本發(fā)明屬于信息
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種數(shù)字圖像數(shù)字水印方法，具體是一種面向數(shù)字作品分級(jí)權(quán)益管理的免疫圖像數(shù)字水印方法。
背景技術(shù)：
：一般而言，數(shù)字水印保護(hù)數(shù)字圖像相關(guān)權(quán)益方法可以分為兩大類(lèi)：一是通過(guò)將數(shù)字水印信息嵌入到數(shù)字圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像版權(quán)權(quán)益保護(hù)的功能，即所謂魯棒水印的方法；二是將水印信息與圖像本身內(nèi)容相關(guān)并且嵌入到圖像容易被破壞的區(qū)域，可以用來(lái)保護(hù)圖像內(nèi)容的完整性，即脆弱水印方法。其基本假設(shè)前提是水印的不可見(jiàn)性，亦即嵌入水印之后，圖像質(zhì)量未受明顯影響(人類(lèi)視覺(jué)無(wú)法覺(jué)察)。數(shù)字圖像保護(hù)的困難在于，對(duì)于魯棒水印方法而言，攻擊者常常利用圖像質(zhì)量較好的特點(diǎn)，通過(guò)壓縮、剪切、旋轉(zhuǎn)、仿射變換等攻擊方法抑制其中水印信息或者使提取的水印信息與原水印信息失去同步而無(wú)法復(fù)原，從而達(dá)到將他人作品變?yōu)樽约鹤髌返母淖儥?quán)益所屬性質(zhì)的目的；對(duì)于脆弱水印而言，只能對(duì)圖像內(nèi)容是否受影響(或被修改)做檢測(cè)，無(wú)法對(duì)版權(quán)信息做任何保護(hù)。目前，頗具吸引力的改進(jìn)思路則是所謂免疫水印方法，其基本想法是：通過(guò)嵌入水印控制圖像的重要信息，使其公開(kāi)發(fā)布的圖像質(zhì)量很差(與原圖像相比差異較大)，只有授權(quán)用戶(hù)才能通過(guò)其密鑰恢復(fù)圖像信息得到高質(zhì)量的圖像。在未得到授權(quán)情形下，任何對(duì)圖像的外加操作都只能導(dǎo)致圖像關(guān)鍵信息的丟失而無(wú)法恢復(fù)原高質(zhì)量圖像，從而具備“免疫性”。現(xiàn)有免疫水印的典型算法如下：(1)對(duì)圖像做二級(jí)小波分解，將低尺度的近似圖像分量劃分為重要區(qū)域(IA)，并將水印按照IA’＝IA(1+αW)關(guān)系嵌入在該區(qū)域；(2)計(jì)算水印嵌入前后IA的差異，稱(chēng)之為補(bǔ)償矩陣SRC，將其加密后記為SSRC；(3)將原圖像二級(jí)小波分解的二級(jí)對(duì)角高頻分量劃分為不重要區(qū)域(UIA)，并把SSRC保存在UIA區(qū)域。顯然，任何攻擊都將導(dǎo)致SSRC信息的丟失，從而使得無(wú)法復(fù)原IA，使得水印具有天然的“免疫”特征。但是，現(xiàn)有的免疫水印方法具有以下不足之處：(1)僅限于使用權(quán)益保護(hù)，只能實(shí)施相應(yīng)的使用權(quán)益保護(hù)，無(wú)法保護(hù)作品的原創(chuàng)版權(quán)，因?yàn)橐坏┯脩?hù)獲得授權(quán)密鑰，將圖像恢復(fù)成原圖像后，水印即被完全清除，無(wú)法保護(hù)其版權(quán)。(2)僅限于一次性權(quán)益保護(hù)，無(wú)法實(shí)施分級(jí)保護(hù)管理。(3)兩個(gè)關(guān)鍵因素導(dǎo)致其安全性不高：(a)其水印嵌入公式乃基于一種線(xiàn)性關(guān)系，攻擊者可以根據(jù)相鄰像素的相關(guān)性估計(jì)得出α的值，破解IA’；(b)實(shí)驗(yàn)表明水印嵌入深度α值的可控范圍較小，一般來(lái)說(shuō)，為確保嵌入水印后的圖像能夠較好恢復(fù)，α不宜超過(guò)0.3，因而容易受到猜測(cè)攻擊。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種面向數(shù)字作品分級(jí)權(quán)益管理的免疫圖像數(shù)字水印方法，該方法沿襲現(xiàn)有免疫水印的“免疫”思路，充分利用小波多級(jí)分解中各級(jí)子圖圖像質(zhì)量的層級(jí)特性，面向綜合版權(quán)保護(hù)以及多級(jí)使用權(quán)益保護(hù)等方面的市場(chǎng)應(yīng)用需求對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量的鎖控方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出安全性高且具有分級(jí)權(quán)益管理等全新功能的免疫水印分級(jí)權(quán)益保護(hù)方法，安全性高、嵌入深度可以任意調(diào)節(jié)、能夠保護(hù)版權(quán)并具有分級(jí)圖像質(zhì)量控制能力。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn)，即1)設(shè)某數(shù)字圖像作品I有n-1級(jí)分級(jí)使用權(quán)益，則對(duì)原圖像做n級(jí)小波分解，其第n級(jí)低尺度近似分量與水平、垂直和對(duì)角各方向高頻分量分別記為An，Hn，Vn及Dn；在An內(nèi)采用既有非盲數(shù)字水印技術(shù)嵌入版權(quán)信息得到其版權(quán)信息是作品的最高權(quán)益，需要原數(shù)字圖像I和相關(guān)密鑰一起才能從中提取或檢測(cè)得到；由Hn,Vn,Dn一起經(jīng)小波重構(gòu)變換得嵌入版權(quán)信息后的第n-1級(jí)小波近似分量將視為既有方法中的IA區(qū)域，并在此區(qū)域嵌入使用權(quán)益水印W1得到根據(jù)相應(yīng)的權(quán)益密鑰，可以通過(guò)估計(jì)的近似值得到第1級(jí)質(zhì)量等級(jí)權(quán)益；將Dn-1視為既有方法中的UIA區(qū)域，并在此區(qū)域嵌入對(duì)應(yīng)于的補(bǔ)償矩陣的加密矩陣SSRCn-1得到由此可以依據(jù)相關(guān)密鑰解碼得到第2級(jí)質(zhì)量等級(jí)使用權(quán)益；由Hn-1，Vn-1，一起經(jīng)小波重構(gòu)變換得到而由Hn-1，Vn-1，Dn-1一起重構(gòu)得到加密將與嵌入魯棒水印后重構(gòu)得到的An-2之間的差異得到其補(bǔ)償矩陣的加密矩陣SSRCn-2，將其嵌入到Dn-2得到由此可以依據(jù)其權(quán)益密鑰解碼恢復(fù)第3級(jí)質(zhì)量圖像以此類(lèi)推，重復(fù)上述過(guò)程以完成其它各級(jí)權(quán)益的圖像質(zhì)量鎖控。2)使用權(quán)益水印的嵌入公式由原線(xiàn)性關(guān)系改為現(xiàn)在的非線(xiàn)性關(guān)系，并通過(guò)密鑰設(shè)置其可控性，使得在未知密鑰的前提下無(wú)法依據(jù)相似性關(guān)系破解IA’。3)通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程擴(kuò)展嵌入深度α值取值范圍，使得猜測(cè)攻擊成為不可能。4)撇開(kāi)補(bǔ)償矩陣SRC，則必須通過(guò)授權(quán)密鑰控制改變IA與IA’的關(guān)系屬性，才能近似估計(jì)嵌入深度α值，并實(shí)現(xiàn)較高圖像質(zhì)量的近似恢復(fù)；更高質(zhì)量圖像恢復(fù)必須通過(guò)授權(quán)密鑰解密SSRC得到SRC來(lái)實(shí)現(xiàn)；不同層級(jí)之間圖像質(zhì)量有明顯差異。因此，其效果是，(1)密鑰未知時(shí)安全性很高，像素之間缺乏可依的相似關(guān)系(因無(wú)需遵守水印嵌入的不可覺(jué)察性原則)，也無(wú)法實(shí)施常規(guī)攻擊，真正具備“免疫”性；(2)版權(quán)水印嵌入在最低尺度IA區(qū)域，對(duì)其任何攻擊例如近似估計(jì)、水印覆蓋及幾何形變等只能降低最終圖像質(zhì)量，導(dǎo)致結(jié)果圖像不可用，從而進(jìn)一步確保該不可見(jiàn)水印的魯棒性；(3)具有多級(jí)多種權(quán)益保護(hù)特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)版權(quán)保護(hù)，而且使用權(quán)益也能具有分級(jí)性；(4)密鑰管理簡(jiǎn)單方便，因?yàn)槊恳患?jí)的權(quán)限僅僅用于對(duì)應(yīng)級(jí)的圖像恢復(fù)，且在沒(méi)有對(duì)應(yīng)補(bǔ)償矩陣信息的前提下也無(wú)法得到更高圖像質(zhì)量，從而具備圖像數(shù)字作品分級(jí)權(quán)益保護(hù)的能力。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：一種面向數(shù)字作品分級(jí)權(quán)益管理的免疫圖像數(shù)字水印方法，包括水印嵌入及分級(jí)質(zhì)量鎖控處理、分級(jí)權(quán)益管理與保護(hù)兩大部分，其具體過(guò)程如下：第一部分：水印嵌入及分級(jí)質(zhì)量鎖控處理該部分由水印嵌入和分級(jí)質(zhì)量鎖控兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程構(gòu)成，一、水印嵌入水印嵌入過(guò)程包括水印預(yù)處理、版權(quán)水印嵌入和權(quán)益水印嵌入及其質(zhì)量鎖控。1、水印預(yù)處理：水印包括版權(quán)水印和權(quán)益水印兩種，分別標(biāo)記為Wb、W1，二者均為含有版權(quán)特征或權(quán)益特征且像素值取0與1兩種數(shù)值的二值圖像。為了提高水印信息的保密性，采用現(xiàn)有常規(guī)方法(如Arnold變換、幻方變換等)對(duì)其進(jìn)行置亂或加密處理，這里預(yù)處理系采用相應(yīng)置亂方法將上述水印信息轉(zhuǎn)化為密文，相應(yīng)的參數(shù)作為密鑰保存以備后用。最后，將其二值形式按以下公式由0,1變換為-1,1，即：對(duì)于水印矩陣第i行第j列元素W(i,j)。2、版權(quán)水印嵌入：給定原始圖像I，版權(quán)水印Wb，嵌入深度alpha，質(zhì)量分級(jí)參數(shù)為n。具體水印嵌入過(guò)程如下。(ⅰ)n級(jí)小波分解：根據(jù)現(xiàn)有小波分解理論，選擇某種小波基(例如Haar小波，db4小波等)做n級(jí)小波分解，其中第n級(jí)低尺度近似分量以及水平方向、垂直方向和對(duì)角方向的高頻分量分別記為An，Hn，Vn及Dn；原始圖像I轉(zhuǎn)化為尺度不等的系數(shù)矩陣集合{An,Hn,Vn,Dn,Hn-1,Vn-1,Dn-1,…,Hi,Vi,Di,…,H1,V1,D1}，由此可得其中An。(ⅱ)版權(quán)水印嵌入：對(duì)An采用現(xiàn)有非盲水印的方法按以下公式嵌入版權(quán)水印Wb，得到含水印分量矩陣即：其中，alpha是版權(quán)水印嵌入深度，其大小一般需要根據(jù)不可見(jiàn)性與魯棒性綜合確定，這里根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推薦選用0.01～0.05之間值。此外，所用魯棒水印的嵌入算法根據(jù)應(yīng)用要求還可以采用頻域方法以及其它可以能夠抗擊幾何攻擊、組合攻擊等的方法，具體可查看相關(guān)文獻(xiàn)。(ⅲ)n級(jí)小波重構(gòu)：根據(jù)現(xiàn)有小波重構(gòu)理論，由Hn,Vn,Dn重構(gòu)得由Hn-1,Vn-1,Dn-1可以重構(gòu)…；由A1’,H1,V1,D1可以重構(gòu)得到含有版權(quán)水印的圖像3、權(quán)益水印嵌入及其質(zhì)量鎖控：給定含版權(quán)水印圖像權(quán)益水印W1，嵌入深度α1(取值范圍為(0,1])，密鑰種子key1。具體嵌入及其質(zhì)量鎖控過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明如下。(ⅰ)偽隨機(jī)矩陣的準(zhǔn)備。依據(jù)密鑰種子key1采用既有偽隨機(jī)序列生成算法得到行列大小與An-1相等的偽隨機(jī)矩陣β1；分別計(jì)算權(quán)益水印W1的行列奇偶校驗(yàn)和Ch與Cl，并將其尾部填充0使其長(zhǎng)度大小與key1相同，將三者逐位做XOR運(yùn)算的結(jié)果作為新密鑰種子得到另一行列大小與An-1相等的偽隨機(jī)矩陣random。(ⅱ)權(quán)益水印嵌入。將An-1視為IA區(qū)域，按以下公式嵌入其權(quán)益水印W1得嵌入水印后的(ⅲ)圖像質(zhì)量鎖控：對(duì)于權(quán)益水印所在的子圖An-1，其質(zhì)量鎖控方法有些特殊，分以下三個(gè)步驟處理：步驟1：計(jì)算補(bǔ)償矩陣：SRCn-1(i,j)＝An-1(i,j)-A'n-1(i,j)其中，An-1與A'n-1分別是嵌入權(quán)益水印前后的第n-1級(jí)小波分解低尺度分量子圖矩陣。步驟2：將權(quán)益水印W1嵌入到SRCn-1內(nèi)，得到：SRC'n-1(i,j)＝SRCn-1(i,j)-β1(i,j)×W1(i,j)其中，W1為權(quán)益水??；β1為上述嵌入權(quán)益水印時(shí)采用的偽隨機(jī)矩陣。步驟3：依據(jù)加密密鑰K(ID)對(duì)上述矩陣加密，得到：SSRCn-1＝EN(SRC'n-1,K(ID))其中：EN()為現(xiàn)有典型對(duì)稱(chēng)加密算法，如標(biāo)準(zhǔn)AES、DES算法等，可據(jù)安全性要求選用；密鑰K(ID)可以由系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)注冊(cè)ID作為種子自動(dòng)生成。(ⅳ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。選用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)上述得到的A'n-1和SSRCn-1做標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體也分以下三個(gè)步驟來(lái)完成。步驟一：計(jì)算：其中：min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)，P1為結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量，用于保存和SSRCn-1原先的幅值范圍以便后續(xù)做權(quán)益管理操作時(shí)提取相關(guān)信息之用。步驟二：計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)幅值范圍。根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)，推薦按下式計(jì)算。對(duì)于小波第k級(jí)子圖分量，可取Amxk＝255×2k，Amnk＝Smxk＝40×2k，Smnk＝-40×2k。步驟三：根據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)化變換式，可得：(ⅴ)小波重構(gòu)復(fù)原。將上述計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果SSRC*n-1作為替換原Dn-1，再由A*n-1，Hn-1,Vn-1,一起通過(guò)小波變換重構(gòu)得到需要強(qiáng)調(diào)的是，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程得到的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)變量P1最后作為權(quán)益密鑰之一記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。二、分級(jí)質(zhì)量鎖控水印嵌入后，還需要對(duì)An-k(k>2)等各層級(jí)圖像質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)鎖控，具體按如下四個(gè)步驟處理：步驟1：計(jì)算補(bǔ)償矩陣：將Dn-k分量矩陣視為UIA區(qū)域，則第k級(jí)補(bǔ)償矩陣數(shù)據(jù)SRCn-k由以下公式獲得：SRCn-k(i,j)＝An-k(i,j)-A'n-k(i,j)其中：An-k為未嵌入權(quán)益水印的原始第n-k級(jí)小波分解低尺度子圖分量，為由第n-k+1級(jí)小波分解嵌入水印后各個(gè)分量即Hn-k+1，Vn-k+1，的重構(gòu)值。步驟2：加密補(bǔ)償矩陣：依據(jù)加密密鑰K(ID)對(duì)上述矩陣加密，得到：SSRCn-k＝EN(SRC,K(ID))其中：EN()為現(xiàn)有典型對(duì)稱(chēng)加密算法，如標(biāo)準(zhǔn)AES、DES算法等，可據(jù)安全性實(shí)際要求選用；密鑰K(ID)可以由系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)注冊(cè)ID作為種子自動(dòng)生成。步驟3：標(biāo)準(zhǔn)化處理：(ⅰ)計(jì)算：其中：min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)，Pk為結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量，用于保存和SSRCn-k原先的幅值范圍以便后續(xù)做權(quán)益管理操作時(shí)提取相關(guān)信息之用。(ⅱ)對(duì)于小波第k級(jí)子圖分量，可取Amxk＝255×2k，Amnk＝Smxk＝40×2k，Smnk＝-40×2k。(ⅲ)對(duì)和按下式進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得：步驟4：小波重構(gòu)。最后，將SSRC*n-k作為替換原Dn-k，再由A*n-k，Hn-k,Vn-k,一起通過(guò)小波變換重構(gòu)重復(fù)以上步驟1～4，直到所有各級(jí)權(quán)益質(zhì)量分級(jí)鎖控處理完畢。如此，最終由A*1,H1,V1,D*1可以重構(gòu)得到公開(kāi)免疫圖像需要強(qiáng)調(diào)的是，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程得到的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)變量Pk(k＝1,2,…,n-1)最后作為權(quán)益密鑰之一記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。此外，上述權(quán)益水印嵌入的所在層級(jí)也是可選的，例如，第n-k+1級(jí)。這時(shí)僅需要將該級(jí)的處理過(guò)程與原第n-1級(jí)的處理過(guò)程對(duì)調(diào)即可。第二部分：分級(jí)權(quán)益管理與保護(hù)權(quán)益管理與保護(hù)本質(zhì)上就是密鑰的管理與保護(hù)，在分級(jí)權(quán)益管理與保護(hù)設(shè)計(jì)上由以下密鑰分配與權(quán)益分配兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。一、密鑰分配根據(jù)不同權(quán)益需求，將相應(yīng)密鑰分為相對(duì)獨(dú)立的四類(lèi)：A、一類(lèi)權(quán)益密鑰：{SRC加解密密鑰K(ID)、幅值范圍P1、水印置亂密鑰}憑此密鑰可以提取出完整的使用權(quán)益水印信息，適合不需要查看作品，而僅僅只是查看使用權(quán)益水印信息以檢測(cè)圖像是否受到攻擊，或由此判定相應(yīng)圖像使用者的信用情況(一般是網(wǎng)站管理人員)，但無(wú)法獲取使用權(quán)益水印信息以外的任何其它信息。B、二類(lèi)權(quán)益密鑰：{SRC加解密密鑰K(ID)、幅值范圍P1、偽隨機(jī)矩陣β1種子密鑰key1}憑此密鑰可以通過(guò)近似算法恢復(fù)出來(lái)一個(gè)較高質(zhì)量的數(shù)字作品適合普通對(duì)圖像質(zhì)量要求不嚴(yán)格的用戶(hù)或場(chǎng)合。此密鑰通過(guò)估算近似的原始α1值，根據(jù)嵌入公式進(jìn)行反嵌入處理來(lái)獲取近似恢復(fù)圖像。C、三類(lèi)權(quán)益密鑰：{SRC加解密密鑰K(ID)、幅值范圍Pk}憑此密鑰可以提取出相應(yīng)層級(jí)圖像完整的補(bǔ)償矩陣，因此可以恢復(fù)出相應(yīng)等級(jí)的圖像質(zhì)量，其最高等級(jí)可達(dá)到幾乎等同于嵌入版權(quán)水印后的原作品圖像質(zhì)量，適合對(duì)數(shù)字作品要求較嚴(yán)格的用戶(hù)和場(chǎng)合。D、四類(lèi)權(quán)益密鑰：{版權(quán)水印密鑰}憑此密鑰可以結(jié)合原圖像以及版權(quán)水印，證實(shí)作品的原創(chuàng)者，但無(wú)法由此獲取任何使用權(quán)益的相關(guān)信息。二、權(quán)益分配依據(jù)上述四類(lèi)密鑰可以合理分配相應(yīng)的權(quán)益，具體實(shí)現(xiàn)方法分別詳述如下。①針對(duì)第一類(lèi)密鑰所有者，有權(quán)查看水印信息。由以下5個(gè)步驟完成：步驟1：將公開(kāi)免疫圖像進(jìn)行n級(jí)小波分解，得第n-1級(jí)子圖分量An-1，Hn-1,Vn-1，Dn-1。從而有如下計(jì)算公式：步驟2：據(jù)密鑰P1，按下式進(jìn)行反標(biāo)準(zhǔn)化處理得到SSRCn-1：其中min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)。即為由密鑰P1中提取的原嵌入水印后SSRC幅值范圍。步驟3：根據(jù)SRC加解密密鑰K(ID)可得補(bǔ)償矩陣SRC'n-1＝DE(SSRCn-1,K(ID))其中：DE()為前述對(duì)稱(chēng)密碼算法如AES、DES等的解密算法。步驟4：按下式計(jì)算權(quán)益水印密文數(shù)據(jù)。步驟5：依據(jù)水印置亂密鑰，做逆變換處理得到權(quán)益水印明文。對(duì)于這類(lèi)密鑰擁有者，通過(guò)查看或檢測(cè)水印的完整性亦可判斷公開(kāi)圖像是否被破壞，并由此獲取相應(yīng)用戶(hù)的信用操作數(shù)據(jù)。②第二類(lèi)密鑰所有者，相對(duì)第一類(lèi)密鑰集而言，缺少水印置亂密鑰，但多了偽隨機(jī)矩陣β1種子密鑰key1，因此有權(quán)獲得水印密文以及較高質(zhì)量的近似圖像具體由以下5個(gè)步驟完成：步驟1：重復(fù)第一類(lèi)密鑰擁有者的步驟1～4，獲得權(quán)益水印密文步驟2：由密鑰P1提取嵌入水印后An-1的幅值范圍，依下式進(jìn)行反標(biāo)準(zhǔn)化處理得到其中：min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)。Amn1，Amx1即為由密鑰P1提取的嵌入水印后An-1的幅值范圍。步驟3：由偽隨機(jī)矩陣β1密鑰key1，根據(jù)以下公式計(jì)算α1近似值。具體過(guò)程如下：1)相鄰像素對(duì)：在中依取值相反即分別為1和-1的條件按照先水平后垂直的掃描次序?qū)ふ蚁噜徬袼貙?duì)，其行列坐標(biāo)分別記作(i,j)和(ii,jj)。2)若記abs()為求絕對(duì)值的函數(shù)，則可按下列公式估算α'值：3)估算α'1值：重復(fù)步驟1)、2)，直到遍歷區(qū)域所有相鄰像素對(duì)，對(duì)所有符合要求的α'求平均值即α1的近似值，記作α'1。步驟4：根據(jù)以下公式得到恢復(fù)近似圖像An-1，步驟5：將含有補(bǔ)償矩陣的Dn-1區(qū)域數(shù)據(jù)置零，由更新后的An-1，Hn-1,Vn-1,Dn-1重構(gòu)An-2,得到近似恢復(fù)圖。后者可以通過(guò)幾何縮放變換得到與原圖同樣大小的近似恢復(fù)圖。③針對(duì)第三類(lèi)密鑰所有者，有權(quán)獲得相應(yīng)層級(jí)的高質(zhì)量恢復(fù)圖像具體步驟如下。(a).根據(jù)公開(kāi)圖像小波分解得到的A*n-k，按照下式計(jì)算得到其中min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)。即為由密鑰Pk提取的原An-k嵌入水印后的幅值范圍。(b).根據(jù)公開(kāi)圖像小波分解得到的SSRC*n-k，按照下式計(jì)算得到SSRCn-k：其中min()為取最小值函數(shù)，max()為取最大值函數(shù)。即為由密鑰Pk中提取的原SSRC幅值范圍。(c).根據(jù)SRC加解密密鑰K(ID)可得補(bǔ)償矩陣SRCn-k。SRCn-k＝DE(SSRCn-k,K(ID))其中：DE()為前述對(duì)稱(chēng)密碼算法如AES、DES等的解密算法。(d).根據(jù)補(bǔ)償矩陣恢復(fù)圖像An-k(i,j)＝SRCn-k(i,j)+A'n-k(i,j)(e).將含有補(bǔ)償矩陣的Dn-k區(qū)域數(shù)據(jù)置零，由更新后的An-k，Hn-k,Vn-k,Dn-k可以重構(gòu)得到第k+1級(jí)精確恢復(fù)圖像An-k-1。④第四類(lèi)密鑰擁有者，有權(quán)檢測(cè)或查看版權(quán)水印，(此處可采用任何既有已公開(kāi)發(fā)表的非盲魯棒水印算法完成其水印嵌入與檢測(cè)處理，不影響本發(fā)明的完整性，但具體效果可能會(huì)因?qū)嵤┱邔?zhuān)業(yè)知識(shí)有所差異)，具體步驟如下：1)分別將公開(kāi)圖像I’和原圖像I做n級(jí)小波分解，得到與An。2)依據(jù)現(xiàn)有非盲魯棒水印算法中其版權(quán)水印嵌入的公式及其相應(yīng)的解密算法求出版權(quán)水印的估計(jì)值3)將Wb和按圖像方式顯示并加以對(duì)比，可以看出兩者相似性，并由此證實(shí)版權(quán)權(quán)益所屬；也可按既有水印檢測(cè)方式來(lái)確認(rèn)，例如計(jì)算兩者相似度，兩者相關(guān)系數(shù)，等等，均可達(dá)到同一目的。需要說(shuō)明的是，以上密鑰權(quán)益分配相對(duì)獨(dú)立。實(shí)際應(yīng)用中相應(yīng)密鑰分配可以根據(jù)上述四類(lèi)進(jìn)行組合擴(kuò)展，相應(yīng)權(quán)益也隨而擴(kuò)展，其權(quán)益獲取處理過(guò)程也需要根據(jù)上述過(guò)程進(jìn)行組合擴(kuò)展。例如，由第一類(lèi)與第二類(lèi)密鑰組合而成的新密鑰類(lèi)，其權(quán)益分配處理過(guò)程可由分別執(zhí)行與第一類(lèi)密鑰和第二類(lèi)密鑰對(duì)應(yīng)的權(quán)益分配過(guò)程組合而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著的創(chuàng)新性與先進(jìn)性在于：1、能夠?qū)崿F(xiàn)分級(jí)使用權(quán)益和版權(quán)權(quán)益的同時(shí)保護(hù)，以及相關(guān)權(quán)益的有效分離，使其彼此沒(méi)有重疊，便于權(quán)益分配與管理。2、能有效阻止依據(jù)相鄰像素相似性的攻擊，并進(jìn)而使其成為授權(quán)方式下的一種權(quán)益管理方式。3、具有高度安全性：通過(guò)增加非線(xiàn)性因子及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，一方面防止因數(shù)據(jù)改變前后的線(xiàn)性關(guān)系導(dǎo)致“相似性攻擊”，另一方面則不僅防止數(shù)據(jù)溢出確保數(shù)據(jù)的完整性，而且還同時(shí)擴(kuò)展了相關(guān)嵌入?yún)?shù)的賦值范圍，使攻擊者在沒(méi)有相關(guān)密鑰或只有部分密鑰的情況下無(wú)法猜測(cè)或近似估計(jì)原始數(shù)據(jù)，從而使得“免疫性”真正落到實(shí)處，而不只是一個(gè)概念。附圖說(shuō)明圖1為做為載體的原始lena數(shù)字圖像；圖2為二值水印圖像“海南大學(xué)”；圖3為二值水印圖像“數(shù)字水印”；圖4為圖2進(jìn)行Arnold置亂變換后圖像；圖5為圖3進(jìn)行Arnold置亂變換后圖像；圖6為lena圖像嵌入版權(quán)水印后的圖像；圖7為嵌入權(quán)益水印后的公開(kāi)免疫圖像；圖8為通過(guò)圖7得到的近似恢復(fù)圖像；圖9為通過(guò)圖7得到的精確恢復(fù)圖像；圖10a為通過(guò)圖7提取的二值權(quán)益水印圖像；圖10b為在圖8中提取的二值版權(quán)水??；圖10c為在圖9中提取的二值版權(quán)水?。粓D11為沒(méi)有任何密鑰的情況下近似恢復(fù)的圖像；圖12為沒(méi)有任何密鑰的情況下精確恢復(fù)的圖像；圖13為沒(méi)有任何密鑰的情況下提取的權(quán)益水??；圖14為只有一類(lèi)密鑰的情況下近似恢復(fù)的圖像；圖15為只有一類(lèi)密鑰的情況下精確恢復(fù)的圖像；圖16為只有二類(lèi)密鑰的情況下精確恢復(fù)的圖像；圖17為只有二類(lèi)密鑰的情況下提取的權(quán)益水??；圖18為只有三類(lèi)密鑰的情況下近似恢復(fù)的圖像；圖19為只有三類(lèi)密鑰的情況下提取的權(quán)益水??；圖20為lena圖像在不同嵌入深度下的恢復(fù)圖像的PSNR曲線(xiàn)對(duì)比圖；圖21為lena圖像在不同嵌入深度下提取的權(quán)益水印MSE質(zhì)量曲線(xiàn)圖；圖22為在不同嵌入深度下的恢復(fù)圖像提取的版權(quán)水印MSE質(zhì)量曲線(xiàn)圖；具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法,通常按照常規(guī)條件,或按照制造廠商所建議的條件。理論分析：假設(shè)某數(shù)字作品Lena，如圖1所示，版權(quán)水印為二值文字圖像“海南大學(xué)”，如圖2所示，某級(jí)使用權(quán)益水印為二值文字圖像“數(shù)字水印”，如圖3所示，對(duì)水印圖像做Arnold置亂變換可以得到置亂或加密后的水印圖像，分別如圖4、圖5所示。則按照上述方法嵌入版權(quán)水印后的圖像，如圖6所示；繼續(xù)嵌入使用權(quán)益水印后得到公開(kāi)免疫水印圖像，如圖7所示。(1)水印魯棒性高：一方面，由于小波分解中某層級(jí)圖像質(zhì)量主要由該層級(jí)重要區(qū)域IA的信息決定，因此，各個(gè)層級(jí)圖像質(zhì)量的改變，理論上不會(huì)相互影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，多種水印分級(jí)嵌入，不會(huì)影響上一級(jí)水印的提取與檢測(cè)，如圖10a、10b、10c所示，不僅本級(jí)水印圖像可以正常提取，其上一級(jí)版權(quán)水印也能正常提取，充分說(shuō)明了這種水印嵌入方式具有一定的獨(dú)立性，未發(fā)現(xiàn)有明顯的相互影響。另一方面，常見(jiàn)水印攻擊方法如壓縮、加噪或幾何變換等都是以丟失或破壞圖像內(nèi)容為代價(jià)，必然導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，而這與發(fā)現(xiàn)更多圖像內(nèi)容信息的攻擊目的在本質(zhì)上相背離，因此，具有很高的魯棒性。(2)清晰的分級(jí)性：圖像質(zhì)量恢復(fù)依賴(lài)相應(yīng)類(lèi)別的密鑰。本發(fā)明方法通過(guò)密鑰控制水印嵌入關(guān)系的非線(xiàn)性特征，并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理大大擴(kuò)展了其中非線(xiàn)性特征的取值范圍，從而能夠有效地抑制基于“相似性”的線(xiàn)性攻擊，確保只有擁有相應(yīng)類(lèi)別密鑰，才能擁有相應(yīng)層級(jí)的圖像質(zhì)量。這些不同層級(jí)圖像質(zhì)量具有明顯的層次感。例如，附圖圖8和圖9分別為具有二類(lèi)密鑰和三類(lèi)密鑰得到的近似恢復(fù)圖像(1級(jí)圖像)和精確恢復(fù)圖像(2級(jí)圖像)；圖20為不同嵌入深度下這兩種圖像等級(jí)的質(zhì)量曲線(xiàn)(峰值信噪比PSNR與嵌入深度alpha的變化關(guān)系圖)，可以看到明顯的等級(jí)性。(3)安全性高：無(wú)論向上還是向下，任何試圖跨級(jí)獲取相應(yīng)信息的努力都有較高難度。大量實(shí)驗(yàn)表明，缺乏相應(yīng)密鑰的條件下，任何通過(guò)猜測(cè)或逼近的攻擊，都難以得到所期望的結(jié)果。附圖圖11～圖19列舉了一些試圖跨級(jí)恢復(fù)圖像或者提取相應(yīng)水印信息的結(jié)果。事實(shí)上，由于采用非線(xiàn)性隨機(jī)矩陣作為控制參數(shù)，并且改變幅值范圍無(wú)限制(因?yàn)槊庖咚](méi)有不可見(jiàn)性的約束)，因此，某級(jí)權(quán)益擁有者難以依據(jù)已知信息去推測(cè)由其它密鑰控制的隨機(jī)值，具有很高的安全性。(4)新的潛在功能：水印查看權(quán)益有望為權(quán)益管理的角色控制與信用評(píng)價(jià)機(jī)制提供新的安全協(xié)議設(shè)計(jì)途徑。本發(fā)明方法提供的水印查看權(quán)益是獨(dú)立于使用權(quán)益而設(shè)置的，第1、2級(jí)使用權(quán)益擁有者可以獲得該水印的密文，但難以得到水印的明文內(nèi)容。因此，是否試圖通過(guò)權(quán)益水印的密文形態(tài)改變圖像內(nèi)容而不改變水印信息本身是判定圖像被修改的嫌疑對(duì)象的重要依據(jù)，換言之，水印查看以及相應(yīng)層級(jí)圖像質(zhì)量能夠作為使用者信用等級(jí)的有效憑據(jù)之一，有望在某些應(yīng)用場(chǎng)合下為權(quán)益管理的角色控制與信用評(píng)價(jià)機(jī)制提供新的安全協(xié)議設(shè)計(jì)途徑。(5)權(quán)益管理靈活性強(qiáng)：既有權(quán)益保護(hù)大體從保護(hù)原創(chuàng)者版權(quán)出發(fā)，而且賦予原創(chuàng)者最高權(quán)益，這種觀點(diǎn)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前開(kāi)放的市場(chǎng)需求。本發(fā)明將版權(quán)與使用權(quán)益分離，使得原創(chuàng)者擁有版權(quán)，使用者擁有使用權(quán)，兩者完全分離，互不干擾，具有超強(qiáng)的權(quán)益管理靈活性。由前述各類(lèi)密鑰擁有者的權(quán)益處理步驟，可以清晰看到，版權(quán)所有者必須具有版權(quán)水印、版權(quán)水印密鑰、原始圖像，如此方可證實(shí)其版權(quán)，而盡管能夠由此得到小波分解各級(jí)分量精確數(shù)據(jù)，由于缺少相應(yīng)密鑰，版權(quán)所有者仍然無(wú)法據(jù)此獲得各級(jí)使用者所擁有的權(quán)益信息包括使用權(quán)益水印及相關(guān)密鑰等。對(duì)于使用者而言，高一級(jí)的使用者雖然所得圖像質(zhì)量更優(yōu)質(zhì)，但是，無(wú)法估計(jì)或猜測(cè)得到下級(jí)使用者的權(quán)益信息包括使用權(quán)益水印及相關(guān)密鑰等。即使同一層級(jí)，擁有密鑰類(lèi)型不同，權(quán)益也不同，例如一類(lèi)密鑰所有者能夠查看該級(jí)使用水印，檢測(cè)其完整性，二類(lèi)和三類(lèi)密鑰所有者只能得到相應(yīng)層級(jí)質(zhì)量圖像，無(wú)法獲得使用水印明文信息，這種權(quán)益有效分離無(wú)重疊的方式，給權(quán)益管理與分配帶來(lái)極大的便利性。綜上所述，借助小波變換對(duì)圖像多尺度分解的功能可以獲得多層級(jí)質(zhì)量的圖像，而通過(guò)多重水印嵌入過(guò)程的非線(xiàn)性因子的密鑰控制以及標(biāo)準(zhǔn)化處理則進(jìn)一步為權(quán)益分配與管理提供了極其寬廣的參數(shù)選擇范圍，由此構(gòu)建了所有者與使用者各自享有其所屬的權(quán)益，為數(shù)字社區(qū)內(nèi)安全共享數(shù)字圖像作品時(shí)其不同種類(lèi)不同層級(jí)權(quán)益管理與分配的靈活處理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。實(shí)施例下面以數(shù)字圖象處理中常用的lena圖像(見(jiàn)圖1)為例進(jìn)一步說(shuō)明具體的實(shí)施結(jié)果。版權(quán)魯棒水印選取黑底白字二值圖像“海南大學(xué)”(見(jiàn)圖2),分級(jí)權(quán)益免疫水印選取黑底白字二值圖像“數(shù)字水印”(圖3)。分別將兩幅二值水印進(jìn)行Arnold置亂變換(具體方法可參看相關(guān)文獻(xiàn))，如圖4和圖5。具體的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境為操作系統(tǒng)windows7，仿真實(shí)驗(yàn)軟件為matlab7.0。其后的圖像質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為圖像處理中常用的PSNR即峰值信噪比(一般認(rèn)為PSNR在30dB以上的圖像質(zhì)量就很不錯(cuò)了)，二值水印質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為MSE即均方誤差(數(shù)值越小則與原水印差異越少，最佳為0即完全無(wú)差異)。小波分解根據(jù)這里的實(shí)際情況進(jìn)行3級(jí)小波分解，并在3級(jí)分解的A3區(qū)域嵌入非盲魯棒版權(quán)水印，根據(jù)公式(1)An’＝An(1+alpha*Wb)，其中alpha定為0.05；嵌入后重構(gòu)得到含印圖像(圖6)，此時(shí)水印是不可見(jiàn)的。然后在第2級(jí)低尺度分量A2數(shù)據(jù)內(nèi)嵌入權(quán)益水印，嵌入比例為α1＝0.35,β1取值范圍在(-0.5,0.5),random取值范圍在(20,40)。根據(jù)嵌入公式(2)嵌入權(quán)益水印。同時(shí)獲取補(bǔ)償矩陣SRC，對(duì)補(bǔ)償矩陣進(jìn)行混淆加密；對(duì)A2’數(shù)據(jù)及補(bǔ)償矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，由于是在2級(jí)小波分解區(qū)域，將A2區(qū)域數(shù)據(jù)限制在(160,1200),將補(bǔ)償矩陣數(shù)據(jù)限制在(-160,160)；然后將標(biāo)準(zhǔn)化的補(bǔ)償矩陣嵌入D2區(qū)域。此時(shí)重構(gòu)圖像得到公開(kāi)的免疫圖像圖7(PSNR＝18.187209dB)。分別根據(jù)相應(yīng)密鑰信息，可以得到第1級(jí)權(quán)益質(zhì)量圖像即近似恢復(fù)圖像(圖8)和第2級(jí)權(quán)益質(zhì)量圖像即精確恢復(fù)圖像(圖9)，相應(yīng)的使用權(quán)益水印(圖10a)，以及分別由這些不同質(zhì)量圖像內(nèi)提取的版權(quán)水印(圖10b和圖10c)。獲得的不同權(quán)益質(zhì)量圖像及其權(quán)益水印的質(zhì)量信息見(jiàn)表1：表1近似圖像PSNR(dB)精確恢復(fù)圖像PSNR(dB)提取的權(quán)益水印MSE27.22500735.0582990.000024類(lèi)似地，由這些圖像中提取的版權(quán)水印質(zhì)量信息見(jiàn)表2：表2近似圖像中提取的魯棒水印MSE精確恢復(fù)圖像中提取的魯棒水印MSE0.09990.0608可見(jiàn)，近似恢復(fù)圖像與精確恢復(fù)圖像層級(jí)清晰，版權(quán)水印與權(quán)益水印(見(jiàn)圖10b，圖10c)主體內(nèi)容可辨，符合應(yīng)用需求預(yù)期。接著測(cè)試本方法的安全性，即在沒(méi)有密鑰或密鑰不足時(shí)試圖獲得高清圖片。①完全沒(méi)有任何密鑰在沒(méi)有任何密鑰的情況下，既無(wú)法獲得補(bǔ)償矩陣，也無(wú)法近似估計(jì)A’。此時(shí)，攻擊者可根據(jù)公開(kāi)圖片信息猜測(cè)密鑰信息，或者隨機(jī)生成密鑰來(lái)恢復(fù)。這里采用隨機(jī)生成密鑰來(lái)破解，得到第1級(jí)恢復(fù)圖像(圖11)、第2級(jí)恢復(fù)圖像(圖12)以及提取的權(quán)益水印(圖13)。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3：表3第1級(jí)圖像PSNR(dB)第2級(jí)圖像PSNR(dB)提取的權(quán)益水印MSE17.36045010.038057MSE＝0.367798可見(jiàn)，無(wú)論第1級(jí)抑或第2級(jí)圖像，其質(zhì)量都遠(yuǎn)低于預(yù)期：20dB不到?、谥粨碛幸活?lèi)權(quán)益密鑰(僅查看水印)當(dāng)只有一類(lèi)密鑰時(shí)，只能提取查看權(quán)益水印信息。由于已知兩個(gè)密鑰，可以考慮猜測(cè)A’原始范圍信息，同時(shí)根據(jù)嵌入公式遍歷所有α1值(實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，α1相差在0.01之間的結(jié)果近似一致，故約有100個(gè)不同值)，并且通過(guò)估計(jì)其中隨機(jī)數(shù)取值范圍取均值來(lái)破解。此時(shí)得到的第1級(jí)圖像(圖14)、第2級(jí)圖像(圖15)其質(zhì)量都遠(yuǎn)低于相應(yīng)授權(quán)用戶(hù)所能得到圖像質(zhì)量。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4：表4第1級(jí)圖像PSNR(dB)第2級(jí)圖像PSNR(dB)提取的權(quán)益水印MSE20.38930613.749797MSE＝0.000024可見(jiàn)，此時(shí)通過(guò)補(bǔ)償矩陣得到的結(jié)果還不如近似估計(jì)的結(jié)果，猜測(cè)所得第2級(jí)圖像質(zhì)量遠(yuǎn)低于第1級(jí)圖像質(zhì)量：13.75<<20.39。③只擁有二類(lèi)權(quán)益密鑰(近似恢復(fù))當(dāng)只有二類(lèi)密鑰時(shí)，能夠得到近似恢復(fù)圖像。但破解補(bǔ)償矩陣只能通過(guò)猜測(cè)其中隨機(jī)數(shù)密鑰信息，使其接近真實(shí)值，從而得到的補(bǔ)償矩陣必然是具有誤差的。另一方面，因?yàn)闆](méi)有水印置亂密鑰，提取的水印密文也難以轉(zhuǎn)化為可以分辨的密文狀態(tài)。由此得到的第2級(jí)圖像如圖16所示，提取的權(quán)益水印圖像如圖17所示。具體實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表5：表5第1級(jí)圖像PSNR(dB)第2級(jí)圖像PSNR(dB)提取的權(quán)益水印MSE26.57519914.434025MSE＝0.367432由于14.43<<26.57，可見(jiàn)，不當(dāng)破解得到的結(jié)果與真實(shí)值相差頗大。④只擁有三類(lèi)權(quán)益密鑰(精確恢復(fù))擁有此類(lèi)密鑰可以獲取完整的補(bǔ)償矩陣信息，所以可以通過(guò)補(bǔ)償矩陣得到接近原載體圖像的質(zhì)量等級(jí)。試圖得到第1級(jí)圖像，需要猜測(cè)α1，以及隨機(jī)矩陣random的值，由此所得結(jié)果如圖18所示。此時(shí)，盡管可得權(quán)益水印密文，但猜測(cè)其置亂密鑰得到的結(jié)果如圖19所示。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表6：表6第1級(jí)圖像PSNR(dB)第2級(jí)圖像PSNR(dB)提取的權(quán)益水印MSE22.85305235.058299MSE＝0.367432比較非法估計(jì)的結(jié)果與依據(jù)密鑰恢復(fù)的結(jié)果，有：22.85dB<26.575dB?？梢?jiàn)，缺乏相關(guān)密鑰必然導(dǎo)致結(jié)果圖像質(zhì)量的下降。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3