨界值，對於實際的工程應用具有較大的參考意義。
[0169]圖13示出了本發明實施例六提供的抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入系統的結構示意圖，如圖13所示，所述抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入系統包括:
[0170]編碼模塊31，用於對所述水印圖像進行QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息；
[0171]DCT變換模塊32，用於對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣；
[0172]擴頻模塊33，用於根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息；
[0173]水印嵌入模塊34，用於將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上；
[0174]IDCT變換模塊35，用於對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
[0175]其中，所述水印嵌入模塊34具體用於
[0176]按照公式X' = x+aw，將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上；
[0177]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0178]其中，所述Q個預設位置的係數為:
[0179]所述DCT係數矩陣中的Q個中頻係數；
[0180]或，
[0181]所述DCT係數矩陣中的R個低頻係數和Q-R個中頻係數，其中R、Q都為正整數，R〈Q。
[0182]本實施例所述的圖像水印嵌入系統，可以用於執行圖2所示方法實施例的技術方案，其實現原理和技術效果類似，此處不再贅述。
[0183]圖14示出了本發明實施例七提供的抵禦聯合攻擊的圖像水印提取系統的結構示意圖，如圖14所示，所述抵禦聯合攻擊的圖像水印提取系統包括:
[0184]DCT變換模塊41，用於對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣；
[0185]水印提取模塊42，用於根據預設的Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息；
[0186]解擴模塊43，用於根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印信息輸出；
[0187]解碼模塊44，用於對所述檢測到的水印信息進行QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
[0188]其中，所述水印提取模塊42具體用於
[0189]根據預設的Q個嵌入位置，按照W= (X' _x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息；
[0190]其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
[0191]本實施例所述的圖像水印提取系統，可以用於執行圖4所示方法實施例的技術方案，其實現原理和技術效果類似，此處不再贅述。
[0192]以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入方法，其特徵在於，所述方法包括: 對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息；對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ； 根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息； 將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上，其中，0〈Q〈256 ； 對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上包括: 按照公式X' = x+aw，將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上； 其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述Q個預設位置的係數為: 所述DCT係數矩陣中的Q個中頻係數； 或， 所述DCT係數矩陣中的R個低頻係數和Q-R個中頻係數，其中R、Q都為正整數，R〈Q。
4.一種抵禦聯合攻擊的圖像水印提取方法，其特徵在於，所述方法包括: 對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ； 根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息，其中，0〈Q〈256 ； 根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印輸出； 對所述檢測到的水印進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述根據Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息包括: 根據Q個嵌入位置，按照W= U丨_x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息；其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
6.一種抵禦聯合攻擊的圖像水印嵌入系統，其特徵在於，所述系統包括: 編碼模塊，用於對所述水印圖像進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC編碼，得到編碼後的水印信息； DCT變換模塊，用於對原始圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ; 擴頻模塊，用於根據密鑰生成的偽隨機序列對所述編碼後的水印信息進行擴頻處理，得到擴頻處理後的水印信息； 水印嵌入模塊，用於將所述擴頻處理後的水印信息嵌入到所述DCT係數矩陣的Q個預設位置的係數上，其中，0〈Q〈256 ； IDCT變換模塊，用於對嵌入擴頻處理後的水印信息的各個DCT係數矩陣做反離散餘弦變換IDCT，得到嵌入水印的圖像。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述水印嵌入模塊具體用於 按照公式X' = x+aw，將擴頻處理後的水印信息循環嵌入到所述Q個預設位置的係數上； 其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的預設位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，a表示預設嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
8.根據權利要求6或7所述的系統，其特徵在於，所述Q個預設位置的係數為: 所述DCT係數矩陣中的Q個中頻係數； 或， 所述DCT係數矩陣中的R個低頻係數和Q-R個中頻係數，其中R、Q都為正整數，R〈Q。
9.一種抵禦聯合攻擊的圖像水印提取系統，其特徵在於，所述系統包括: DCT變換模塊，用於對嵌入水印的圖像做NXN像素大小的分塊，並對每一塊進行離散餘弦變換DCT，得到多個NXN的DCT係數矩陣，其中，N為4、8或16 ； 水印提取模塊，用於根據預設的Q個嵌入位置，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息，其中，0〈Q〈256 ； 解擴模塊，用於根據密鑰生成的偽隨機序列與提取的水印信息進行相關性檢測，並將檢測到的水印信息輸出； 解碼模塊，用於對所述檢測到的水印信息進行準循環低密度奇偶校驗QC-LDPC解碼，得到恢復的水印圖像。
10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述水印提取模塊具體用於 根據預設的Q個嵌入位置，按照W= U丨_x)/a，提取所述DCT係數矩陣中嵌入的水印信息； 其中，X表示原始圖像的DCT係數矩陣的對應位置的係數，X'表示嵌入水印的圖像的DCT係數矩陣的嵌入位置的係數，a表示預設的嵌入水印信息的嵌入強度，w表示擴頻處理後的水印信息。
【文檔編號】G06T1/00GK104134185SQ201410373076
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】任克強, 吳帆 申請人:江西理工大學