專利名稱：一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到多著作權(quán)的認(rèn)證問題，同時采用了通信理論中的Walsh碼來保證多重水印信息間的正交性，檢測時嚴(yán)格按照嵌入的逆序(后嵌入先檢測)采用相關(guān)盲檢測，屬于信息安全和多媒體信號處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字水印技術(shù)自1993年提出以來一直受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，近年來，隨著數(shù)字通信技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展，由此引發(fā)的盜版問題和版權(quán)紛爭已成為日益嚴(yán)重的社會問題，而數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏的一個重要分支，它在數(shù)字產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面取得了卓越的成就。
數(shù)字水印的特性包含不可見性、魯棒性、可證明性、自恢復(fù)性、安全保密性。魯棒性對于版權(quán)保護(hù)有著重要作用，是數(shù)字水印的重要指標(biāo)，魯棒性要求水印在經(jīng)受了幾何、物理、有意或無意攻擊之后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(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用中的不斷深入，出現(xiàn)了多種不同功能的數(shù)字水印(如脆弱性水印和魯棒性水印)。由于它們具有不同功能且在不同階段顯示出來，所以產(chǎn)生了將多種水印嵌入到同一個數(shù)字產(chǎn)品中的設(shè)計，這也就是多重數(shù)字水印。多重數(shù)字水印技術(shù)是用來解決多著作權(quán)問題和數(shù)字產(chǎn)品在發(fā)布，銷售及使用等不同階段的版權(quán)認(rèn)證問題。與單水印相比多個水印信號在嵌入和檢測時應(yīng)互不干擾，水印信號的不可見性和魯棒性的均衡問題更加復(fù)雜。
多重數(shù)字水印從嵌入算法角度可分為靜態(tài)多重數(shù)字水印和動態(tài)多重數(shù)字水印，其中前者在水印嵌入前已經(jīng)明確知道所嵌入的水印個數(shù)，后者所有者數(shù)量是動態(tài)的，相應(yīng)的在嵌入前無法確切的知道水印的個數(shù)。多重數(shù)字水印的嵌入算法與單水印一樣包括空域和變換域?？沼蛩惴▽d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象幾何變形、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(qiáng)，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(yùn)算量大。
隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印經(jīng)過十幾年的發(fā)展在某些領(lǐng)域已經(jīng)有很好的成效，并且很多商家和研究人員也在致力于這方面的研究，但是多重水印還是一個較新的領(lǐng)域。很多理論還不成熟，國內(nèi)外很多學(xué)者也正致力于該領(lǐng)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(xiàn)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(zhì)是新水印的生成而并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)基于擴(kuò)頻的數(shù)字水印方法；該方法具有較好的魯棒性，但是由于擴(kuò)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(fā)明是針對現(xiàn)有上述不足和現(xiàn)有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，基于通信理論中Walsh碼的應(yīng)用和信號處理領(lǐng)域中的相關(guān)檢測理論，提出了在變換域內(nèi)一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，同時變換域算法還和現(xiàn)有的國際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，可直接實現(xiàn)壓縮域內(nèi)的算法。
Walsh函數(shù)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、圖像處理、語音識別等領(lǐng)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(dá)馬矩陣的行或列映射構(gòu)成，碼的種類等于碼的長度。函數(shù)的每一行均代表一個Walsh碼序列。用w(0)表示W(wǎng)alsh序列0，即哈達(dá)馬矩陣的第一行，w(k)表示W(wǎng)alsh序列k，即哈達(dá)馬矩陣的第k+1行。N階Walsh函數(shù)(N＝2n，n＝0，1，2.....)對應(yīng)于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(guān)函數(shù)R＝1，各碼之間完全正交，此時互相關(guān)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(qiáng)的魯棒性，因為它可以有效的去除各種噪聲信號的干擾，消除圖像和信號間的相關(guān)性，從而使檢測更加可靠和準(zhǔn)確，但是從實用角度考慮對原始圖像的傳輸、保存等環(huán)節(jié)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(fā)明采用了基于相關(guān)的盲檢測算法，使得該發(fā)明具有很好的實用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法。為保證N級多重水印間的正交性采用通信理論中的Walsh碼進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，并且在檢測端采用基于相關(guān)的盲檢測，根據(jù)本發(fā)明的各個方面，此技術(shù)包含水印的嵌入和檢測兩部分。
其中的串行嵌入部分包括多個原始水印信息的Walsh碼調(diào)制，圖像的離散小波變換，調(diào)制后多重水印疊加嵌入，離散小波的反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。串行檢測部分包括第N級調(diào)制水印的相關(guān)檢測，去除N級調(diào)制水印分量，依次重復(fù)直至第1級調(diào)制水印檢測完畢，Walsh碼解調(diào)，恢復(fù)所有N級水印。檢測的結(jié)果能明確的告知是否為確定的所有者以及在哪個階段發(fā)生了侵權(quán)行為。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中多著作權(quán)的認(rèn)證問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，其步驟為串行嵌入部分a)原始圖像進(jìn)行L級離散小波變換，得到變換后的小波系數(shù)矩陣X；b)對于第1級水印信息進(jìn)行Walsh碼調(diào)制，得到第1級調(diào)制水印信息，同時Walsh碼序列作為密鑰由所有者所有；c)在選取的小波子帶系數(shù)位置上將系數(shù)按照X’＝X+aW1，加性法則修改系數(shù)值進(jìn)行第1級調(diào)制水印信息的嵌入；e)將(c)步驟之后的小波系數(shù)矩陣X′作為新的小波系數(shù)矩陣重復(fù)(b)，(c)直至第N級調(diào)制水印完全嵌入；f)將(e)中的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行離散小波反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
串行檢測部分a)對接收到含多重魯棒數(shù)字水印圖像進(jìn)行L級小波分解，得到變換后的小波系數(shù)矩陣Y；b)對含有水印的小波子帶系數(shù)和第N個調(diào)制的版權(quán)所有者信息(調(diào)制水印)進(jìn)行相關(guān)檢測；c)將檢測后的信息依據(jù)密鑰進(jìn)行解調(diào)，得到原始嵌入的第N級版權(quán)所有者信息(水印)；d)在(c)的基礎(chǔ)上得到Y(jié)′＝Y(jié)-aWN，N以步長1遞減；
e)重復(fù)(b)-(d)，直至第1級版權(quán)所有者信息(水印)檢測完畢。
上面步驟主要描述了該技術(shù)包含的串行嵌入和串行檢測兩部分，串行嵌入時依據(jù)版權(quán)所有者的先后順序依次嵌入，同時由于水印信息已經(jīng)由Walsh碼序列進(jìn)行了調(diào)制，所以每個Walsh碼序列的選擇則作為密鑰由所有者所有，在串行檢測時依據(jù)逆序進(jìn)行檢測，然后由所有者依據(jù)自己的密鑰來恢復(fù)原始水印信息。該發(fā)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于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(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，實現(xiàn)了檢測時不需要原始圖像的盲檢測，同時針對現(xiàn)有版權(quán)保護(hù)認(rèn)證中單一水印不能滿足多用戶的需要，采用疊加嵌入，相關(guān)檢測技術(shù)有效的實現(xiàn)了版權(quán)所有者的優(yōu)先認(rèn)證和所有者間的相互制約，以得到版權(quán)信息的完整性驗證。
本發(fā)明為了使水印在壓縮域內(nèi)同樣有很好的魯棒性，并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(nèi)嵌入，在水印嵌入位置的選擇時基于小波變換的特點a)圖像的離散小波變換相當(dāng)于對圖像數(shù)據(jù)的行和列做一維小波變換；b)小波變換的結(jié)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(shù)據(jù)和一個低頻子帶數(shù)據(jù)；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。
對圖像小波分解后小波系數(shù)呈金字塔的結(jié)構(gòu)，且圖像能量重新分配，絕大部分能量分布在最低頻的小波系數(shù)LL中，但是多重水印的嵌入對視覺特性會有較大的影響，而高頻分量的魯棒性又比較差，因此本發(fā)明采用在中頻子帶中嵌入多重水印，以達(dá)到魯棒性和不可見性的折中。
本發(fā)明的優(yōu)點在于Walsh碼序列的使用，對N級水印進(jìn)行調(diào)制，使得N級水印相互正交，在嵌入時互不干擾，這也是目前多重水印研究中的重點，同時在檢測時由于水印信息的完好正交性采用相關(guān)檢測時才能取得很好的檢測效果，并且在檢測時沒有原始圖像的參與實現(xiàn)了脫離原始圖像的盲檢測，表明本發(fā)明具有很好的實用性。


圖1—基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法框圖；圖2—三階離散小波變換系數(shù)矩陣模型圖；圖3(a)—Lena 256×256原圖；圖3(b)—三個原始二值水印圖像；圖4—噪聲強(qiáng)度為10％時檢測到的水??；圖5—高斯濾波檢測到的水?。粓D6—含三重水印圖像剪切旋轉(zhuǎn)9°；圖7—剪切旋轉(zhuǎn)9°檢測到的水印。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法主要包括嵌入和檢測兩部分，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)是三個原始二值水印圖像。
原始圖像進(jìn)行三級小波分解如附圖2所示(依據(jù)嵌入信息量的大小，圖像的大小選擇合適的分級數(shù))，依據(jù)圖1所示的系統(tǒng)框圖，具體實施如下1.原始圖像進(jìn)行三級小波分解，得到小波變換矩陣X；2.取第一個原始二值水印圖像，降為一維S1，與相應(yīng)的Walsh碼C1異或得到調(diào)制后的水印W1；3.在小波變換矩陣的LH3子帶中依據(jù)X’＝X+aW1嵌入第一級水印；4.用相同的方法重復(fù)步驟2，3直到三個水印完全嵌入，然后離散小波反變換得到含三重魯棒數(shù)字水印圖像；5.將得到的含三重魯棒數(shù)字水印圖像做相同的小波變換；6.依據(jù)和嵌入時相反的順序檢測，首先檢測第三級調(diào)制水印W3，依據(jù)q=Σi=1nY(i)Vyn=Σi=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(diào)制后的水印信息和小波矩陣系數(shù)進(jìn)行q值計算，然后選定q值最大的那個為檢測到的水印信息；7.重復(fù)步驟6直到所有水印被檢測到，然后解調(diào)得到恢復(fù)的水印信息。
我們用最小均方誤差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)來衡量恢復(fù)的嵌水印圖像與原始圖像的差別。設(shè)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=1MMΣi=1MΣj=1N(X(i,j)-Y(i,j))2]]>PSNR(dB)=10log(Lmax2MSE)]]>其中Imax2是最大亮度電平，PSNR值越大表明兩圖像差異越小，對于水印信息可以用相似度η來判別是否存在。
η(w,w*)=Σi=1L(wi*wi*)/Σi=1L(wi)2]]>原始水印信息w，提取的水印信息w*，依據(jù)選取的閾值T，若η大于閾值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(shù)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是水印抗高斯噪聲干擾時的檢測數(shù)據(jù)(NC表示相似度)

從表1中我們可以看出在噪聲強(qiáng)度較小時三個水印均可以被檢測出來，隨著噪聲強(qiáng)度的增加水印的檢測難度增加，虛警漏警概率增加，發(fā)生錯判或是誤判的幾率增加，以致有些水印已無法檢測到，但是本發(fā)明能夠經(jīng)受的最大噪聲強(qiáng)度是40％，與其它算法相比具有很好的抗噪性能。附圖4表示了噪聲強(qiáng)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是水印抗高斯濾波干擾時的檢測數(shù)據(jù)

B.抗均值濾波特性表3是水印抗均值濾波干擾時的檢測數(shù)據(jù)

由仿真結(jié)果我們可以看出本發(fā)明對于高斯、均值濾波有很好的抗攻擊特性，在窗長為[20 20]時依然可以將三個水印完全檢測成功。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)抗旋轉(zhuǎn)性能我們考察剪切旋轉(zhuǎn)的性能，由于旋轉(zhuǎn)后圖像的大小并不發(fā)生改變，即圖像的某些成分將會丟失，水印的檢測將會很困難。
表4是水印抗旋轉(zhuǎn)干擾時的檢測數(shù)據(jù)(NC表示相似度)

從結(jié)果中我們可以看出來本發(fā)明對于旋轉(zhuǎn)剪切濾波有很好的抗干擾特性，在旋轉(zhuǎn)角度為10°時第三水印依然可以被檢測到，與其它算法相比具有很好的抗旋轉(zhuǎn)剪切特性。附圖6表示了含三重水印圖像剪切旋轉(zhuǎn)9°的圖像；附圖7表示了剪切旋轉(zhuǎn)9°檢測到的水印。
權(quán)利要求
1.一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于水印的串行嵌入和相關(guān)的串行檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其中的串行嵌入部分包括多個原始水印信息的Walsh碼調(diào)制，圖像的離散小波變換，調(diào)制后多重水印疊加嵌入，圖像離散小波的反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其中的串行檢測部分包括第N級調(diào)制水印的相關(guān)檢測，去除N級相關(guān)水印分量，依次重復(fù)直至第1級調(diào)制水印檢測完畢，Walsh碼解調(diào)，恢復(fù)所有N級水印。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其串行嵌入部分包括以下步驟a)原始圖像進(jìn)行L級離散小波變換，得到變換后的小波系數(shù)矩陣Xb)對于第1級水印信息進(jìn)行Walsh碼調(diào)制，得到第1級調(diào)制水印信息，同時Walsh碼序列作為密鑰由所有者所有；c)在選取的小波子帶系數(shù)位置上將系數(shù)按照X′＝X+aW1，加性法則修改系數(shù)值進(jìn)行第1級調(diào)制水印信息的嵌入；e)將(c)步驟之后的小波系數(shù)矩陣X′作為新的小波系數(shù)矩陣重復(fù)(b)，(c)直至第N級調(diào)制水印完全嵌入；f)將(e)中的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行離散小波反變換得到含多重魯棒數(shù)字水印的圖像。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，其特征在于其串行檢測部分包括以下步驟a)對接收到含多重魯棒數(shù)字水印圖像進(jìn)行L級小波分解，得到變換后的小波系數(shù)矩陣Y；b)對含有水印的小波子帶系數(shù)和第N個調(diào)制的版權(quán)所有者信息(調(diào)制水印)進(jìn)行相關(guān)檢測；c)將檢測后的信息依據(jù)密鑰進(jìn)行解調(diào)，得到原始嵌入的第N級版權(quán)所有者信息(水印)；d)在(c)的基礎(chǔ)上得到Y(jié)′＝Y(jié)-aWN，N以步長1遞減；e)重復(fù)(b)-(d)，直至第1級版權(quán)所有者信息(水印)檢測完畢。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)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，采用包含Walsh在內(nèi)的保證正交的任何一種碼子。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的并行多重魯棒數(shù)字水印方法，為了增加系統(tǒng)的安全性對原始水印信息進(jìn)行預(yù)處理，包括置亂，混沌序列異或；原始圖像置亂，打亂嵌入位置；及采用擴(kuò)頻方法增強(qiáng)魯棒性。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，屬于信息安全和多媒體信號處理領(lǐng)域。為了使不同所有者的版權(quán)信息有很好的正交性，采用Walsh碼進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明分為串行嵌入和串行檢測兩部分。串行嵌入部分主要包含對不同所有者的版權(quán)信息(水印)的Walsh碼調(diào)制，并將調(diào)制后的水印按序依次嵌入載體圖像；串行檢測部分主要包含基于相關(guān)的盲檢測，去除上一級水印信息的影響，下一級水印的檢測。本發(fā)明是基于多著作權(quán)認(rèn)證的串行多重魯棒數(shù)字水印方法，Walsh碼的正交性使得系統(tǒng)具有很好的盲相關(guān)檢測特性，且此方法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G06T1/00GK101093576SQ20071010022
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者費澤松, 李曉莎, 匡鏡明 申請人:北京理工大學(xué)