專利名稱：圖像數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息隱藏技術(shù)，確切說是涉及一種圖像數(shù)字的頻域水印方法，是一種可以在開放的信息環(huán)境下使攜帶數(shù)字水印信息的作品、產(chǎn)品能被合法使用，而作品、產(chǎn)品中所隱藏的水印信息，能隨時被提供檢測使用，可以為知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)、隱蔽標(biāo)識、篡改提示、隱蔽通信和仿偽提供非常有效的解決辦法。
背景技術(shù)：
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多媒體產(chǎn)品迅速增加。同樣由于網(wǎng)絡(luò)的迅速普及使得這些產(chǎn)品的獲取渠道也飛速拓寬，操作這些媒體的各種工具也猛增。所有這些都使得數(shù)字產(chǎn)品的合法使用成為一個非常嚴(yán)峻的課題。為保護(hù)這些產(chǎn)品的版權(quán)，僅靠注冊其所有權(quán)已無法有效保護(hù)作者的合法利益。隨意拷貝、隨意發(fā)布，甚至偷換所有權(quán)來牟利，這些都嚴(yán)重?fù)p傷作者的利益。因此，如果通過信息偽裝技術(shù)，將版權(quán)所有者的個人信息隱藏于其本身作品中，以便隨時鑒別，則維護(hù)作者的合法利益將變得比較容易。同樣，將這樣的信息隱藏于注冊的商標(biāo)中，也可以防止造假者偽造商標(biāo)；再與其他的防偽技術(shù)相復(fù)合，可以防止非法拷貝、復(fù)印。將信息隱藏技術(shù)與傳統(tǒng)的加密技術(shù)(如PGP、數(shù)字簽名等)相結(jié)合，可產(chǎn)生像個人指紋一樣的數(shù)據(jù)，根據(jù)注冊的ID來進(jìn)行各種認(rèn)證操作。
數(shù)據(jù)隱藏類似數(shù)據(jù)加密，但不同于傳統(tǒng)的加密。數(shù)據(jù)隱藏的目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏數(shù)據(jù)不被侵犯和非法重視。另外，信息偽裝必須考慮隱藏的信息在經(jīng)歷各種環(huán)境、操作之后而免遭破壞的能力。在圖像傳遞過程中，機密資料若是在非法攔截者破解的過程中消失，則機密資料可以說是安全的，倘若機密資料是在正常的處理過程中消失，則機密資料的傳遞算是失敗的、無效的，必須重新傳遞。一般的多媒體形式的文件，其信息量都非常大，為了節(jié)省傳遞時間，在傳遞之前都會將傳遞的信息資料進(jìn)行壓縮處理。因此，信息偽裝還必須考慮諸如圖像壓縮這種非惡意操作造成的威脅，使機密資料對正常的有損壓縮技術(shù)具有免疫能力。這種免疫力的關(guān)鍵是要使隱藏資料的信息不易被有損壓縮破壞，也不易被通常的信號變換操作破環(huán)。要求隱藏的數(shù)據(jù)量與隱藏的免疫力是互相矛盾的，不存在一種完全滿足這兩種要求的方法。通常只能根據(jù)需求的不同有所側(cè)重，采取某種妥協(xié)。從這一點來看，實現(xiàn)真正有效的數(shù)據(jù)隱藏的難度很大，因而十分具有挑戰(zhàn)性。信息偽裝具有以下幾個特性隱藏性這是信息偽裝的基本要求，經(jīng)過一系列隱藏處理的圖像(宿主圖像)沒有明顯的變質(zhì)，隱藏的信息無法被人的感官直接感受。
隱藏場所的安全性。應(yīng)將欲隱藏的信息藏在目標(biāo)圖像的內(nèi)容之中，而非文件頭等處，防止因格式變換而遭到破壞。
免疫性隱藏處理后的圖像，具有抗拒因圖像文件的某種改動而導(dǎo)致隱藏信息的丟失的能力。所謂改動包括傳輸過程中的信息噪聲、過濾操作、重新采樣、編碼、有損壓縮、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
隱藏數(shù)據(jù)編碼的非對稱性。保證不使存取難度增加。
編碼糾錯性。為了保證隱藏數(shù)據(jù)的完整性，使其在經(jīng)過各種操作和變換后仍能很好的恢復(fù)。
隱藏數(shù)據(jù)的自產(chǎn)生性。經(jīng)過一些變換，可能使圖像產(chǎn)生較大的破壞，如果仍能從留下的數(shù)據(jù)中恢復(fù)隱藏信號，而且恢復(fù)過程中不需要宿主圖像，這就要求隱藏的數(shù)據(jù)必須具有某種自相似特性。
數(shù)字水印技術(shù)正是這樣一種信息隱藏技術(shù)，但又與之不完全相同。近來被作為媒體產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的強有力的方法在到處都被推薦使用。數(shù)字水印是一種媒體數(shù)據(jù)添加少量信息，在對原數(shù)據(jù)作微小修改之下使之具有作版權(quán)保護(hù)的版權(quán)信息的一種技術(shù)。在從嵌入水印媒體數(shù)據(jù)中檢測/提取信息的幫助下，它可以用于跟蹤和鑒別標(biāo)識作品的所有權(quán)、數(shù)據(jù)的授權(quán)使用認(rèn)證等。例如在數(shù)字水印技術(shù)用于數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)時，為保證作品的使用不受版權(quán)保護(hù)要求的影響(如果采用數(shù)據(jù)加密，則加密后的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過解密后才能使用)，就必須將版權(quán)信息或其他標(biāo)志版權(quán)的信息隱形地嵌入到數(shù)據(jù)中，這是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加密技術(shù)無法處理的。同樣，根據(jù)需要可將這樣類似的信息嵌入到媒體數(shù)據(jù)中，再將其印刷輸出，則可形成數(shù)字水印防偽標(biāo)簽，由于這樣的標(biāo)簽可以防偽造，但不能防復(fù)印拷貝，就必須將數(shù)字水印技術(shù)與其他的防拷貝技術(shù)復(fù)合，復(fù)合后的防偽標(biāo)簽將可以以低成本的優(yōu)勢應(yīng)用于各種大小商品的防偽。
數(shù)字水印有感覺上可見與不可見之分。對于可見水印，就如同貨幣的有形圖案，我們可以通過感覺器官感知；而不可見水印，是指無法直接感知，但又確實存在的東西，我們可以通過特定的方法進(jìn)行某種處理之后感覺到，如貨幣上的隱形水印，需借助紫外線照射才可能看見。
通常，不可見水印有兩個基本的要求(1)隱形性，即不能干擾被保護(hù)的媒體數(shù)據(jù)正常使用；(2)穩(wěn)鍵性，即水印必須難以被破壞或偽造。對于一般的信號處理或惡意攻擊，應(yīng)不影響水印的正常檢測。特別地，水印在信號處理后仍能被檢測/析取。這些信號處理包括D/A和A/D轉(zhuǎn)換，重采樣，濾波、平滑、增強、壓縮、幾何變換(旋轉(zhuǎn)、縮放)、剪切等。另外，該水印還應(yīng)具有防御故意的想刪除水印的攻擊行為的能力。數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)能保證假水印產(chǎn)生的可能性接近沒有。應(yīng)該注意的是，這兩個基本要求，隱形性和穩(wěn)健性，是互相沖突的。事實上，數(shù)字水印的一個基本問題就是要在這兩者之間達(dá)成一個好的平衡。
數(shù)字水印的早期研究集中于隱形上，而沒有考慮穩(wěn)健性要求。最近，大量工作都集中在設(shè)計一個穩(wěn)健的水印方案。各種視覺模型也被用到，以達(dá)到兩個基本要求之間的最佳平衡。
通常，水印方案按水印添加的數(shù)據(jù)狀態(tài)可分為兩類空域和頻域方案。空域方法是將水印信息在需保護(hù)數(shù)據(jù)的時域(或空域)直接進(jìn)行某種幅值調(diào)制，而這種調(diào)制過程不明顯影響該數(shù)據(jù)的正常使用。M.Kutter就使用空域方法，并基于測試圖像領(lǐng)域平均評估了原圖像數(shù)據(jù)，同時探索性估計了測試圖像的判決門限。所謂頻域方法是指水印信息是嵌入在原數(shù)據(jù)經(jīng)過某種變換后的頻域數(shù)據(jù)中。由于絕大多數(shù)信號處理操作，在頻域具有很好的特性，且前期的許多好的視覺模型也是在頻域中研究的。因此，頻域水印方案有很大的優(yōu)勢。
水印方案按檢測方式可分為基于提取的水印方法和基于檢測的水印方法。水印檢測可根據(jù)不同要求采取不同的方式。比如有時需要檢測出水印確切信息，有時又只需要檢測有無指定水印信息。因此，相應(yīng)的水印檢測，可用信號提取方法和信號統(tǒng)計檢測分析方法。
所謂水印提取法，指按一定方法從數(shù)據(jù)中提取出水印信息，然后該水印信息與所有者的水印信息進(jìn)行比較。一般來說，能進(jìn)行水印提取的信息是由有一定意義的信息序列表示的，這些信息按二進(jìn)制串的形式排列。在嵌入數(shù)據(jù)中后以各種狀表示，比如以數(shù)據(jù)的正負(fù)表示0、1值；當(dāng)所有0、1序列從數(shù)據(jù)中提取出形成一個串時就形成了提取的水印信息。所謂水印檢測法，指不用進(jìn)行水印提取，而直接從可能含有水印信息的特征集中進(jìn)行統(tǒng)計分析，以判斷是否具有指定水印。例如，在數(shù)據(jù)D中嵌入由所有者提供的信息產(chǎn)生的偽隨機序列S，生成帶水印的數(shù)據(jù)X作為發(fā)行版，在檢測時，只將待檢測的數(shù)據(jù)X與S進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)相關(guān)程度給出鑒別的真?zhèn)巍?br> 許多水印方案都要求提供原始數(shù)據(jù)以供水印檢測，也有一些提出了不需原始數(shù)據(jù)的水印位檢測。這些方案都不能直接用于版權(quán)保護(hù)，許多都只能用于一般信息隱藏，不能防破壞攻擊或偽造。以圖像數(shù)據(jù)為例作如下分析
給定原始圖像I，簽字信息S，然后將S嵌入I創(chuàng)建一帶水印圖像I′，I與I′在感覺上是一樣的。通常，嵌入過程可以是任意函數(shù)f(I，s)，但實際應(yīng)用中的許多嵌入操作只是簡單的加法。水印檢測時，給定等檢測圖像X(假定有確定的水印信息)，首先從X中析取S′(這經(jīng)常需要使用原始圖像I)，后將S′與S進(jìn)行相似分析，其相似值與一門限比較，以確定X是否是原始圖像的帶水印的某種版本。以前普遍認(rèn)為，不可見水印方法可用于數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)，因為從數(shù)據(jù)中提取的信息必須與擁有者所提供的信息相匹配。然而，研究發(fā)現(xiàn)，一個偽劣的水印方案可導(dǎo)致許多人同時宣稱擁有某一作品。換句話說“作品的真正作者再不能以他在此作品中嵌入了他的隱形信息而宣布擁有權(quán)，因為別人在技術(shù)上可以有同等的證據(jù)表明同樣具有所有權(quán)”。當(dāng)一個水印方案的檢測需要原始數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)這種情況，這稱為逆鑲嵌水印攻擊。出現(xiàn)這一問題的關(guān)鍵點在于，這種水印方法的檢測過程是基于待檢測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行的。
可以假定I與X之間的差異為可能的水印信息。如果擁有I的人和當(dāng)前保存X的人都知道這樣一種關(guān)系，則他們都可以宣稱另外一個是帶水印版本，而他自己所保存的為原始版本。當(dāng)然，X的擁有者不應(yīng)被假設(shè)為知道這種關(guān)系。因此，表面看來，X的擁有者不能聲明I是X的水印版。但是，擁有X的人實際上可以用X創(chuàng)建一個減去他自己的簽名信息Sx且感覺上與I一樣的復(fù)制品X′?，F(xiàn)在X的擁有者可以完全知道X與X′之間的關(guān)系。對于X′而言，只要簽名信息Sx被承認(rèn)，I與X是統(tǒng)計相當(dāng)?shù)?，則X′與I就有復(fù)制的這種關(guān)系。因此，X的擁有者準(zhǔn)確知道X′與I之間的關(guān)系，他就可以聲稱他擁有原始數(shù)據(jù)X′，I與X是X′的水印版本。此時，同一種數(shù)據(jù)就有了兩個甚至多個主權(quán)人，沒有其他任何人可以區(qū)分真假。更有可能，X的擁有者都懶得作一個復(fù)制品X′，直接聲稱自己沒有發(fā)行任何水印版本的數(shù)據(jù)，而I的所有者只是從X中減去了簽名信息Sx得到I，對法官來說根本無法判斷誰是罪犯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為解決目前在多媒體數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證來源認(rèn)證、篡改認(rèn)證、網(wǎng)上發(fā)行及用戶跟蹤等方面存在的一系列問題，提供一種隱形性、穩(wěn)健性、自相似性好，能有效防止逆鑲嵌水印攻擊、防御故意刪除水印攻擊的圖像數(shù)字水印方法，為數(shù)字產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，數(shù)字圖像的隱蔽標(biāo)識，為法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)所需的篡改提示，數(shù)字信息的隱蔽通信和印刷防偽提供可靠的保證。
本發(fā)明的目的是通過實施下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的
一種圖像數(shù)字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特征在于水印信息的生成與隱藏按下述方法進(jìn)行由用戶提供需保護(hù)的產(chǎn)品和個人信息，包括個人的注冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產(chǎn)品中；該過程將按某種算法將生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產(chǎn)品的頻域數(shù)據(jù)Df中；具體說為給產(chǎn)品添加水印來進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，其做法是先將產(chǎn)品文件由輸入輸出件讀入，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進(jìn)行確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印添加所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)，再由水印嵌入件將水印信息數(shù)據(jù)嵌入到頻域數(shù)據(jù)中；之后，由數(shù)據(jù)變換件將頻域數(shù)據(jù)變換到時域/空域形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；最后，由產(chǎn)品輸入輸出件輸出形成添加水印后的產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布；為了檢測一產(chǎn)品版權(quán)信息的真?zhèn)危⌒畔⒌臋z測按下述方法進(jìn)行將待檢測產(chǎn)品由產(chǎn)品輸入件讀入形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)；由水印信息檢測件，將頻域數(shù)據(jù)與水印信息驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，輸出一相關(guān)值；最后由結(jié)果解釋件對相關(guān)輸出值進(jìn)行解釋。
本方法的優(yōu)點在于本方法采用的隨機數(shù)序列與常規(guī)隨機數(shù)序列相比較，克服了常規(guī)方法的準(zhǔn)周期特性；本方法創(chuàng)造的關(guān)聯(lián)序列，其可靠性無論是對正向猜測攻擊，還是逆向數(shù)據(jù)分析攻擊都具有阻斷墻作用，其水印檢測的可靠性和有效性得到了極大提高；本方法采用的雙通道水印技術(shù)進(jìn)行水印信息的添加與檢測，在水印信息序列長度一般情況下，可以保證水印檢測的有效性和可靠性；在給定門限時，本方法的誤檢率是傳統(tǒng)相關(guān)檢測誤檢率的平方，檢測可靠性提高了一個幾何量級，有效克服了水印信息隱形性與穩(wěn)健性間的矛盾；本方法中采用的小波變換技術(shù)，使得能夠定量的分析圖像中水印信息的能量最優(yōu)值，使得能夠同時保證水印的隱形性和穩(wěn)健性，本方法對印刷產(chǎn)品的檢測研究，拓寬了水印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為水印添加過程及控件組成示意2為水印檢測過程及控件組成示意3為水印信息嵌入件的模塊構(gòu)成示意4為水印信息檢測件的模塊構(gòu)成示意5為RS件模塊構(gòu)成示意6為關(guān)聯(lián)隨機序列發(fā)生的模塊結(jié)構(gòu)示意7左圖為常規(guī)方法產(chǎn)生的隨機數(shù)序列圖，右圖為混沌映射產(chǎn)生的隨機數(shù)序列圖具體實施方式
一種圖像數(shù)字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特征在于水印信息的生成與隱藏按下述方法進(jìn)行由用戶提供需保護(hù)的產(chǎn)品和個人信息，包括個人的注冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產(chǎn)品中；該過程將按某種算法生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產(chǎn)品的頻域數(shù)據(jù)Df中；具體說為給產(chǎn)品添加水印來進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，其做法是先將產(chǎn)品文件由輸入輸出件讀入，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進(jìn)行確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印添加的所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)，再由水印嵌入件將水印信息數(shù)據(jù)嵌入到頻域數(shù)據(jù)中；之后，由數(shù)據(jù)變換件將頻域數(shù)據(jù)變換到時域/空域形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；最后，由產(chǎn)品輸入輸出件輸出形成添加水印后的產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布；為了檢測一產(chǎn)品版權(quán)信息的真?zhèn)?，水印信息的檢測按下述方法進(jìn)行將待檢測產(chǎn)品由產(chǎn)品輸入件讀入形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)；由水印信息檢測件，將頻域數(shù)據(jù)與水印信息驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，輸出一相關(guān)值；最后由結(jié)果解釋件對相關(guān)輸出值進(jìn)行解釋，以此判斷版權(quán)信息的真?zhèn)?。其中a、產(chǎn)品輸入輸出件是支持多種媒體文件格式的系統(tǒng)，能根據(jù)系統(tǒng)給出的指令，讀取產(chǎn)品的某些數(shù)據(jù)作為空域/時域數(shù)據(jù)，傳遞給數(shù)據(jù)變換件；還根據(jù)指令接收空域/時域數(shù)據(jù)，并將之放置回產(chǎn)品的指定位置形成修改后的產(chǎn)品。
b、用戶信息輸入件是用戶提供個人信息的界面，該界面可接收文本或圖像。
c、數(shù)據(jù)變換件由于小波分析具有較好的時頻特性、快速計算能力、可并行計算及可根據(jù)用戶指定數(shù)據(jù)特性和分析需要自行構(gòu)造小波等優(yōu)點，本方法選擇基于小波變換的頻域水印方法；數(shù)據(jù)變換件根據(jù)要求完成數(shù)據(jù)的正向和逆向數(shù)據(jù)變換，本方法采用了二維數(shù)據(jù)的正向和逆向小波變換。
d、隨機序列產(chǎn)生控件，簡稱RS件數(shù)字水印信息包括水印序列S和水印所在位置序列P兩個數(shù)據(jù)，這兩個序列由RS件產(chǎn)生，因此它是水印信息數(shù)據(jù)生成件；RS件的輸入接收用戶信息輸入件傳來的明文信息和個人密鑰，嵌入或水印檢測所需要的水印序列和位置序列。由于數(shù)字水印的關(guān)鍵問題，是解決用戶水印信息的唯一性，可靠性和安全性，即用戶在提供有效或無效輸入時所產(chǎn)生的結(jié)果，必須滿足是版權(quán)檢測所期望發(fā)生的，這個保證就完全由RS件的可靠性和安全性來保證。所以，RS件必須滿足數(shù)字水印技術(shù)的單向性，同時也必須有足夠的計算復(fù)雜度，以防止攻擊者按正向搜索尋找到密碼和明文信息，因此RS應(yīng)滿足以下要求①不可逆即不能留下逆鑲嵌攻擊漏洞。
②不能分析猜測；分析猜測往往根據(jù)輸入與輸出的規(guī)律分布，從水印序列和位置序列反猜輸入數(shù)據(jù)的范圍區(qū)間，縮小搜索的空間以較快地獲得猜測的成功。這可以通過增加輸入至輸出的敏感性來克服，即選擇可行算法使得輸入數(shù)據(jù)的微小變化都會引起輸出序列的大范圍漂移，從而無法定位輸入與輸出的大致映射關(guān)系。
③單一輸入對應(yīng)唯一輸出；為減少不同輸入產(chǎn)生相同輸出的可能性，需要使輸入與輸出為一一映射，這同時也減小了猜測攻擊的可能性。
④隨機猜測概率為0；當(dāng)過程不可逆且整個輸入與輸出的映射為隨機映射時，攻擊者就可能會簡單地采取猜測攻擊方法，這時，若隨機猜測概率非常小即接近于0時，可以說只有產(chǎn)品所有者才能知道自己的水印信息所在。
對于不可逆性，很多映射函數(shù)都具有單向性。因此，主要是防止分析猜測，盡量使單一輸入對應(yīng)唯一輸出。因為分析猜測主要是根據(jù)映射的規(guī)律進(jìn)行的，若這種映射是隨機的，則就不會有規(guī)律可尋，其隨機猜測概率就非常小。因此，提高水印信息序列的隨機性是水印技術(shù)的一個重要方面。本方法采用動力混沌系統(tǒng)的混沌映射來產(chǎn)生隨機序列，同時在映射過程中進(jìn)行一些變換以增強對輸入的敏感性；同樣，為盡量減小隨機猜測的概率，本方法以并聯(lián)方式生成關(guān)聯(lián)的水印序列與位置序列，這樣，即使隨機猜中其中一個，也無法同時猜中另外一個。圖5給出了RS件的構(gòu)成，圖中密碼k和明文信息d來自用戶信息輸入件。本RS件的功能是生成水印信息隨機序列。它首先要確定一個與輸入對應(yīng)的隨機數(shù)種子，該種子產(chǎn)生的序列必須滿足前述基本要求，序列產(chǎn)生操作是用于產(chǎn)生隨機位置序列和服從N(0，1)分布的隨機正態(tài)序列；一般情況下，可由模余隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生均勻隨機整數(shù)序列作為位置序列，由正態(tài)隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正態(tài)分布序列；本方法用混沌映射來產(chǎn)生
間的均勻隨機數(shù)序列，并以此生成位置序列；同樣以此均勻隨機數(shù)序列進(jìn)一步產(chǎn)生正態(tài)分布序列；圖6給出了具體模塊結(jié)構(gòu)；圖中
均勻分布隨機序列發(fā)生器，用于產(chǎn)生一個隨機分布序列，產(chǎn)生方法是基于混沌映射理論建立的人字滿映射，其映射的數(shù)學(xué)描述為 式中的初始值為前面生成的隨機數(shù)種子seed，μ為人字映射的左邊斜率值，其中μ取值為3/8。正態(tài)序列發(fā)生器根據(jù)mi序列產(chǎn)生正態(tài)分布序列Si，每個Si的產(chǎn)生以mi為種子，其數(shù)學(xué)描述為Si=Σj=112rj-6]]>式中rj為以mi為種子生成的在
間均勻分布的12個隨機數(shù)；位置序列P的生成過程相對比較復(fù)雜一點，在
均勻分布隨機數(shù)序列產(chǎn)生后，根據(jù)輸入密碼位序列的位值(0/1)來確定是否對mi進(jìn)行逆轉(zhuǎn)變換；再將這個隨機數(shù)序列映射到[a，b]上，形成一個整數(shù)隨機數(shù)序列，即位置序列P。
其數(shù)學(xué)描述為 Pi＝a+(b+1-a)·mi式中下標(biāo)i對應(yīng)隨機數(shù)序列的位置，如果i大于輸入密碼位序列的尺寸，則循環(huán)取值。密碼位序列是將密碼串的各個字符按二進(jìn)制方式組成的二進(jìn)制串。
從RS件的構(gòu)成可以看出，任何輸入密碼的微小變化將引起序列種子的變化，其產(chǎn)生的隨機數(shù)序列也將隨之漂移，密碼序列的微小改動更會使得最后的位置序列大相徑庭。
由于攻擊往往通過逆向猜測來進(jìn)行，即先從數(shù)據(jù)中選取某些位置的數(shù)據(jù)作為添加有水印的特征集，因此選定后的水印信息數(shù)據(jù)，應(yīng)同時包括給定的位置序列和水印序列。如果要通過猜測來獲取輸入密碼和明文信息，則必須同時通過位置序列和正態(tài)序列的猜測，這使得猜測成功概率極大縮小。在某些情況下，根本就不會出現(xiàn)這種攻擊成功的可能性。
e、水印信息嵌入件是水印嵌入過程的關(guān)鍵件，它首先從頻域數(shù)據(jù)Df中提取特征集I，再將水印信息序列按給定算法疊加到I中，形成特征集I′，再將I′置換頻域數(shù)據(jù)Df中對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，形成帶水印的頻域數(shù)據(jù)D′f。圖3給出了水印信息嵌入件的模塊構(gòu)成，圖中的特征集提取操作，就是從頻域數(shù)據(jù)Df中，根據(jù)位置序列P來選取用于水印嵌入操作的數(shù)據(jù)，根據(jù)水印的隱形性要求和穩(wěn)健性要求，水印數(shù)據(jù)應(yīng)嵌入到中低頻段，這既可以防止故意用濾波或壓縮等數(shù)字方法來刪除水印，又可以在一定質(zhì)量保證下保護(hù)原數(shù)據(jù)的完好性。提取的特征集I是頻域數(shù)據(jù)Df的一個子集，其數(shù)學(xué)描述為I＝f(Df，P)，這里f函數(shù)為從Df中選取操作，如果位置序列為Pi∈[a，b]的序列，Df總數(shù)據(jù)個數(shù)為m個，低頻數(shù)據(jù)為ml個，高頻數(shù)據(jù)為mh個，則選取函數(shù)f定義為Ii=f(Df,Pi)=Df[ml+(Σk=0iPk)%(m-ml-mh)]]]>式中下標(biāo)i，k為元素在集合中的位置，其ml+(Σk=0iPk)%(m-ml-mh)]]]>為計算特征集第i個元素在頻域數(shù)據(jù)Df中的位置；圖中特征集回置操作是將修改后的特征集I′數(shù)據(jù)，置換頻域數(shù)據(jù)Df中對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，該操作是特征集提取操作的逆過程，其數(shù)學(xué)描述為Df[g(Df，Pi))]＝Ii式中函數(shù)g為計算特征集第i個元素在頻域數(shù)據(jù)Df中的位置，函數(shù)g定義為g(Df,Pi)=ml+(Σk=0iPk)%(m-ml-mh)]]>嵌入操作是將水印序列S按一定模型疊加至特征集數(shù)據(jù)中，也是水印數(shù)據(jù)真正嵌入到產(chǎn)品中的操作，其數(shù)字描述為I′＝I+G(I)·S1其中G(I)為疊加強度，它控制嵌入數(shù)據(jù)的隱形性。
f、水印信息檢測件是產(chǎn)品版權(quán)鑒定過程的關(guān)鍵件；它首先從頻域數(shù)據(jù)Df中提取特征集I，再將由RS件產(chǎn)生的水印信息驗證序列S2與特征集I進(jìn)行相關(guān)性分析，輸出相關(guān)結(jié)果值供參考。由于水印序列S1與水印信息驗證序列S2由同一RS件產(chǎn)生，在一樣的輸入時，產(chǎn)生的序列S2＝S1；圖4描述了水印信息檢測件的構(gòu)成。圖中特征集提取操作與水印信息嵌入件的特征集提取操作完全一樣，就是從頻域數(shù)據(jù)Df中根據(jù)位置序列P來選取用于水印檢測操作的數(shù)據(jù)。
本方法產(chǎn)生的位置隨機序列與常規(guī)偽隨機整數(shù)序列比較表明常規(guī)方法產(chǎn)生的偽隨機序列，在給定種子后產(chǎn)生的周期性重復(fù)與隨機數(shù)據(jù)的隨機性要求不相符，圖7分別為本方法混沌映射生成序列圖和常規(guī)隨機數(shù)產(chǎn)生方法產(chǎn)生的隨機數(shù)序列圖，由圖看出本方法有非常好的隨機效果，而常規(guī)方法顯示出周期性導(dǎo)致安全性較差。
相關(guān)檢測門限的選取。
門限的選取需要綜合考慮各方面因素，其中主要是隨機序列的可靠性，一般選擇為添加信息強度的一半。本方法中的關(guān)聯(lián)水印技術(shù)，其安全性已得到極大提高，因此適當(dāng)降低門限值不會威脅到水印技術(shù)的安全性和可靠性。
根據(jù)雙通道數(shù)字水印技術(shù)理論分析，相對于單通道水印技術(shù)，在相同門限下的誤檢率要低一個幾何量級。例如對于門限T＝5的誤檢率，由5.73×10-7降低到3.28×10-13。假設(shè)對本方法水印技術(shù)的每秒猜測搜索1個水印信息，要獲得一個達(dá)到給定相關(guān)檢測輸出門限的時間需要3 16881年。如果我們將門限調(diào)為4，則單通道誤檢率為6.33×10-5，本方法雙通道技術(shù)下的誤檢率為4.01×10-9，即在同樣假設(shè)下獲得一個達(dá)到檢測門限的時間為7.9年，因此，實際應(yīng)用中可以將門限設(shè)定為4。
本方法數(shù)字水印技術(shù)在CPU主頻為850M的微機上，檢測一個水印信息所花費時間大約為0.8秒。針對門限值4，如果要搜索尋找一個達(dá)到要求的水印信息需要5～6年時間。
目標(biāo)圖像提取用HP6L打印機打印輸出的圖像，經(jīng)EPSON掃描儀輸入的圖像。用小波變換進(jìn)行高通濾波處理，所獲得的邊緣數(shù)據(jù)非常好，使用不同長度的正交小波基進(jìn)行濾波處理，所得到的邊界數(shù)據(jù)完全一致，因此考慮長度較長的小波基光滑效果較好。
水印的隱形性其度量指標(biāo)是圖像的失真度均方誤差(MSE)，信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)。其計算按下面公式進(jìn)行 其中σ2=1NΣi=0N-1(Xi-X__)2,]]>X__=1NΣi=0N-1Xi,]]>X為添加水印后圖像的像素值。添加水印后的圖像與原圖像相比其隱形性按上述指標(biāo)分別為MSE＝2.1，SNR＝33.6，PSNR＝44.9。以肉眼觀察兩圖沒有差別，該水印技術(shù)的隱形性非常好，符合水印技術(shù)的基本要求。
數(shù)字水印的穩(wěn)健性在各種環(huán)境下的生存能力，其主要指標(biāo)為受各種干擾后的相關(guān)檢測輸出值。
本方法中的圖像以Lena256為例進(jìn)行實驗，水印添加強度為10，添加信號序列長度為2048。則添加水印后沒有經(jīng)過處理的圖像檢測結(jié)果為q＝{14.3，16.4，17.7}。其中大括號內(nèi)的數(shù)據(jù)表示圖像紅、綠、藍(lán)三色分量的相關(guān)檢測值，每個值為雙通道檢測結(jié)果的平均值。數(shù)字水印信息在各種圖像處理和故意攻擊下，需要保持足夠的穩(wěn)健性。這種穩(wěn)健性的強弱體現(xiàn)為對圖像的合法發(fā)行和合法使用的保證程度，如果不能可靠保證水印信息穩(wěn)健性，則無法保證產(chǎn)品被合法使用，更無法維護(hù)作者的權(quán)益。
首先，圖像要經(jīng)過傳輸發(fā)行，因此必須進(jìn)行有損壓縮。本文采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像壓縮，并對添加水印的圖像在各種品質(zhì)因子下的壓縮進(jìn)行了相關(guān)檢測比較。實驗結(jié)果表明，在一般質(zhì)量要求下的水印檢測值達(dá)到要求。
在圖像處理中，圖像的縮放是比較平凡的。因此，保持此過程中數(shù)字水印的穩(wěn)健性是非常必要的。
首先是圖像經(jīng)過放大再縮小，一般情況下這樣的處理不改變像基本特征，只可能引入噪聲，因此數(shù)字水印在這種情形下與處理前是變化不大的。本文將Lena256放大2.7倍后，其相關(guān)檢測值為q＝{14.3，16.4，17.7}。再縮小回原尺寸時，其相關(guān)檢測值q＝{14.3，16.4，17.7}因此圖像先放后縮不影響水印信息的檢測值。
其次，圖像先縮后放大回原尺寸，則由于縮小過程中的信號丟失，將影響數(shù)字水印信息的檢測。且該過程隨縮小幅度增大，水印的相關(guān)檢測值減小。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)比例因子小于0.5后，水印相關(guān)檢測值急劇減小。但從圖像質(zhì)量來看，即使比例因子為0.5，此時的圖像失真度也非常大，其放大回原尺寸的圖像與原圖像的比較度量，峰值信噪比已減小到26.2。因此，在保證圖像質(zhì)量的信號處理中可以保證數(shù)字水印信息檢測的正確性。
有時圖像會受到許多因素的干擾，此時能否保證圖像中數(shù)字水印信息檢測的可靠性，本文就通過實驗來驗證。圖像干擾包括對圖像進(jìn)行各種信號處理，如添加各種噪聲、圖像剪切覆蓋、模糊圖像等。
首先對圖像進(jìn)行某塊剪切或覆蓋，其水印相關(guān)檢測值的可靠性。其水印相關(guān)檢測值為q＝{13.1，14.8，15.7}。但是，如果對圖像進(jìn)行切邊處理，則本文水印方法的水印檢測將受到嚴(yán)重干擾，一個實驗是將Lena256圖像的長度寬度減小3個象素，則此時的相關(guān)檢測值為q＝{0.7，0.6，0.7}，說明幾乎不能進(jìn)行水印信息檢測。但一般來講，對圖像進(jìn)行切邊處理后的圖像，是能夠與原圖像進(jìn)行比較以確定原始圖像的，可以采用其他方法來克服該缺陷。
其次，對圖像進(jìn)行模糊處理也是一種比較嚴(yán)重的干擾措施。一般來講通過低通濾波可以去除一些高頻噪聲，同時也將弱化數(shù)字水印信息的相關(guān)檢測值。本文采用圖像軟件ACDSee對圖像進(jìn)行一次90％的模糊處理。此時的水印相關(guān)檢測值為q＝{7.4，9.0，10.0}，水印相關(guān)檢測值已降得很低了，但此時的圖像質(zhì)量也下降許多，峰值信噪比為31.7。盡管如此，這里仍然需Z要進(jìn)行一步研究如何在圖像模糊使得水印信息衰減的情況下，取得比較好的檢測輸出值。
另外，圖像中數(shù)字水印信息在噪聲中的生存能力與噪聲類型和強度的種種關(guān)系。一般來講，使用最多的噪聲是高斯噪聲、均勻白噪聲和伽瑪噪聲，它們以其不同的分布對數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同影響，分別對應(yīng)添加的高斯噪聲、均勻噪聲圖像，水印檢測結(jié)果為q＝{9.0，10.4，10.5}和q＝{11.4，12.6，13.4}。與原始添加水印后的圖像比較一致，即在傳輸過程中由噪聲引起的干擾不會明顯破壞水印穩(wěn)健性。
同樣，有時需對圖像進(jìn)行有意的處理，如強化圖像特征而進(jìn)行圖像銳化、圖像增強，圖像變換的圖像抖動處理，甚至圖像的打印或照片輸出。在這些情況下，更應(yīng)保持水印信息的可靠性。
本文采用ACDSee軟件對帶水印圖像進(jìn)行一次銳化處理，此時的相關(guān)檢測值為q＝{16.6，18.3，19.5}。由此可見，經(jīng)過銳化處理的圖像，其水印信息得到加強，該作用可以用于處理圖像在被模糊處理后檢測效果不太明顯時增強相關(guān)檢測值。但需要注意的是此時圖像的失真情況，其峰值信噪比減小到32.7。
本文采用二值抖動方法對圖像進(jìn)行抖動處理，盡管圖像僅剩下輪廓，但水印檢測效果非常好，q＝{7.7，7.7，7.7}。這里三分量值相同是因為抖動之后的圖像象素點為二值的，只有黑白兩種顏色。該抖動后圖像的相關(guān)檢測結(jié)果表明，該方法可用于圖像作品的印刷發(fā)行或選題要求不高的實時圖像傳輸，因為二值化后的圖像熵急劇縮減，可以得到非常大的壓縮比。
正如前面所提到，圖像作品同樣可以通過期刊雜志進(jìn)行發(fā)行以送到讀者的面前。但為了避免非法的未經(jīng)作者授權(quán)的作品傳播，需要提供一種用于檢測發(fā)行作品是否作者所允許。這種方法主要用于避免發(fā)行商否認(rèn)發(fā)行作品為作者所有，從而傷害作者權(quán)益的行為。因此，圖像作品在經(jīng)過D/A、A/D轉(zhuǎn)換后，應(yīng)能保持水印信息的穩(wěn)健性。本文對此進(jìn)行了大量的研究發(fā)現(xiàn)，這是完全可行的。通過對提取圖像的水印信息檢測，得到打印輸出圖像的版權(quán)信息檢測結(jié)果為8.4，各種檢測結(jié)果比較表明該檢測結(jié)果是非常好的。
正交小波基長度對水印的影響由于本文使用的都Daubechies小波基，因此小波基的緊支長度對本文數(shù)字水印的影響就顯得尤其重要。從理論上講，小波基的緊支長度越長，對數(shù)據(jù)的光滑作用就越好。特別是當(dāng)嵌入數(shù)據(jù)幅度較大時，即使客觀標(biāo)準(zhǔn)變化不大，其視覺影響也會隨之增加。因此，可以通過適當(dāng)提高小波基長度來克服。同時，也正因為這個原因，水印信息的穩(wěn)健性會隨著小波基緊支長度的增加而增強。綜上所述本文的隨機數(shù)序列與常規(guī)隨機數(shù)序列的產(chǎn)生相比較，具有明顯的優(yōu)點?？朔嗽S多以前常規(guī)方法的準(zhǔn)周期特性。本關(guān)聯(lián)序列的可靠性無論是正向猜測攻擊還是逆向數(shù)據(jù)分析攻擊都具有阻斷墻作用，其水印檢測的可靠性和有效性得到了極大提高。
本文小波方法的使用，使我們能夠定量的分析圖像中信息的能量最優(yōu)值，使得能夠同時保證水印的隱形性和穩(wěn)健性。本文對印刷產(chǎn)品的檢測研究，可以拓寬水印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種圖像數(shù)字水印方法，由水印信息生成，水印信息隱藏及水印信息檢測方法組成，其特征在于水印信息的生成與隱藏按下述方法進(jìn)行由用戶提供需保護(hù)的產(chǎn)品和個人信息，包括個人的注冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產(chǎn)品中；該過程將按某種算法生成的水印序列S1，以一定強度疊加到產(chǎn)品的頻域數(shù)據(jù)Df中；具體說為給產(chǎn)品添加水印來進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，其做法是先將產(chǎn)品文件由輸入輸出件讀入，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在信息輸入件中填充私人信息；在用戶進(jìn)行確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印添加所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)，再由水印嵌入件將水印信息數(shù)據(jù)嵌入到頻域數(shù)據(jù)中；之后，由數(shù)據(jù)變換件將頻域數(shù)據(jù)變換到時域/空域形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；最后，由產(chǎn)品輸入輸出件輸出形成添加水印后的產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布；為了檢測一產(chǎn)品版權(quán)信息的真?zhèn)?，水印信息的檢測按下述方法進(jìn)行將待檢測產(chǎn)品由產(chǎn)品輸入件讀入形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；由用戶在用戶信息輸入件中輸入自已的私人信息；在用戶確認(rèn)后，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)RS件，即隨機序列產(chǎn)生控件，生成水印檢測驗證所必須的水印信息數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)變換件將之變換為頻域數(shù)據(jù)；由水印信息檢測件，將頻域數(shù)據(jù)與水印信息驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，輸出一相關(guān)值；最后由結(jié)果解釋件對相關(guān)輸出值進(jìn)行解釋。
2.按照權(quán)利要求1所述的圖像數(shù)字水印方法，其特征在于生成水印信息數(shù)據(jù)的RS件，由水印生成算法、原始水印數(shù)據(jù)w(數(shù)字水印信息)、計算生成水印信息隨機離散序列f(I，w，k)所組成，通過對水印信息的隨機離散序列化，將水印信息整理成隨機形式，不為攻擊者所猜測到；采用正態(tài)分布的偽隨機序列作為水印序列，這主要是因為若采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)序列，其均值為0，其方差為1，對原數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生太大的影響，很好的滿足了隱形性要求，數(shù)字水印信息包括水印數(shù)據(jù)序列和水印所在位置序列兩種數(shù)據(jù)。
3.按照權(quán)利要求1所述的圖像數(shù)字水印方法，其特征在于將水印信息嵌入目標(biāo)產(chǎn)品中的水印信息嵌入件，由水印嵌入算法、原始圖象I、水印信息S所組成；在水印的嵌入過程中，由用戶提供需保護(hù)的產(chǎn)品和個人信息，包括個人的注冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，通過一個單向過程將個人信息嵌入至產(chǎn)品中；該過程按算法生成的水印序列S1以一定的強度疊加到產(chǎn)品的變換域數(shù)據(jù)Df中。
4.按照權(quán)利要求1所述的圖像數(shù)字水印方法，其特征在于檢測水印信息的水印信息檢測方法是在檢測過程中，由用戶提供需檢測的產(chǎn)品和個人信息，包括個人的注冊ID或有意義的文本，自己保存的私人密碼，將個人信息按認(rèn)證系統(tǒng)的算法生成一個私人水印序列S2，要求在個人信息與添加過程的完全一樣時，S2與S1是高度相關(guān)的；再經(jīng)過相關(guān)器的相關(guān)性分析，輸出S2與檢測產(chǎn)品的變換域數(shù)據(jù)Df的相關(guān)值，根據(jù)相關(guān)結(jié)果就可以確定產(chǎn)品的版權(quán)真?zhèn)巍?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像數(shù)字水印方法，其特征是輸入產(chǎn)品數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)變換件將其變換為頻域數(shù)據(jù)，用戶輸入私人信息，由RS件生成水印信息，由水印嵌入件將水印信息嵌入到產(chǎn)品頻域數(shù)據(jù)中，再由數(shù)據(jù)變換件將嵌有水印的頻域數(shù)據(jù)變換到空域/時域形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)，最后由產(chǎn)品輸入輸出件輸出添加水印的產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布；水印檢測將待檢測產(chǎn)品數(shù)據(jù)變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)，將個人信息由RS件生成水印檢測驗證所需信息，由水印信息檢測件將產(chǎn)品頻域數(shù)據(jù)與水印檢測驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果由解釋件進(jìn)行解釋。具有隱形性、穩(wěn)健性好、防止各種猜測攻擊的優(yōu)良性能。
文檔編號G06T5/00GK1517855SQ03117168
公開日2004年8月4日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者李炳法, 孫家水 申請人:成都市宇飛信息工程有限公司