一种基于小波抗几何攻击的数字水印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于小波变换的数字水印技术，属于多媒体信号处理领域。本发明专利技术分水印嵌入和水印提取两部分。水印嵌入部分为：对原始图像进行小波变换，将水印嵌入到逼近子图系数中，再对该逼近子图进行全图ＤＣＴ变换，找到一个对几何攻击鲁棒的图像特征向量；水印提取部分为：对被测图像进行小波变换，对逼近子图进行全图ＤＣＴ变换，找到待测图像的特征向量，利用该特征向量进行待测图像的水印提取。本发明专利技术是基于小波变换的数字水印技术，并利用图像特征进行水印提取，试验表明该方法有较强的抗旋转、缩放、平移和扭曲几何攻击能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于离散小波变换(DWT)和图像视觉特征的数字水印技术，是一种多媒体数据保护方法，属于多媒体信号处理领域。
技术介绍
目前数字水印是保护数字媒体版权的有效方法之一。现在大多数水印只能抵抗压缩、滤波等常规攻击，对于常见甚至是微小的几何攻击都无能为力。近年来，国外一些学者对抗几何攻击水印算法做了一些理论研究，但效果并不理想。Pereira等使用了模板插入法，但模板的嵌入及提取方法较复杂，嵌入的信息容量小，并且嵌入的模板容易受到攻击；O’Ruanaidh等基于Fourier-Mellin变换，利用该变换拥有RST(Rotate，Scalling，Transtation)不变性实现水印的抗几何攻击能力，但该方法使得水印图像质量变得较差；Pitas等提出将水印信息嵌入DFT域环形区域或圆周上，但其只能提供较小的抗旋转能力和嵌入较少的信息。因此抗几何攻击目前是一个具有挑战性的难题，特别是Voloshynovskiy等在文章中指出局部任意扭曲攻击是几何攻击中更为复杂的一种，目前几乎没有看到有效的抗击方法公布。并且以上大部分抗几何攻击的算法是基于DFT变换，与新一代的图像压缩标准JPEG2000和现在使用的JPEG压缩标准不兼容，JPEG2000的核心是小波变换，小波变换具有良好的空间、频率特性。因此研究基于小波变换的抗几何攻击数字水印算法，有较大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于小波变换可抗击旋转、缩放、平移和扭曲几何攻击的数字水印嵌入与提取方法，它有较高的鲁棒性，以保护数字媒体的版权。为了实现上述目的，本专利技术是这样进行的通过小波变换和DCT变换，进行水印的嵌入和水印图像的视觉特征向量提取，它将数字水印技术和图像的视觉特征向量、密码学有机结合起来，实现了数字水印的抗旋转、缩放、平移(RST)和扭曲几何攻击。本专利技术所采用的方法包括水印嵌入和水印提取两大部分，第一部分为水印嵌入，包括(1)对宿主图像F进行小波变换，获得低频逼近子图FAL，(2)在FAL中嵌入水印W(j)，形成FA′L，(3)对含有水印信息的逼近子图FA′L进行全图DCT变换，在DCT低中频系数中，找到一个对几何攻击鲁棒的视觉特征向量V(j)，(4)根据水印W(j)和图像的视觉特征向量V(j)通过异或逻辑生成一个二值逻辑序列Key(j)，把Key(j)作为密钥向第三方申请，以获得原作品的所有权，达到版权保护的目的。第二部分为水印提取，包括(5)对待测图像Test_F(简记为T_F)进行小波变换，获得其低频逼近子图T_FAL，(6)对逼近子图T_FAL进行全图DCT变换，在DCT低中频系数中找出待测图像的视觉特征向量V’(j)，(7)利用二值逻辑序列Key(j)和待测图像视觉特征向量V’(j)，通过异或逻辑运算，提取出水印W’(j)。通过比较W(j)和W’(j)的相关性来判别待测图像的所有权。现对本专利技术的方法进行详细说明如下第一部分通过水印的嵌入操作，得到二值逻辑序列Key(j)首先用一组可以代表版权信息的二值伪随机序列W，W＝{w(j)|w(j)＝0，1；1≤j≤L}作为数字水印，原始图像记为F＝{f(i，j)|f(i，j)∈R；1≤i≤N1，1≤j≤N2)}，其中，w(j)和f(i，j)分别表示水印序列及原始图像的像素灰度值，设N1＝N2＝N，水印的嵌入如下1)对原始图像F进行小波L级分解并获得逼近子图系数FAL对原始图像F进行L级小波分解后，可以得到多个细节子图系数FDjk，(k＝1，2，3；j＝1，2，3...L)和一个逼近子图系数FAL，L为小波分解级数，分解级数L越高，小波系数抗JPEG压缩、滤波等常规攻击能力越强，但小波分解和重构时间相应加长，本专利技术在试验时取L＝1。2)在逼近子图系数FAL中，嵌入数字水印生成FA′L采用常用的叠加法，将水印嵌入逼近子图小波系数FAL中，具体公式为FA′L＝FAL+αW，其中α为水印嵌入强度，其取值范围一般是0＜α≤0.5，如果α取0值，那是一种零水印的嵌入方式。3)对嵌有水印的逼近子图FA′L，进行全图DCT变换，得到图像的一个抗几何抗击的视觉特征向量V(j)先对逼近子图FA′L进行全图DCT变换，得到DCT系数矩阵FD(i，j)，再对DCT系数矩阵FD(i，j)，进行Zig-Zag扫描，得到频率由低到高的DCT系数序列Y(j)；在低中频的系数序列中，找出J个对几何攻击鲁棒性好的点，即在对水印图像进行几何攻击时，这些低频系数的符号不改变，或基本不改变，由这些系数的符号(二值序列)，组成一个图像的视觉特征向量V(j)，V＝{v(j)|v(j)＝0，1；1≤j≤J}，J的值表示视觉特征向量V(j)的元素多少，J的取值大小要根据一次性嵌入水印的长度和对鲁棒性要求的强弱来决定，本文试验中，J取值32。4)利用异或逻辑，生成二值逻辑序列Key(j)Key(j)＝V(j)W(j)上式中，V(j)是图像的视觉特征向量；W(j)是要嵌入的一个水印，通过密码学常用的异或逻辑，生成一个二值逻辑序列Key(j)。保存Key(j)，这在下面提取水印时要用到。通过将Key(j)作为密钥向第三方申请，可以获得原作品的所有权，达到保护版权的目的。第二部分水印的提取5)通过小波变换求出待测图像的逼近子图T_FAL(i，j)将待测的图像Test_F(简记为T_F)进行与嵌入时相同的L级小波分解，求出逼近子图T_FAL(i，j)；6)对逼近子图T_FAL(i，j)进行DCT变换，求出待测图像的特征向量V’(j)；在DCT低中频系数中，求得特征向量V’(j)，所求方法以及其各元素在DCT系数的位置与嵌入时的特征向量V(j)相一致；7)根据水印嵌入过程中生成的逻辑序列Key(j)和待测图像的特征向量V’(j)求出水印W’(j)，W’(j)＝V’(j)Key(j)；再根据W和W’的相关程度来判别是否有水印嵌入。从而确定待测图像的所有者。该算法提取水印不需要原始图像，因此可以更好的保护原图像。本专利技术与现有的水印技术比较有以下优点由于本专利技术是基于小波变换的数字水印技术，具有于新一代JPEG2000相兼容的优点；在提取图像特征时同时使用了主流变换DCT，与现在流行的JPEG也兼容；该专利技术不仅抗旋转、缩放和平移几何攻击能力还有较强的抗扭曲几何攻击能力；与嵌入模板的水印算法相比，该水印的提取主要是根据图像的特征向量，所以该方法不用担心“嵌入模板被攻击”这些问题，有更好的鲁棒性，并且水印的嵌入和提取简单易行。较好的解决了水印的不可见性和鲁棒性的矛盾；嵌入水印的强弱主要由α决定，而水印的鲁棒性主要由选择的图像特征向量来决定。以下我们从理论基础和试验数据说明1)图像的小波变换图像的小波变换S.Mallat于1988年提出的小波变换，是近几年兴起的一个新的信号分析理论，它是一种“时—频”分析方法，其基本思想是以小波函数ψa，b(t)为基底，对信号f(t)进行分解。Wf(a，b)＝∫Rf(t)ψa，b(t)dt 其中小波函数ψa，b(t)是由同一基底函数ψ经平移、伸缩而得到的一组函数。ψa，b(t)＝|a|-1/2ψ((t-b)/a)a，b∈R，a≠0ψ称为基小波，a为伸缩因子，b为平移因子。Mallat算法分解公式为cj本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波可抗几何攻击的数字水印方法，其特征在于：基于离散小波变换以及图像视觉特征向量，并将水印技术与密码学有机结合起来，实现了数字水印的抗旋转、缩放、平移和扭曲几何攻击，该数字水印方法共分两个部分，共计七个步骤：第一部分是水印嵌 入：通过对图像进行水印的嵌入操作和特征提取，得到一个相应的二值逻辑序列Ｋｅｙ（ｊ）；１）对原图Ｆ进行Ｌ级小波分解，得到低频逼近子图ＦＡ↓［Ｌ］；２）用叠加法将水印嵌入到逼近子图小波系数ＦＡ↓［Ｌ］中，公式为：ＦＡ′↓［Ｌ］＝ ＦＡ↓［Ｌ］＋αＷ；其中α为水印嵌入强度；３）通过对嵌有水印的逼近子图ＦＡ′↓［Ｌ］，进行全局ＤＣＴ变换，找到一个对几何攻击鲁棒的水印图像视觉特征向量Ｖ（ｊ），该特征向量由ＤＣＴ低中频系数的符号序列生成，Ｖ＝｛ｖ（ｊ）｜ｖ（ｊ）＝０ ，１；１≤ｊ≤Ｊ｝，Ｊ表示明视觉特征向量Ｖ（ｊ）的元素多少，Ｊ的取值大小要根据一次性嵌入水印长度和对鲁棒性要求的强弱来决定；Ｊ越小水印鲁棒性越好，但一次性嵌入水印的信息越少；４）利用密码学中常用的异或逻辑，由图像的视觉特征向量Ｖ（ｊ ）和要嵌入的水印Ｗ（ｊ）是生成一个二值逻辑序列Ｋｅｙ（ｊ）；Ｋｅｙ（ｊ）＝Ｖ（ｊ）＊Ｗ（ｊ）；保存Ｋｅｙ（ｊ），这在下面提取水印时要用到，通过将Ｋｅｙ（ｊ）作为密钥向第三方申请，可以获得原作品的所有权，达到保护版权的目的；　 　第二部分是水印提取：根据二值逻辑序列Ｋｅｙ（ｊ），和待测图像的特征向量Ｖ’（ｊ），提取出水印Ｗ’（ｊ）；５）对待测图像Ｔｅｓｔ＿Ｆ（简记为Ｔ＿Ｆ）进行Ｌ级小波分解，求出待测图像的逼近子图Ｔ＿ＦＡ↓［Ｌ］；６）对逼近子图 Ｔ＿ＦＡ↓［Ｌ］进行ＤＣＴ变换，求出待测图像的特征向量Ｖ’（ｊ）；其中待测图像特征向量的长度和向量元素选取的位置与水印嵌入部分提取的特征向量Ｖ（ｊ）相同；７）根据在水印嵌入过程中形成的逻辑序列Ｋｅｙ（ｊ）和待测图像的图像特征向量Ｖ’ （ｊ），利用异或逻辑的性质求出待测图像中的水印Ｗ’（ｊ），Ｗ’（ｊ）＝Ｖ’（ｊ）＊Ｋｅｙ（ｊ）；再根据Ｗ和Ｗ’的相关程度来判别是否有水印嵌入，从而确定待测图像的所有权。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李京兵，
申请(专利权)人：李京兵，
类型：发明
国别省市：66[中国|海南]