專利名稱：一種基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度的控制方法，特別是涉及峰值信噪比(PSNR)作為控制因子的基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法。

背景技術(shù)：
目前，數(shù)字水印技術(shù)通過標(biāo)識(shí)作者、所有者、發(fā)行者及使用者等嵌入到文本文件、圖像、音頻和視頻等數(shù)字媒體中，可以用于保護(hù)如書籍、音樂、圖像和視頻等數(shù)字產(chǎn)品的著作權(quán)。它攜帶版權(quán)保護(hù)信息和認(rèn)證信息，可以鑒別出非法復(fù)制和盜用的數(shù)字產(chǎn)品。數(shù)字水印技術(shù)因其特殊的安全保護(hù)機(jī)制而備受關(guān)注，經(jīng)過近二十年的研究，基于各種理論的水印算法大量涌現(xiàn)，但對(duì)水印算法性能評(píng)價(jià)的研究還很少，因此阻礙了水印算法的實(shí)際應(yīng)用。
對(duì)于數(shù)字水印來說，透明性和魯棒性是兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)，水印算法都需要考慮這兩個(gè)因素。通常人們要求所嵌入的水印在保證一定透明性的前提下具有足夠的魯棒性。那么這一定的透明性又該如何度量呢？以往對(duì)數(shù)字水印透明性的研究局限于人的主觀感覺。然而，利用人眼來主觀評(píng)價(jià)水印透明性時(shí)，存在評(píng)價(jià)結(jié)果不唯一、以及無法感知細(xì)小差別的問題。目前大多數(shù)水印算法都是綜合考慮透明性和魯棒性，在保證需求的透明性的情況下，通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到更好的魯棒性以抵抗各種惡意攻擊。
已有的方法都只是對(duì)數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度做出估計(jì)。金聰，彭嘉雄發(fā)表了論文(數(shù)字圖像水印嵌入強(qiáng)度的最優(yōu)估計(jì)[J].紅外與激光工程，2004，Vol.33 No.2174-177)，該方法復(fù)雜、誤差大和統(tǒng)一性差等不太理想。陳杰，吳子文發(fā)表的論文(DCT域基于PSNR的水印強(qiáng)度的估計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005.1854-56)只能針對(duì)特定的情況，對(duì)圖像水印究竟選擇哪一種變換能得到更好的效果的指導(dǎo)性就顯得不足了。目前針對(duì)不同圖像變換域的變換，沒有統(tǒng)一的方法對(duì)其具體的數(shù)字水印的強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，各種迥異的變換域水印算法在保證透明性沒法統(tǒng)一通過控制某一或某些因子來控制嵌入到圖像中水印的強(qiáng)度，因而為實(shí)際的數(shù)字水印的應(yīng)用帶來了一些困難。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種針對(duì)各種變換的數(shù)字水印都適應(yīng)，以透明性為控制因子的，能滿足用戶要求的水印嵌入強(qiáng)度控制的方法。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法，包括如下步驟 (1)源圖像分塊變換從M×N的源圖像陣列f(i，k)的坐標(biāo)為(1，1)的像素點(diǎn)開始進(jìn)行分塊，每長(zhǎng)和寬為l的一個(gè)正方形陣列分為一個(gè)圖像塊，每圖像分塊大小為l×l，M和N分別為大于8的自然數(shù)；l為8或4； 對(duì)分塊后的M×N的源圖像陣列f(i，k)進(jìn)行正向的變換，得到一個(gè)如下M×N的F(u，v)變換后的圖像陣列 其中，i、k分別為f(i，k)源圖像陣列的行和列，其取值范圍0≤i≤M-1，0≤k≤N-1，u、v分別為F(u，v)變換后圖像陣列的行和列，其取值范圍0≤u≤M-1，0≤v≤N-1，h(u，v，i，k)為正向變換核，它是u、v、i、k的函數(shù)，不同特性的圖像變換主要是變換核不同，圖像變換完全由變換核的特性決定； (2)提取反向變換核g(u，v，i，k)圖像變換的逆過程是圖像的反向變換 其中，g(u，v，i，k)為反向變換核，它是u、v、i、k的函數(shù)，不同特性的圖像變換主要是變換核不同，圖像變換完全由變換核的特性決定；g(u，v，i，k)為反向變換核，只與所采用的圖像變換方法相關(guān)，與變換圖像無關(guān)，因此稱為“核”，同一種圖像變換方法的變換核g(u，v，i，k)式子是一致的。
正向變換核和反向變換核只與圖像變換有關(guān)，與源圖像或變換后圖像無關(guān)。常見的酉變換都能夠得到(1)、(2)的正、反向變換公式要求。
(3)計(jì)算源圖像分塊變換的反向變換核平方和根據(jù)水印信息嵌入的位置，在變換核中計(jì)算分塊變換的反向變換核平方和
其中x、y為分塊中水印信息嵌入的坐標(biāo)； (4)確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制水印嵌入到圖像水印嵌入強(qiáng)度為 其中，W(x，y)為水印強(qiáng)度，P為水印透明性評(píng)價(jià)的峰值信噪比控制因子，P＞40水印信息嵌入到圖像中不可察覺，水印的透明性越大，魯棒性是就越差，為了保證水印信息的魯棒性，因此P不是越大越好，控制P取值范圍80＞P＞40；T為嵌入到圖像中的水印量； 源圖像變換到變換域后，對(duì)水印信息做嵌入處理，然后把水印嵌入強(qiáng)度W(x，y)按如下方式嵌入到圖像中去F′(u，v)＝F(u，v)+W(x，y)(4) F′(u，v)為圖像在變換后嵌入水印的序列， 再把變換域中嵌入水印信息的F′(u，v)經(jīng)過圖像的反變換，變換為含水印信息的圖像序列 (5)用戶根據(jù)ITU-R Rec.500標(biāo)準(zhǔn)判斷水印透明性質(zhì)量，若不滿足要求，提高水印透明性評(píng)價(jià)的峰值信噪比控制因子P值，重復(fù)確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制嵌入到水印中的過程，重復(fù)步驟(4)，直到滿足用戶對(duì)水印透明性質(zhì)量的要求。
目前多數(shù)水印算法在考慮處理速度快、方便等優(yōu)點(diǎn)，都把水印信息嵌入到圖像分塊變換后的某些位置上。首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊操作，分塊原則如下從圖像陣列坐標(biāo)為(1，1)的像素點(diǎn)開始，每長(zhǎng)和寬為l的一個(gè)正方形陣列分為一個(gè)圖像塊。圖像分塊變換如圖2所示，把M×N的圖像分成l×l大小的圖像塊，然后進(jìn)行變換。假設(shè)在變換后的系數(shù)F(u，v)上疊加水印Wj(x，y)，其(x，y)表示疊加在變換系數(shù)上的具體位置?？疾殳B加的水印對(duì)源圖像的影響，把變換中疊加的Wj(x，y)(x＝0，…，l-1，y＝0，…，l-1)轉(zhuǎn)換到時(shí)域中，得到如下所示 即f′j(i，k)-fj(i，k)＝Wj(x，y)g(x，y，i，k)(7) 其中Wj(x，y)表示第j分塊中嵌入在l×l分塊中的(x，y)位置上的水印信息。
根據(jù)(7)式及圖2的分塊處理，有 其中W1(x，y)、W2(x，y)、…、Wj(x，y)、…、WT(x，y)表示嵌入到圖像中的水印信息強(qiáng)度，T為水印信息量。
本發(fā)明采用峰值信噪比(PSNR)檢測(cè)水印的透明性，根據(jù)(8)式及PSNR公式，可得到峰值信噪比(PSNR)表達(dá)式為 將用戶的水印算法中所采用的反向圖像變換的變換核提取為反向變換核。反向變換核其值不受源圖像或變換后圖像的影響，反向變換核是圖像變換公式中與變換的圖像不相關(guān)的公式部分，公式如下 g(u，v，i，k)定義為反向變換核，它只與所采用的圖像變換方法相關(guān)，與變換圖像無關(guān)，同一種圖像變換方法的變換核g(u，v，i，k)式子是一致的。
水印透明性的峰值信噪比控制因子P采用客觀評(píng)估失真度量的指標(biāo)峰值信噪比(PSNR)。給定水印透明性的峰值信噪比(PSNR)控制因子P，P是使用者對(duì)水印透明性程度的要求，控制因子P是調(diào)控參數(shù)，其值越大透明性越好，P＞40時(shí)滿足水印信息的透明性。由(8)和(9)公式得到嵌入水印的強(qiáng)度公式 據(jù)水印算法對(duì)透明性的要求得到峰值信噪比(PSNR)的P，M、N和T是所要嵌入水印的圖像就可以確定的源圖像的大小和水印信息量，其

通過該種具體圖像變換得到確定g(x，y，i，k)，再根據(jù)其嵌入在分塊l×l中具體位置(x，y)，可以計(jì)算得到反向變換核平方和。
在滿足主觀評(píng)估對(duì)水印透明性質(zhì)量的要求后，本方法還能切換到其他變換的水印算法中去，這樣就起到了水印嵌入強(qiáng)度的控制。
本方法的有益效果是適用各種帶有變換核的變換，其應(yīng)用范圍廣；得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確；方法簡(jiǎn)單。



圖1是水印嵌入強(qiáng)度控制流程框圖。
圖2是本方法圖像分塊進(jìn)行變換的圖。
圖3是本方法具體實(shí)施采用的算法的水印嵌入位置。

具體實(shí)施例方式 面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，需要說明的是具體實(shí)例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)范圍的限定。
如圖1所示，一種基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法，包括如下步驟 1、源圖像分塊變換。目前多數(shù)水印算法在考慮處理速度快、方便等優(yōu)點(diǎn)，都把水印信息嵌入到圖像分塊變換后的某些位置上。選用256×256大小的源圖像，首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊操作，分塊原則如下從圖像陣列坐標(biāo)為(1，1)的像素點(diǎn)開始，每長(zhǎng)和寬為8的一個(gè)正方形陣列分為一個(gè)圖像塊，把256×256的源圖像分成8×8大小的圖像塊，然后進(jìn)行二維離散余弦變換(DCT)變換。如果f(i，k)源圖像M或N的大小原因，M或N不能被l完全分塊，多出的部分圖像塊將不用圖像變換處理。
對(duì)分塊后的256×256的源圖像陣列f(i，k)進(jìn)行二維離散余弦變換(DCT)正向的變換得到一個(gè)256×256的F(u，v)變換后的圖像陣列。
2、提取反向變換核g(u，v，i，k)。反向變換核其值不受源圖像或變換后圖像的影響，反向變換核是圖像變換公式中與變換的圖像不相關(guān)的公式部分，如下 g(u，v，i，k)是反向變換核，，它是u、v、i、k的函數(shù)，不同特性的圖像變換主要是變換核不同，圖像變換完全由變換核的特性決定，同一種圖像變換方法的變換核g(u，v，i，k)式子是一致的。
圖像變換中常見的酉變換都能滿足(1)式，能提取到反向變換核的圖像變換。本例中采用比較常用的圖像二維離散余弦變換(DCT)作為圖像變換方式。二維離散余弦變換(DCT)反向變換 其反向變換核 其中
3、計(jì)算源圖像分塊變換的反向變換核平方和。根據(jù)水印信息嵌入的具體位置，在變換核中計(jì)算分塊變換的反向變換核平方和
本例中采用8×8分塊二維離散余弦變換(DCT)的反向變換核的平方和 其中，x、y為水印嵌入的位置，這里的位置如圖3的S1(1，5)、S2(2，6)、S3(4，2)、S4(5，3)。
4、確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制水印嵌入到圖像。P是使用者對(duì)水印透明性程度的要求，其值越大透明性越好，P＞40時(shí)滿足水印信息的透明性。水印的透明性越大，魯棒性是就越差，為保證水印信息的魯棒性，因此P不是越大越好，可控制P取值范圍80＞P＞40。例如，首先取一個(gè)不滿足P＞40的控制因子P1＝30.69。
水印嵌入強(qiáng)度的公式為 其中，W(x，y)為水印強(qiáng)度，源圖像的大小為M×N＝256×256，水印圖像的大小為64×64，分塊變換圖像的大小為l×l＝8×8，P為水印透明性評(píng)價(jià)的峰值信噪比控制因子，T為水印嵌入的信息量T＝64×64，g(x，y，i，k)為圖像變換的反向變換核，x、y為水印信息嵌入在分塊圖像變換的位置。
在峰值信噪比(PSNR)控制因子P1＝30.69下，根據(jù)上面得到的反向變換核和分塊變換的反向變換核平方和，得到的水印嵌入強(qiáng)度 源圖像變換到變換域后，在不影響透明性下，為了增強(qiáng)水印的魯棒性對(duì)水印信息做處理得到的嵌入強(qiáng)度，把水印圖像處理成
把確定的水印嵌入強(qiáng)度W1(x，y)按如下方式嵌入到圖像中去F′(u，v)＝F(u，v)+Wi×W1(x，y)。其中，F(xiàn)′(，v)為圖像在變換后嵌入水印的序列，F(xiàn)(u，v)為圖像變換后的序列，Wi(x，y)為嵌入水印信息中水印嵌入的強(qiáng)度。
再把變換域中嵌入水印信息的F′(u，v)經(jīng)過圖像的反變換轉(zhuǎn)換為包含水印信息的圖像，通過ITU-R Rec.500中的主觀評(píng)估判斷水印透明性質(zhì)量是否滿足，得到因子P1＝30.69控制方法含水印信息的圖像明顯可察覺到圖像變換，不滿足透明性要求。重新設(shè)定不可察覺嵌入信息后圖像變化的峰值信噪比(PSNR)控制因子P2＝40.213，然后根據(jù)上面的計(jì)算確定控制水印嵌入強(qiáng)度W2(x，y)＝9.953。同樣源圖像變換到變換域后，在不影響透明性下，為了增強(qiáng)水印的魯棒性對(duì)水印信息做處理得到的嵌入強(qiáng)度，把水印圖像處理成
把確定的水印嵌入強(qiáng)度W2(x，y)按如下方式嵌入到圖像中去F′(u，v)＝F(u，v)+Wi×W2(x，y)。再把變換域中嵌入水印信息的F′(u，v)經(jīng)過圖像的反變換轉(zhuǎn)換為包含水印信息的圖像，得到因子P2＝40.213控制方法含水印信息的圖像察覺不到圖像明顯變化，本次進(jìn)行嵌入操作達(dá)到預(yù)期效果，得到水印圖像。若是改變水印嵌入的位置或是改變圖像變換，根據(jù)圖1流程控制框圖重復(fù)對(duì)應(yīng)的過程，直到滿足要求。
權(quán)利要求
1.一種基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法，其特征在于包括如下步驟
(1)源圖像分塊變換從M×N的源圖像陣列f(i，k)的坐標(biāo)為(1，1)的像素點(diǎn)開始進(jìn)行分塊，每長(zhǎng)和寬為l的一個(gè)正方形陣列分為一個(gè)圖像塊，每圖像分塊大小為l×l，M和N分別為大于8的自然數(shù)；l為8或4；
對(duì)分塊后的M×N的源圖像陣列f(i，k)進(jìn)行正向的變換，得到一個(gè)如下M×N的F(u，v)變換后的圖像陣列
其中，i、k分別為f(i，k)源圖像陣列的行和列，0≤i≤M-1，0≤k≤N-1，u、v分別為F(u，v)變換后圖像陣列的行和列，0≤u≤M-1，0≤v≤N-1，h(u，v，i，k)為正向變換核，是u、v、i、k的函數(shù)；
(2)提取反向變換核g(u，v，i，k)圖像變換的逆過程是圖像的反向變換
其中，g(u，v，i，k)為反向變換核，是u、v、i、k的函數(shù)；
(3)計(jì)算源圖像分塊變換的反向變換核平方和根據(jù)水印信息嵌入的位置，在變換核中計(jì)算分塊變換的反向變換核平方和
其中x、y為分塊中水印信息嵌入的坐標(biāo)；
(4)確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制水印嵌入到圖像水印嵌入強(qiáng)度為
其中，W(x，y)為水印強(qiáng)度，P為水印透明性評(píng)價(jià)的峰值信噪比控制因子，控制P取值范圍80＞P＞40；T為嵌入到圖像中的水印量；
源圖像變換到變換域后，對(duì)水印信息做嵌入處理，然后把水印嵌入強(qiáng)度W(x，y)按如下方式嵌入到圖像中去F′(u，v)＝F(u，v)+W(x，y)(4)
F′(u，v)為圖像在變換后嵌入水印的序列，
再把變換域中嵌入水印信息的F′(u，v)經(jīng)過圖像的反變換，變換為含水印信息的圖像序列
(5)用戶根據(jù)ITU-R Rec.500標(biāo)準(zhǔn)判斷水印透明性質(zhì)量，若不滿足要求，提高水印透明性評(píng)價(jià)的峰值信噪比控制因子P值，重復(fù)確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制嵌入到水印中的過程，重復(fù)步驟(4)，直到滿足用戶對(duì)水印透明性質(zhì)量的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法，其特征在于所述的分塊變換圖像的反向變換核平方和
表示水印信息嵌入在圖像l×l分塊中的(x，y)位置反向變換核的平方和，其值因嵌入位置(x，y)不同而有差異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變換核的數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度控制方法，其特征在于所述水印透明性的峰值信噪比控制因子P是采用圖像失真度量的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)峰值信噪比PSNR，控制因子P的值由計(jì)算，單位為分貝，其中，M、N分別為源圖像陣列的行和列，f(i，k)、f′(i，k)分別為源圖像陣列和嵌入水印后的圖像陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度的方法。該方法包括源圖像分塊變換、提取反向變換核g(u，v，i，k)、計(jì)算源圖像分塊變換的反向變換核平方和、確定控制水印嵌入強(qiáng)度并控制水印嵌入到圖像以及用戶根據(jù)ITU-R Rec.500標(biāo)準(zhǔn)判斷水印透明性質(zhì)量等步驟；提取反向變換核g(u，v，i，k)是圖像變換的逆過程是圖像的反向變換，其中，g(u，v，i，k)為反向變換核，是u、v、i、k的函數(shù)；本方法通過各種圖像變換的反向變換核的形式，建立起圖像水印的透明性與水印嵌入的強(qiáng)度和該圖像變換的反向變換核的關(guān)系式。同一種圖像變換其變換核是不變的，因而得到嵌入強(qiáng)度與水印透明性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而根據(jù)使用者所需求的水印不可見程度就可以確定水印的嵌入強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101719261SQ20091021398
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者馮久超, 周春林 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)