專利名稱：對圖像加水印的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 一般涉及對圖像加水印，更具體地涉及通過將凈荷嵌入到圖像 內來自適應地對圖4象加水印。
背景技術：
例如圖像的媒體的存儲和分配被越來越多地以數字格式進行。不幸的 是，數字格式也使得這種媒體的拷貝非常簡單，由此可制作準確的拷貝， 或者使得媒體被改變而不留下該媒體已經被改變的明顯的痕跡。因此，存需求。數字水印是一種針對這個需求提供解決方案的技術。數字水印是數條 嵌入到如數字圖像的數字數據的信息，其隨后可被檢測或提取以對該數據 作出斷言。該信息可采用多種形式。嵌入的信息可以是關于作者、其版權等的文本數據；或者嵌入的信息甚至可以是另外的圖像。數字水印 一般以使得該水印以對人類觀察者不可見的方式被嵌入到 數字圖像中，因為這樣的水印不會引起在美學質量方面，或在圖像使用方 面的惡化。該數字水印隨后可被檢測或提取以便于主張所有權、提料目關 信息或判斷該圖像是否已經被改變。水印還可以被分類為"健壯型"或"脆弱型"。健壯型水印是那些難 于從它們被嵌入的圖像中移走的水印，因此健壯型水印對于斷言所有權是 有用的。脆弱型水印是那些容易被任何篡改圖像的嘗試所破壞的水印。因 此脆弱型水印可被用于判斷圖像是否已經改變，因為如果在之前的加了水 印的圖像中缺少水印，那么可以推斷出該圖像已經改變。近年來，醫(yī)學圖像也以數字形式存檔和通信。例如，醫(yī)療M和醫(yī)生 使用圖片存檔和通信系統(tǒng)(PACS)來管理和存檔病人的圖像。這些圖像 也可以通過因特網分發(fā)。醫(yī)學圖像的增加的移動性的另一個例子是遠程放 射學的使用。由于醫(yī)學圖像的敏感的性質，圖像的真實性可被g是重要 的。由于上面解釋的原因，水印提供了驗證醫(yī)學圖像的真實性的解決方案。然而，對于醫(yī)學圖像，因為圖像(例如，用于診斷的圖像)的臨床讀 取必須不受影響，所以在加水印期間保持圖像的質量和感知完整性尤其重 要。結果，醫(yī)學圖像的信息承載能力相對低。存在對于限制圖像的視覺惡化的加水印的方法的需求。 發(fā)明內容提出 一種加水印的方法，用于以限制圖像的視覺惡化的方式將凈 荷編碼進圖像。根據本發(fā)明的第一方面，提出一種對圖像加水印的方法，所述方法包括以下步驟將所述圖像分割成區(qū)域，其中各區(qū)域為該圖像內的像素的簇；基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征，特性化各區(qū)域；對各所述區(qū)域，基于各區(qū)域的特性化，選,定數量的加水印的 方法中的一個；對各所述區(qū)域，基于區(qū)域的特性化，選擇要嵌入到各區(qū)域內的比 特的數量；以及對于各所述區(qū)域，使用為區(qū)域所選擇的加水印的方法，將所述數 量的比特的數據嵌入到各區(qū)域內。根據本發(fā)明的第二方面，提供一種對加水印的圖像解碼的方法， 所述方法包括如下步驟將所述加水印的圖像分割成區(qū)域；基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征，特性化各區(qū)域；對各所述區(qū)域，基于各區(qū)域的特性化，選，定數量的加水印的 方法中的一個；對各所述區(qū)域，基于區(qū)域的特性化，選擇要從各區(qū)域中提取的比 特的數量；以及對各所述區(qū)域，使用為區(qū)域所選擇的加水印的方法，從各區(qū)域中 提取所述數量的比特的數據。根據本發(fā)明的另一方面，提供一種用于實現任一前述方法的裝置。根據本發(fā)明的另一方面，提供一種計算積4呈序產品，其包括計算 機可讀介質，在該計算機可讀介質上已經記錄了用于實現任一上述方法的計算4;i4呈序。還公開了本發(fā)明的其他方面。


現在將參考附圖來描述本發(fā)明的一個或多個實施例，其中圖1示出對圖像加水印以形成加水印的圖像的方法的示意性流 程圖；圖2示出對加水印的圖像解碼的示意性流程圖；圖3示出所描述的布置可在其上被執(zhí)行的通用計算*^的示意性 框圖；以及圖4A和4B示出用于解釋優(yōu)選的離散余弦變換(DCT)加水印 的方法的DCT域中的8x8塊。
具體實施方式
當在任何一個或多個附圖中提到具有同樣的附圖標記的步驟和/ 或特征時，那些步驟和/或特征為了說明的目的具有同樣的功能或操 作，除非出現相反的意圖。圖1示出方法100的示意性流程圖，該方法100通過在圖像101 內嵌入凈荷140來對圖像101加水印以形成加水印的圖像145。圖2 示出方法150的示意性流程圖，該方法150對加水印的圖4象145解碼 以vM^水印的圖像145中提取"ILV的凈荷140。期望的是通iW圖像101加水印而引入的感知誤差被最小化。對 圖像惡化的人類視覺檢測的限制提供了可容許的圖像質量損失的門 限，該門限又為可被安全地專用于加水印的信息量提供包絡 (envelope )。感知誤差的一種測量是提供感知誤差度量的結構比較。 該結構比較確定原始區(qū)域(未加水印的區(qū)域)和加水印后的區(qū)域之間 的相似量，并被計算如下其中CTx是原始區(qū)域(未加水印的區(qū)域)的標準偏差，CTy是加水 印的區(qū)域的標準偏差，(Txy是原始區(qū)域和加水印的區(qū)域之間的相關系 數。其它的測量可被用于估計感知誤差。對圖像101加水印和對加水印的圖像145解碼的方法100和150 被優(yōu)選地使用如圖3所示的通用計算機系統(tǒng)200來執(zhí)行，其中，圖l 和圖2的流程可被實現為軟件，如在計算機系統(tǒng)200內執(zhí)行的應用程 序。特別地，方法100和150的步驟受由計算機系統(tǒng)200執(zhí)行的軟件 中的指令的影響。該軟件可被存儲在計算機可讀介質內。該軟件從計 算機可讀介^中加載到計算才幾系統(tǒng)200中，然后由計算才幾系統(tǒng)200執(zhí) 行。具有記錄在其上的軟件或計算*4呈序的計算機可讀介質是一種計 算機程序產品。在計算機中，該計算積一呈序產品的使用優(yōu)選地影響用 于對圖像加水印和對加水印的圖4象解碼的有利的裝置。計算機系統(tǒng)200由計算*^塊201、諸如鍵盤202和鼠標203的 輸入裝置、包括打印機215的輸出裝置以及顯示裝置214構成。計算 機模塊201 —般包括至少一個處理器單元205、存儲器單元206、以 及許多輸入/輸出接口(1/0)，這些輸入/輸出接口包括耦合到視頻顯 示器214的視頻接口 207、用于鍵盤202和鼠標203的I/O接口 213 以及用于打印機215的接口 208。存儲裝置209被提供且一般包括一 個或多個硬盤驅動器、軟盤啟動器以及CD-ROM驅動器。計算機 模塊201的組件205到213 —般通過互聯(lián)總線204并且以某種方式來 通信，該方式導致對相關領域技術人員已知的計算機系統(tǒng)200的傳統(tǒng) 操作模式?？商娲?，方法100和150可以以專用硬件來實現，該硬件例如 為執(zhí)行對圖像加水印和對加水印的圖像解碼的函數或子函數的一個 或多個集成電路。這種專用硬件可包括圖形處理器、數字信號處理器 或一個或多個微處理器以及相關的存儲器。參考圖1，方法100以步驟105開始，在步驟105中處理器205 從存儲裝置209中獲取圖像101并且將該圖像101分割成區(qū)域。在優(yōu) 選的實施中，區(qū)域是8x8〗象素塊。然而可使用其它的塊尺寸和塊形 狀。此外，可使區(qū)域的尺寸可變。在一個實現中，在圖像內具有相似的統(tǒng)計特征(如下所述)的鄰近的區(qū)域^L歸組以形成變化尺寸的區(qū)域。 在另一實現中，根據如紋理或邊緣的內容將圖像內的區(qū)域歸類，并且 鄰近的區(qū)域被歸組以形成變化尺寸的區(qū)域。在步驟110中，處理器205然后使用各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特 征來特性化各區(qū)域。這些統(tǒng)計特征可以包括區(qū)域內的像素的值的標準偏差CTr。在步驟115中，基于各區(qū)域的特性化，由處理器205為各區(qū)域選 擇加水印的方法。在優(yōu)選的實現中，在空間域加水印的方法和頻率域 加水印的方法之間作出選擇。更特別地，在本領域已知的最低有效位 (LSB )加水印的方法和離散余弦變換(DCT)加水印的方法之間作出 選擇。基于LSB的加水印的方法，根據凈荷140的段，將所選擇的 區(qū)域內的像素的最低有效位設置成二進制值0或1?；贒CT的加 水印的方法，根據凈荷140的段，將所選擇的區(qū)域的DCT系數的最 低有效位設置成二進制值0或1。通過設置像素或系數的最低有效位， 最小量的感知誤差被增加到該區(qū)域，并且最終增加到圖像。在標準偏差ciR被用于特性化各區(qū)域的情況下，如果標準偏差ciR 低于預定的門限小，LSB加水印的方法被使用。這是因為通過在12 比特的磁共振(MR)圖像上的實驗，已經發(fā)現對于較低的標準偏差 aR ， LSB加水印的方法與DCT加水印的方法相比在加水印的圖像 145中產生較小的結構誤差，其中該結構誤差基于等式1中所呈現的 結構比較SC。因此，對于較^I氐的標準偏差ctr， LSB加水印的方法比 DCT加水印的方法引入較高的感知相似性。在該優(yōu)選實施例中，對 于某個類型的MR圖像，預定的門P艮被設置成25。在標準偏差aR大于預定門限啦的情況下，DCT加水印的方法祐^吏 用。在上述實驗中已經發(fā)現，對于較高的標準偏差aR， LSB和DCT 加水印的方法在加水印的圖像145中產生相似的結構誤差。對于較高 的標準偏差or,因為DCT加水印的方法比LSB加水印的方法更健壯， 所以DCT加水印的方法優(yōu)于LSB加水印的方法,皮選擇。接下來，在步驟120中，處理器205基于各區(qū)域的特性為各區(qū)域 選擇容量級別。任何一個區(qū)域的容量級別設立了在不損害該區(qū)域的感 知質量的條件下可凈皮嵌入到該區(qū)域內的比特的數量。9對于MR圖像的某些例子，處理器205優(yōu)選地從0， l和2三個 不同的容量級別中選擇。也就是說，處理器205選擇是0個，l個還 是2個比特將被嵌入到該區(qū)域內。在使用各區(qū)域標準偏差(JR對區(qū)域 進行特性化的情況下，當標準偏差(TR小于第一邊界^時，選擇容量 級別0，這是因為在低標準偏差c^,對像素值的任何改變都會引起大 的結構誤差。對于在中間范圍內的標準偏差cjR，也就是說對于在第一 邊界ei和第二邊界S2之間的標準偏差ciR,選擇容量級別l，這是因為 在這種標準偏差ciR,低級別的嵌入是可接受的。最后，在標準偏差 CTR超過第二邊界S2的情況下，結構誤差是可以忽略的，對于這種區(qū) 域選擇容量級別2。對于MR圖像的特定的例子，第一邊界q可被設 置為23，且第二邊界可被設置為25。對于特定的圖像類型，不同的 容量級別的數目以及相關的邊界是預定的。然后方法100進行到步驟125,在步驟125中，使用在步驟115 中為各區(qū)域選擇的加水印的方法和在步驟120中選擇的容量級別，將 凈荷的段嵌入各區(qū)域，從而形成加水印的圖像145。考慮8x8的塊尺寸被用于區(qū)域的情況。僅僅0個，1個或2個 比特被嵌入各區(qū)域。因此，在LSB加水印的方法的情況下，僅僅64 個像素的1個或2個像素的最低有效位被改變。優(yōu)選的實現使用塊中 的前1個或2個像素的最低有效位來嵌入凈荷140的段。在DCT加水印的方法的情況下，高頻系數,皮用于嵌入凈荷140 的段，這是因為這些系數將最小感知失真引入圖像IOI。圖4A和4B 示出DCT域中的8x8塊。圖4A中的陰影的塊組410是用于將凈荷 140的1個或2個比特嵌入塊中的塊。在1個比特-皮嵌入的情況下， 在組410中的所有的塊被使用，而當2個比特被嵌入時，圖4B所示 的組420和425中的塊,皮分別用于嵌入這2個比特。通過將異或(XOR)函數應用到組410、 420或425中的塊的舍 入(rounded ) DCT系數(其一般被量化)的所有LSB,比特被嵌入 組410、 420或425中。如果應用XOR函數的結果與要被嵌入的比 特的值相同，組410、 420或425的DCT系數保持不變。如果應用 XOR函數的結果與要被嵌入的比特的值不同，值"1"被加到組410、 420或425的塊的舍入DCT系數上，使得出現最小可能的感知誤差。 這個過程-故重復直到將XOR函數應用到組410、 420或425中的塊 的舍入DCT系數的LSBs的結果與要被嵌入的比特的值相同。令bp為凈荷140中的比特數，且令lv為所有區(qū)域的容量級別之 和。如果bp<bm，， 也就是說凈荷140小于為該圖像計算的總的凈荷 容量，那么凈荷140被嵌入在前的若干個區(qū)域直到凈荷140的所有段 被嵌入。優(yōu)選地，凈荷140是相對小的。結果， 一般地，對于大多數 圖像bp〈lv將適用。如果bp-bm，也就是說凈荷140剛好匹配該圖像計算的總的凈 荷容量，那么凈^ 140被嵌入各區(qū)域。如果bp〉bm，那么凈荷140超 過為該圖像計算的總的凈荷容量。在這種情況下，凈荷140的前bm 個比特被嵌入?，F在參考圖2，其中示出了對加水印的圖像145解碼以提取凈荷 140的方法150的示意性流程圖。方法150在步驟160開始，在;驟 160中，處理器205從存儲裝置209中獲取加水印的圖像145,并且 以某種方式將加水印的圖像145分割成區(qū)域，這種方式對應于圖像 101在步驟105 (圖1)中被分割的方式。然后在步驟165中，處理器205以某種方式特性化各區(qū)域，這種 方式對應于在步驟110中(圖l)區(qū)域被特性化的方式。基于各區(qū)域 的特性化，在步驟170中，處理器205使用與在步驟115中所使用的 選擇標準相同的標準，為各區(qū)域選擇加水印的方法。在將凈荷140的 段嵌入各區(qū)域之后，因為非常小的變化被引入各區(qū)域，所以區(qū)域的特 性將保持不變。因此，由于同樣的標準被用在步驟115 (圖1)和步 驟170中，所以被選擇的加水印的方法將是相同的。接下來是步驟175，在步驟175中處理器205以某種方式基于各 區(qū)域的特性為各區(qū)域選擇容量級別，這種方式對應于在步驟120(圖 1)中選擇容量級別的方式。最后，方法150以步驟180結束，在步驟180,基于在步驟170 中為各區(qū)域區(qū)域選擇的加水印的方法和步驟175中選擇的容量級別， 從各區(qū)域中提取凈荷的段。順序附加該凈荷的各段，凈荷140被形成。在一個實現中，凈荷結束(end-of-payload )的特殊標記表示凈 荷140的結束，該凈荷結束的特殊標記^方法100期間形成了嵌入圖 像101的凈荷140的部分。在另一實現中，凈荷140具有預定義的比 特長度bp。在另一實現中，方法150如上所述處理所有區(qū)域。由于 (真正的)凈荷140的段一般僅僅被嵌入在前的若干個區(qū)域中，從其余區(qū)域提取的凈荷的段將包括噪聲。然后，用戶可以對真正的凈荷140在何處結束作出判斷。應注意解碼的方法150不需要例如凈荷140中的比特數bp的輔 助信息。對于醫(yī)學圖像，這是特別有用的，這是由于期望僅僅將相對 小的凈荷嵌入到醫(yī)學圖像內的事實。由于在"背景技術"中所解釋的 原因，大的凈荷對醫(yī)學圖l象具有特別有害的影響。由于當對加水印的圖像進行解碼時，不要求原始(未加水印的) 圖像101可用，因此方法100和150也是特別有用的。凈荷可僅僅從 加水印的圖4象145中被提取。前面僅僅描述了本發(fā)明的一些實施例，在不偏離本發(fā)明范圍和精 神的條件下可以對這些實施例作出修改和/或改變，這些實施例是示 例性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種對圖像加水印的方法，所述方法包括下列步驟將所述圖像分割成區(qū)域；基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征，特性化各區(qū)域；對各所述區(qū)域，基于各區(qū)域的特性化，選擇預定數量的加水印的方法中的一個；對各所述區(qū)域，基于區(qū)域的特性化，選擇要嵌入到各區(qū)域內的比特的數量；以及對各所述區(qū)域，使用為區(qū)域選擇的加水印的方法，將所述數量的比特的數據嵌入到各區(qū)域內。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中所述區(qū)域的尺寸和形狀的至 少 一個可基于各區(qū)域中的像素的 一個或多個性質而變化。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中所述一個或多個統(tǒng)計特 征包括各區(qū)域內的像素的值的標準偏差c^。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中基于所述標準偏差CTR的預 定義的范圍，選擇所述比特的數量。
5. 根據權利要求l所述的方法，其中在空間域加水印的方法與頻 率域加水印的方法之間作出選擇。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中所述空間域加水印的方法是 最低有效位(LSB)加水印的方法。
7. 根據權利要求5所述的方法，其中所述頻率域加水印的方法是 離散余弦變換(DCT)加水印的方法。
8. 根據權利要求5所述的方法，其中所述一個或多個統(tǒng)計特征包 括各區(qū)域內的像素的值的標準偏差c^，并且其中當所述標準偏差CTR 低于預定義門限時，選擇所述空間域加水印的方法，否則選擇所述頻 率域加水印的方法。
9. 一種對加水印的圖〗象解碼的方法，所述方法包括下列步驟 將所述加水印的圖像分割成區(qū)域； 基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征，特性化各區(qū)域；對各所述區(qū)域，基于各區(qū)域的特性化，選擇預定數量的加水印的方法中的一個；對各所述區(qū)域，基于區(qū)域的特性化，選擇要從各區(qū)域中提取的比 特的數量；以及對各所述區(qū)域，使用為區(qū)域選擇的加水印的方法，從各區(qū)域中提 取所述數量的比特的數據。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述區(qū)域的尺寸和形狀的 至少一個可基于各區(qū)域中的^象素的一個或多個性質變化。
11. 根據權利要求9或10所述的方法，其中所述一個或多個統(tǒng)計特征包括各區(qū)域內的像素的值的標準偏差CTK。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中基于所述標準偏差(TK的預定義的范圍，選擇所述比特的數量。
13. 根據權利要求9所述的方法，其中在空間域加水印的方法與 頻率域加水印的方法之間作出選擇。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述空間域加水印的方法 是最低有效位(LSB)加水印的方法。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述頻率域加水印的方法 是離散余弦變換(DCT)加水印的方法。
16. 根據權利要求13所述的方法，其中所述一個或多個統(tǒng)計特征包括各區(qū)域內的像素的值的標準偏差CTK,其中當所述標準偏差CJR小于預定義門限時，選擇所述空間域加水印的方法，否則選擇所述頻率 域加水印的方法。
17. —種用于對圖l象加水印的裝置，所述裝置包括 用于將所述圖像分割成區(qū)域的裝置；用于基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征來特性化各區(qū)域的裝置；用于基于各區(qū)域的特性化為各所述區(qū)域選擇預定數量的加水印的 方法中的一個的裝置；用于基于區(qū)域的特性化為各所述區(qū)域選擇要嵌入到各區(qū)域內的比 特的數量的裝置；以及用于對各所述區(qū)域使用為區(qū)域選擇的加水印的方法將所述數量的比特的數據嵌入到各區(qū)域內的裝置。
18. —種用于對加水印的圖像解碼的裝置，所述裝置包括 用于將所述加水印的圖像分割成區(qū)域的裝置；用于基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征來特性化各區(qū)域的裝置；用于基于各區(qū)域的特性化為各所述區(qū)域選擇預定數量的加水印的 方法中的一個的裝置；用于基于區(qū)域的特性化為各所述區(qū)域選擇要從各區(qū)域中提取的比 特的數量的裝置；以及用于對各所述區(qū)域使用為區(qū)域選擇的加水印的方法從各區(qū)域中提 取所述數量的比特的數據的裝置。
19. 一種計算機程序產品，包括計算機可讀介質，在該計算機可 讀介質上已經記錄了用于實現權利要求1-16中任一個所述的方法 的計算積^呈序。
20. 基本上參考圖1和圖2中任一個而在這里描述的方法。
21. 基本上參考任一附圖而在這里描述的裝置。
全文摘要
公開了一種對圖像(101)加水印的方法(100)。方法(100)將圖像(101)分割成區(qū)域。然后，基于各區(qū)域的一個或多個統(tǒng)計特征，將各區(qū)域特性化。對于各區(qū)域，基于區(qū)域的特性，選擇加水印的方法和要被嵌入到各區(qū)域內的比特數。然后，使用為各區(qū)域所選擇的加水印的方法，將上述數量的比特的數據嵌入到各區(qū)域內。還公開了一種對加水印的圖像(145)進行解碼的方法(105)。
文檔編號G06T1/00GK101248453SQ200680024559
公開日2008年8月20日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權日2005年7月4日
發(fā)明者安東尼·約翰·梅德, 比吉特·馬里亞·普萊尼茨 申請人:聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織