專利名稱：一種基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可逆圖像水印的嵌入和提取方法，特別涉及一種基于自適應(yīng)差值 擴(kuò)展的可逆圖像水印方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字信息革命給人類的社會和生活帶來了深刻的變化，各種數(shù)字媒體作品豐富人 民生活的同時帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)字多媒體作品復(fù)制和分發(fā)成本的低廉，使得數(shù)字盜版十 分普遍，因此數(shù)字版權(quán)保護(hù)及內(nèi)容完整性驗證等安全問題成為迫切需要解決的問題。數(shù)字 水印將一些信息隱藏在數(shù)字圖像、文本、視頻或者音頻信號中，已經(jīng)成為一種保護(hù)數(shù)字媒體 內(nèi)容安全的有效手段。在大多數(shù)現(xiàn)有的數(shù)字水印方法中，宿主媒體因為水印信號的嵌入，會 被永久的改變并無法還原到嵌入水印之前的狀態(tài)。雖然水印引入的失真通常不容易被人的 感知系統(tǒng)所察覺，但在一些對數(shù)據(jù)保真度要求極高的特殊領(lǐng)域中，如軍事圖像、醫(yī)學(xué)圖像、 衛(wèi)星遙感圖像或者法律證據(jù)圖像等，任何微小的失真都是不被允許的。因此數(shù)字水印技術(shù) 在這些領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大的限制。為了解決這一問題，人們提出了可逆數(shù)字水印的概 念，這種水印方案在嵌入水印信息保護(hù)數(shù)字版權(quán)的同時，可以保證在提取端將宿主媒體精 確還原到其未被嵌入水印時的原始狀態(tài)。自從1997年Barton第一次提出可逆水印的概念 以來，近年來已有學(xué)者提出一些可逆水印算法。已有的可逆水印算法基本上包括兩種方式， 即在空域中嵌入和在頻域中嵌入。在空域中嵌入可逆水印，因為實現(xiàn)相對簡單，嵌入容量比較大，從而成為最近研究 的熱點?？沼蛑械牟豢梢娍赡嫠≈饕譃槿惢趫D像壓縮、基于差值擴(kuò)展和基于直方 圖修改?；趫D像壓縮的算法一般采用無損壓縮算法將圖像在人眼不敏感的部分進(jìn)行壓 縮以騰出空間來嵌入水印，嵌入容量取決于壓縮率，嵌入容量一般不大，并且高效的圖像壓 縮運算復(fù)雜，因此這類水印計算復(fù)雜度比較高；基于直方圖修改的可逆圖像算法是利用圖 像像素的統(tǒng)計特性，進(jìn)行直方圖移動得到嵌入空間；基于差值擴(kuò)展的算法是利用圖像內(nèi)容 存在相關(guān)性，相鄰像素通常具有較相近的值，因此兩個相鄰像素的差值較小，通過擴(kuò)展相鄰 像素的差值，可以將二位的數(shù)據(jù)嵌入其中而不引起明顯的失真?；诓钪禂U(kuò)展(Difference Expansion，DE)的可逆圖像水印，最早由Tian在 2003 第一次(# JAL J. Tian. Reversible data embedding using a difference expansion[J]. IEEE Trans. Circuits Systems and Video Technology. 2003,13(8) 890-896)。差值擴(kuò)展，也可以看作是一種整數(shù)小波變換，它擴(kuò)展小波變換的高頻部分， 并將水印信息嵌入其中。DE有時也被稱為位移擴(kuò)展，因為它嵌入水印的過程可以看作 位移的過程。假設(shè)差值d的二進(jìn)制表示為(CUdlrf... (I1Clci)2，則嵌入水印后的差值d' 的二進(jìn)制表示為((!^(!“...(ΙΑΙ^。這相當(dāng)于將d向左位移一位，然后將水印b嵌入到 空出的最低位中。Alattar (A. M. Alattar. Reversible watermark using difference expansion oftriplets[C]. Proc. IEEE ICIP. 2003 :501-504 ；A. M. Alattar. Reversiblewatermarkusing difference expansion of quads[C]. Proc. ICASSP. 2004 :377-380) ^ Tian的思想應(yīng)用于三個像素和四個像素組成的向量。這樣的好處一是加大可擴(kuò)展的差值 數(shù)，二是減少了 Location Map所占用的空間。總之，現(xiàn)有方法中，嵌入的容量較小，并且在嵌入大容量水印時，無法保證圖像的 質(zhì)量，因此，本發(fā)明利用圖像不同部分的復(fù)雜度不同，對不同區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)嵌入，以達(dá)到 較大的嵌入容量和較好的圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于自適應(yīng)差值擴(kuò) 展的可逆圖像水印，該方法在嵌入水印數(shù)據(jù)較多的情況下，能夠提供更大的嵌入容量和更 好的圖像質(zhì)量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像 水印，包含水印嵌入過程、水印提取過程和圖像恢復(fù)過程；在水印嵌入之前，先需要對原圖 像進(jìn)行預(yù)處理，包括交替劃分、差值計算，計算圖像復(fù)雜度并設(shè)置參數(shù)；在嵌入過程中，使用 自適應(yīng)擴(kuò)展進(jìn)行相應(yīng)的水印嵌入；接著將嵌入附加信息，在特定情況下水印數(shù)據(jù)會和附加 信息混合嵌入；在提取過程中，首先進(jìn)行附加信息提取，差值計算；接著進(jìn)行自適應(yīng)差值擴(kuò) 展的逆操作，進(jìn)行水印數(shù)據(jù)提取并還原原始的差值；最后通過還原后的差值進(jìn)行圖像的還 原；預(yù)處理過程為(1)交替劃分。將原始圖像進(jìn)行交替劃分，得到兩個不相交的像素集SjP S2，并為 圖像中的每一個像素構(gòu)建上下文，以便后來圖像復(fù)雜度的計算和像素估計的實現(xiàn)。(2)差值計算。使用預(yù)處理過程步驟(1)中構(gòu)建出的上下文，計算圖像中每個像素 的估計值，然后通過與原始像素的比較求差值，該步驟可分為先后兩部分首先第一部分， 利用S1中的像素來估計&中的像素，此時S1為原始的像素值；然后第二部分，利用&中的 像素來估計S1中的像素，此時&為嵌入水印后的像素值。(3)參數(shù)設(shè)置。該步驟主要包括兩個方面的參數(shù)設(shè)置，首先針對原始圖像，利用廣 義高斯分布的統(tǒng)計特性，計算出圖像復(fù)雜度的特征描述α ；然后，根據(jù)嵌入水印數(shù)據(jù)的多 少，確定自適應(yīng)差值擴(kuò)展的兩參數(shù)c和Τ，最后，當(dāng)用戶的需求不能被滿足時，還可以判斷是 否報告嵌入失敗。在水印嵌入過程中，水印數(shù)據(jù)嵌入是在參數(shù)被確定以后通過自適應(yīng)擴(kuò)展將用戶數(shù) 據(jù)嵌入載體圖像的過程。在特定的情況下，水印數(shù)據(jù)會和附加信息混合著被嵌入，這時就需 要保證水印數(shù)據(jù)和附加信息是可區(qū)分可同步的。附加信息嵌入。在用戶數(shù)據(jù)(或者部分信 息)被嵌入后，一般都有一些附加信息，在這里包括參數(shù)c，T和記錄像素溢出信息的位置 表，由此也需要采用某種策略將它們嵌入到載體圖像中。這些附加信息往往是啟動水印提 取所必需的，因而需要保證在水印提取時它能最先被計算出來。一個簡單的策略如圖2所 示，它將附加信息以LSB(最低有效位)替換的方式嵌入到圖像邊緣像素中?；谧赃m應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印的提取和圖像還原過程為1)附加信息提取。這一流程需要首先得到啟動水印提取所必需的附加信息，包括 自適應(yīng)差值擴(kuò)展的兩參數(shù)c和Τ，圖像復(fù)雜度參數(shù)α，此外，如果水印提取已經(jīng)啟動，它還要得到對進(jìn)行下一步水印提取進(jìn)行指導(dǎo)的附加信息即位置表信息。例如，需要知道下一個差 值是不是被擴(kuò)展過，或者需要知道何種情況標(biāo)識著所有提取過程的結(jié)束。2)差值計算。這一過程與水印嵌入過程中的差值計算相同，并且要做到與嵌入時 的差值計算做到完全匹配。在這里，主要是像素的劃分保持一致，值得注意的是，水印嵌入 時是先&后S1,而提取時是先S1后&。3)水印數(shù)據(jù)提取。這一步主要是進(jìn)行自適應(yīng)差值擴(kuò)展的逆操作以提取數(shù)據(jù)并還原 原始的差值。在進(jìn)行提取操作時，需參照位置表中的信息，因為某些像素由于溢出問題并沒 有進(jìn)行水印嵌入。4)圖像還原。這一步需要通過還原后的差值和參考環(huán)境將當(dāng)前像素還原到原始的 狀態(tài)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明通過廣義高斯分布得到圖像各部分不同的復(fù)雜度，進(jìn)行自適應(yīng)的差值 擴(kuò)展的水印嵌入和提取，即在圖像復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行少量的嵌入，在圖像平緩的區(qū)域進(jìn)行大 量數(shù)據(jù)的嵌入，相比傳統(tǒng)方法，明顯增大了水印的嵌入容量并提高了圖像的視覺質(zhì)量。(2)本發(fā)明由于完整的構(gòu)建了上下文，因此在相同的PSNR時，比一般方法提高了
容量失真比。(3)本發(fā)明通過在圖像平穩(wěn)區(qū)域嵌入較多水印，在嵌入水印數(shù)據(jù)較多的時候，可以 得到更好的效果。


圖1為本發(fā)明中的自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法示意圖；圖2為本發(fā)明中附加信息嵌入示意圖；圖3為本發(fā)明中水印上下文模型示意圖；圖4為本發(fā)明中水印圖像的交替劃分示意圖；圖5為本發(fā)明中水平和垂直方向上下文示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明首先基于高斯統(tǒng)計特性，得到圖像復(fù)雜度，然后提出一種新的像素劃分即 交替劃分得到上下文估計模型，進(jìn)而獲取估計差值，最后利用已有的圖像復(fù)雜度和估計差 值進(jìn)行自適應(yīng)差值擴(kuò)展，實現(xiàn)水印的嵌入和提取。如圖1所示，本發(fā)明的整體流程包括水印嵌入部分和水印提取部分兩大部分。水 印嵌入部分包括預(yù)處理過程和水印嵌入過程；水印提取部分包括提取預(yù)處理過程和水印 提取過程。在水印嵌入之前，先需要對原圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程包括交替劃分、差值 計算，計算圖像復(fù)雜度并設(shè)置參數(shù)，如圖1中左上側(cè)虛線框內(nèi)所示；在水印嵌入過程中，使 用自適應(yīng)擴(kuò)展進(jìn)行相應(yīng)的水印嵌入，接著將嵌入附加信息，如圖1中左下側(cè)虛線框內(nèi)所示。 在提取預(yù)處理過程中，首先進(jìn)行附加信息提取，差值計算，接著進(jìn)行自適應(yīng)差值擴(kuò)展的逆操 作，進(jìn)行水印數(shù)據(jù)提取并還原原始的差值，如圖1中右上側(cè)虛線框內(nèi)所示；最后在水印提取 過程中通過還原后的差值進(jìn)行水印的提取和圖像的還原，如圖1中右側(cè)虛線框內(nèi)所示。下 面分別詳細(xì)介紹上述四個過程，即預(yù)處理過程和水印嵌入過程，提取預(yù)處理過程和水印提取過程。1.如圖1所示，本發(fā)明的預(yù)處理過程具體實現(xiàn)步驟如下步驟1 交替劃分。針對自適應(yīng)的差值擴(kuò)展，需使用當(dāng)前像素周圍的所有像素來構(gòu) 建上下文模型?？紤]到當(dāng)前像素周圍的八個像素中，與當(dāng)前像素最接近的是橫向與縱向的 四個像素，因此使用這四個像素來構(gòu)造上下文，如圖3所示。令原始圖像為1 = {x(i，j) I 1彡i彡H，1彡j彡W}，i，j為像素坐標(biāo)位置(1)其中H和W分別表示圖像的高和寬。為了給每一個像素構(gòu)造上下文，首先將原始 圖像中的所有像素劃分為兩個不相交的像素集S1和&，即交替劃分，如圖4所示，像素集由分別表示，其中1彡i彡Hl彡j彡W，mod為取余數(shù)，Φ為異或，由于圖像邊緣的像 素(圖4中以灰色顯示)不具有完整的上下文，因此本發(fā)明不對其進(jìn)行差值擴(kuò)展。步驟2 差值計算。針對已經(jīng)構(gòu)建出來的上下文，計算出圖像中每個像素的估計 值，然后通過與原始像素的比較求出其差值。該步驟可分為先后兩部分，首先第一部分，利 用S1中的像素來估計&中的像素，此時S1為原始的像素值；然后第二部分，利用&中的像 素來估計S1中的像素，此時&為嵌入水印后的像素值。具體算法將四個鄰居像素分為正交的水平和豎直方向，如圖5所示，鄰居像素分 別為^，xd, X1, \，分別計算每個方向的兩個像素的平均值，并賦予這兩個平均值不同的權(quán) 值以對中心的像素χ進(jìn)行估計。兩個方向的平均值按公式C3)進(jìn)行計算。
權(quán)利要求
1. 一種基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法，其特征在于包括水印嵌入部分和 水印提取部分兩大部分，水印嵌入部分包括預(yù)處理過程和水印嵌入過程；水印提取部分包 括提取預(yù)處理過程和水印提取過程；所述預(yù)處理過程為(1.1)交替劃分，構(gòu)建出像素的上下文關(guān)系，將原始圖像劃分為不相交的像素集S1和 &，用于圖像復(fù)雜度的計算和像素估計的實現(xiàn)；(1.2)差值計算，使用預(yù)處理過程步驟(1)中構(gòu)建出的上下文，計算圖像中每個像素的 估計值，然后通過與原始像素的比較求差值，該步驟可分為先后兩部分首先第一部分，利 用S1中的像素來估計&中的像素，此時S1為原始的像素值；然后第二部分，利用&中的像 素來估計S1中的像素，此時&為嵌入水印后的像素值；(1.3)參數(shù)設(shè)置，包括兩個方面的參數(shù)設(shè)置，首先針對原始圖像，利用小波域內(nèi)的廣義 高斯分布(GGD)的密度函數(shù)的形狀參數(shù)α作為圖像復(fù)雜度的衡量參數(shù)，并通過曲線擬合方 法對參數(shù)α進(jìn)行估計，將參數(shù)α定義為圖像復(fù)雜度；然后，根據(jù)嵌入水印數(shù)據(jù)的多少，確定 自適應(yīng)差值擴(kuò)展的兩參數(shù)c和T，c和T是與一般性擴(kuò)展中使用的參數(shù)相似，用來控制圖像 的水印的嵌入容量；所述水印嵌入過程(2. 1)確定自適應(yīng)擴(kuò)展基數(shù)，通過預(yù)處理過程步驟(1. 得到的參數(shù)α，即圖像復(fù) 雜度，及自適應(yīng)擴(kuò)展參數(shù)c和Τ，通過公式計算確定自適應(yīng)擴(kuò)展基數(shù)bu，i，j為坐標(biāo)，σ 2為方差，用于衡量區(qū)域的平穩(wěn)程度； (2. 2)假設(shè)w表示長度為1的待嵌的二進(jìn)制水印數(shù)據(jù)，將w分為η個8位的塊，令w = W1, w2，...，wn，其中 η = 1/8 并且 wt，t= 1，2，... η 包含 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)；(2. 3)讀取水印數(shù)據(jù)wt，并將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制wd,t，為了判斷wd,t是否嵌入完畢，給出變 量u進(jìn)行標(biāo)識，初始化u為1 ；(2.4)掃描載體圖像，針對具體像素Xij，已知估計值Xi/、自適應(yīng)擴(kuò)展基數(shù)、估計差 值eij，通過I^j = Wdit mod 得到此處的最終嵌入內(nèi)容η,」然后利用公式進(jìn)行自適應(yīng)嵌入，從而得到嵌入后像素值Xij"；在(2.4)中的自適應(yīng)嵌入過程中，若χ" > 255或者χ" <0，則跳過該像素的水印嵌 入，并利用位置表記錄該像素的位置和像素溢出信息；(2. 5)步驟(2. 4)嵌入完成后，更新- l\v、/b::j，U = UXbijj^U > 255，讀入下一個水印數(shù)據(jù)并置u = 1，轉(zhuǎn)入步驟(2. 3)嵌入下一位水印；否則轉(zhuǎn)入步驟(2. 4)繼續(xù) Wdjt的嵌入；(2.6)進(jìn)行附加信息嵌入，所述附加信息包括參數(shù)c、T，參數(shù)α即圖像復(fù)雜度和嵌入過 程(2. 5)中記錄像素溢出信息的位置表；至此水印嵌入過程結(jié)束，得到嵌入后圖像； 所述提取預(yù)處理過程(3. 1)首先進(jìn)行附加信息提取過程，這一過程為附加信息嵌入的逆過程，得到自適應(yīng)差 值擴(kuò)展的兩參數(shù)c和T，圖像復(fù)雜度參數(shù)α和位置表；(3.2)然后通過預(yù)處理過程(1. 1)中相同的劃分進(jìn)行差值計算，這一過程與預(yù)處理過 程(2. 1)中的差值計算相同，并且要做到與嵌入時的差值計算做到完全匹配，即像素的劃 分保持一致，因為水印嵌入時差值計算是先&后S1，所以提取時是先S1后& ； 所述水印提取過程，為嵌入過程的逆過程，具體步驟如下(4. 1)初始化標(biāo)識變量u為1，因為圖像邊緣區(qū)域并沒有進(jìn)行水印的嵌入，所以，對i = 1或j = 1的區(qū)域，圖像像素保持不變，直接還原；(4.2)掃描嵌入圖像，針對具體像素χ"，已知估計值χ'，自適應(yīng)擴(kuò)展基數(shù)，估計差 值e' 通過公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法，其特征在于所 述T的取值為2≤T≤10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法，其特征在于所 述附加信息是以LSB (Least Significant Bit最低有效位)替換的方式嵌入到圖像邊緣像 素中。
全文摘要
一種基于自適應(yīng)差值擴(kuò)展的可逆圖像水印方法，包含水印嵌入過程、水印提取過程和圖像恢復(fù)過程；在水印嵌入之前，先需要對原圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括交替劃分、差值計算，計算圖像復(fù)雜度并設(shè)置參數(shù)；在嵌入過程中，使用自適應(yīng)擴(kuò)展進(jìn)行相應(yīng)的水印嵌入；接著將嵌入附加信息，在特定情況下水印數(shù)據(jù)會和附加信息混合嵌入；在提取過程中，首先進(jìn)行附加信息提取，差值計算；接著進(jìn)行自適應(yīng)差值擴(kuò)展的逆操作，進(jìn)行水印數(shù)據(jù)提取并還原原始的差值；最后通過還原后的差值進(jìn)行圖像的還原；本發(fā)明具有可逆性，并能提供更大的嵌入容量和更好的圖像質(zhì)量，特別是在嵌入水印數(shù)據(jù)較多的情況下。
文檔編號G06T1/00GK102147912SQ201110078970
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者熊璋, 王卓, 羅立新, 范圍, 陳真勇 申請人:北京航空航天大學(xué)