專利名稱：變換域數字水印的同步檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種變換域數字水印的同步檢測方法，是一種特別適用于對數字圖像、視頻等產品中數字水印在幾何變換攻擊情況下進行同步檢測的方法。
在目前研究的魯棒數字水印當中，有以下兩個典型例子。
(1)抵抗有損壓縮和噪聲污染的魯棒水印算法示例近年來，有一些文獻提出了在圖像或者視頻的變換域(離散傅利葉變換(DFT)域、離散余弦變換(DCT)域和離散小波變換域等)嵌入擴頻數字水印，同樣在變換域用相關檢測器來實現水印提取。例如，參考文獻“Secure spreadspectrum watermarking for multimedia[J]，”(Cox I.J.，Kilian J.，Leighton F.t.，IEEE Transactions on Image processing，Vol.12，No.6，1997，pp1673～1687.)提出了一種基于DCT域的擴頻數字水印算法，通過將數字水印信息經過擴頻嵌入到圖像DCT域內中高頻系數中來嵌入水印，提取時則通過相關檢測并做判決得到水印數據。該方法對壓縮、濾波以及噪聲污染具有很強的魯棒性，同時考慮人眼的視覺特性，因此水印信息具有很好的隱蔽性，數字媒體的主觀質量也很好，故成為當前研究擴頻水印和變換域水印的一個典型方法。
但是，這種方法沒有考慮幾何變換下的水印同步問題，同時由于水印的嵌入和提取均在變換域進行，因此對在空間域進行的幾何變換(剪切、放縮、旋轉)不具有魯棒性。即使在準確知道數字圖像(視頻等)媒體經歷的幾何變換類型時，通過幾何反變換回來的圖像再變換到DCT域時中高頻系數變化很大，因此相關檢測到的水印與原來水印也已近相差甚大，即水印同步失敗。
(2)抵抗幾何變換攻擊的數字水印算法有一些學者提出專門針對幾何變換攻擊(剪切、縮放、旋轉等)情況的魯棒水印算法。這些算法通過對圖像經歷的幾何變換進行估計來達到水印提取時的同步，例如，參考文獻“Watermarking resisting to translation，rotation andscaling，”(M.Kutter，Proc.Of the SPIEMultimedia Systems and Aplications，Boston，USA，Nov.1998，Vol.3528.pp423-431)以及參考文獻“Analysis ofpilot-based synchronization algorithms for watermarking of still images，”(Manueliguez；Fernando Pérez-González，Signal ProcessingImage Communication，Vol.17，Is.8，Sept.2002，pp611-633)的基于校準信號的水印同步方法，這些方法通過對圖像的幾何變換的估計，能夠對一些常見的如剪切、放縮、旋轉等處理具有一定的魯棒性。
但這些方法仍然沒有成熟，有以下兩個缺陷(1)這些方法主要考慮對幾何變換估計，估計后對數字圖像進行幾何逆變換，進一步的處理造成水印信息的進一步丟失；同時對幾何變換中插值處理的影響只能被動的接受，沒有進行補償，因此對水印同步的效果還不夠理想。
(2)與這些方法結合使用的往往是空間域的數字水印算法。空間域的數字水印算法對壓縮、濾波以及噪聲污染等處理的魯棒性往往不及變換域的算法，同時嵌過水印的數字圖像主觀質量也稍差于變換域的方法。如果將基于校準信號的水印同步方法對現有的變換域水印方法同步，其效果不能令人滿意。
綜上所述，當前魯棒水印算法中變換域算法具有對壓縮、噪聲污染等處理的強魯棒性，而對幾何變換攻擊魯棒性較差；空間域設計的針對幾何變換攻擊的魯棒水印，對幾何變換具一定的魯棒性，卻又沒有了變換域算法的優越性。設計擁有變換域水印算法和針對幾何變換攻擊設計的魯棒水印算法所具有的優勢的水印算法是當前魯棒水印的研究重點。
為實現這樣的目的，本發明首先用混沌偽隨機序列加密和擴頻后的水印嵌入到載體圖像塊DCT變換域的中高頻系數中，形成嵌入水印的圖像。接收端根據密鑰復制擴頻碼矩陣塊，并對每個擴頻碼矩陣中除左上角被保護部分外的元素進行二維DCT反變換，得到對應空間域的檢測碼矩陣。對空間域檢測碼矩陣進行幾何變換預處理，使每個檢測碼矩陣與幾何攻擊后的載體圖像中對應水印比特嵌入位置對準。將對準后的檢測碼矩陣和載體數字圖像相關檢測判決得到對應比特水印信息。水印比特解密并重排，還原出水印信息。
本發明的具體操作步驟如下1)先用混沌序列發生器生成偽隨機序列，并排列成矩陣形式作為水印信息的擴頻碼矩陣，將擴頻碼矩陣分成小塊，每個小塊擴頻碼對一個加密的水印比特進行擴頻。
2)水印嵌入(變換域)。將載體圖像分成小塊，對每個小塊進行二維DCT變換，每個小塊內對左上角低頻系數進行保護后與加權后的對應比特擴頻水印信息相加；對每個小塊做二維DCT逆變換并將各個小塊重新組合起來，得到嵌入水印的圖像。
3)水印異域提取檢測碼矩陣生成。首先根據密鑰復制混沌偽隨機序列，并排列成擴頻碼矩陣，將該擴頻碼矩陣按照水印嵌入時圖像分塊形式分成小塊，并對每個小塊擴頻碼矩陣中除左上角被保護部分外的擴頻碼進行二維DCT反變換，得到對應空間域的檢測碼矩陣，為水印在空間域的提取提供檢測碼矩陣。
4)水印對準追蹤。根據估計的幾何變換攻擊類型和參數，對每個水印比特對應空間域檢測碼矩陣進行同樣的幾何變換，使每個檢測碼矩陣與幾何攻擊后的載體圖像中對應水印比特嵌入位置對準，實現對載體數字圖像中每個水印比特的對準追蹤；5)水印同步檢測。將每個水印比特對應對準后的檢測碼矩陣和載體數字圖像送入相關檢測器，經檢測判決得到對應比特水印信息。將得到的水印比特解密并重新排列，還原出原來的水印信息序列。采用上述的水印異域提取和水印追蹤檢測與現有的魯棒水印方法相比1)本發明同時擁有了變換域水印和空間域算法的各自優點水印信息擴頻后嵌入到變換域，使得水印對壓縮、濾波、噪化等處理下具有魯棒性，同時保證載體數字圖像(視頻)更好的主觀質量；水印提取在圖像空間域進行，不用將載體圖像重新變換到線性變換域，這樣處理為幾何變換攻擊下水印的同步檢測建立了好的前提，因為空間域水印提取方法對幾何變換攻擊更加有效。
2)本發明對載體圖像中水印進行追蹤后進行同步檢測這樣一方面不用象現有同步檢測方法那樣用幾何逆變換將載體圖像變換回來，減少了載體圖像中水印信息的二次處理丟失；另一方面，用同樣的幾何變換對空間域檢測碼矩陣進行幾何預變換，可以實現它與載體圖像中水印的最佳對準，因此可以有效地提取出載體圖像中剩余的水印信息。
本發明用水印的異域提取和水印追蹤檢測技術，來完成變換域數字水印在幾何變換等攻擊下的同步檢測，克服了當前水印算法的對工作域的依賴性，能有效提高水印系統在壓縮、濾波、噪聲污染以及幾何變換等聯合攻擊下的整體魯棒性，同時對現有的主要水印算法具有很好的兼容性，符合水印系統標準化發展趨勢。
圖2為本發明的數字水印同步提取流程。
圖3為DCT域低頻系數掩模矩陣。
圖4.(a)Pepper原圖(b)二值水印圖像(c)加密的二值水印圖像(d)嵌入水印后的Pepper圖像(PSNR＝40.7606dB)(e)無攻擊條件下提取的水印圖像(BER＝0.00073242)；圖5.(a)JPEG壓縮后的Pepper圖及提取的水印(BER＝0.1497)(b)高斯噪聲(σ2＝130.05)污染后的Pepper圖及提取的水印(BER＝0.2002)(c)縮小(最近差值)為原圖像60％的Pepper圖及提取的水印(BER＝0.1655)(d)旋轉30°(雙線性插值)后的Pepper圖及提取的水印(BER＝0.0696)(e)聯合攻擊(縮小85％、旋轉10°后進行邊沿剪切)后的Pepper圖及提取的水印

圖1是數字水印的嵌入流程，圖2是數字水印的同步提取流程。本發明的方法按圖1圖2所示流程，包括如下具體步驟1.擴頻碼矩陣生成及水印加密為了得到擴頻碼塊矩陣來對水印比特進行擴頻，本發明采用混沌映射的方法來產生。混沌序列是非線性方程(組)的一個特解，它的隨機輸出由一確定的方程(組)決定。本發明通過控制一組關于混沌系統的參數并且把它們當作是水印系統密鑰的一部分。考慮如下一類一維混沌映射zn+1＝f(α，zn) zn∈[zmin，zmax]其中，恰當選取參數α則該映射可能產生混沌現象，此時初值z0的微小改動將產生完全不同的序列；如果知道初值z0和參數α就能精確恢復該序列，否則，任何人都無法得到該序列，因此可以將初值z0和參數α作為秘鑰進行控制，從而保證系統的安全性。恰當選取初值z0和參數α，并保證系統是混沌的，迭代運算得到一個一維隨機序列zn，對該序列進行±1量化得到pn，保證pn序列中的-1和+1出現的概率是相等的。將該序列排列成一個與載體圖像形狀相同的矩陣P=[pn]M1×M2']]>這里M1×M2是載體圖像X(i，j)，(1≤i≤M1；1≤j≤M2)的大小。將P矩陣均分成N1×N2個小塊，則每個小塊的大小為(M1/N1)×(M2/N2)；每個小塊對應一個水印比特信息，則可以用來對N1×N2比特水印進行擴頻，記第i個擴頻碼矩陣為Pi，其中1≤i≤N1×N2，且Pi中的元素均值為零。
擴頻碼塊矩陣在兩種情況下生成1)水印嵌入之前用于水印擴頻；2)水印檢測時，按照密鑰生成擴頻碼矩陣用于生成空間域檢測碼矩陣。
對水印數據進行加密既可以保證水印數據的安全性，同時可以使加密后的二進制水印數據兩種取值(±1或者′0/1′)的概率相等。本發明同樣采用一維混沌映射產生N1×N2長度的偽隨機序列二值量化后對水印數據模2加進行加密，對加密后的數據進行擴頻嵌入到數字圖像當中。2.水印嵌入載體灰度圖像為X(i，j)，(1≤i≤M1；1≤j≤M2)，加密后的水印數據為二進制水印比特b＝{bi|bi＝±1，1≤i≤N1×N2}。按照水印bi將載體圖像分成N1×N2個小塊，每個圖像塊對應P中的一個擴頻塊矩陣Pi；對每個圖像塊做二維DCT變換得到變換域系數矩陣，記作Xi。Xi中左上角的系數較大，對應圖像塊中的低頻分量，右下方向的系數對應中高頻分量。根據人眼的視覺特性將水印信息嵌入到Xi中高頻分量上。用擴頻碼塊矩陣Pi對加密后的水印進行調制后與掩模矩陣Q(如圖3所示)中的對應元素相乘(對Xi中的低頻分量系數進行保護)，得到矩陣與Xi相加完成水印嵌入X1~=X1+(b1·α1·P1)·Q....(1)]]>其中，αi是嵌入水印的強度 ，αi根據Xi中高頻系數的強度及方差δ12=Var(X1·Q)]]>來確定，αi選取要求考慮圖像的視覺效果和水印魯棒性之間作出權衡；另外，掩模矩陣Q的選取也要考慮水印的魯棒性和載體數字圖像的質量，且式中的乘法是矩陣對應元素相乘。對 做二維DCT反變換，并將各小塊組裝得到嵌過水印的空間域圖像 3.水印異域提取檢測碼矩陣生成用密鑰生成與水印嵌入階段一致的擴頻碼矩陣P=[pn]M1×M2,]]>并將其分成N1×N2個小塊，每個小塊同樣記作Pi；用與嵌入階段一樣的固定掩模矩陣Q與擴頻碼矩陣Pi中對應元素相乘得到Q·Pi(其元素均值為0)，并對乘得的擴頻碼矩陣Q·Pi進行二維DCT反變換得到對應空間域的檢測碼矩陣SPi。由于DCT正變換和反變換都是線性變換，因此SPi中元素也是均值為零的隨機變量。SPi塊矩陣同樣可以排列成與P大小一致的大矩陣SP。4.水印對準追蹤。
在收到載有水印的圖像Y，Y可能受到包括幾何變換在內的一種或多種攻擊，本發明在幾何變換攻擊已知或者正確估計的前提下實現水印同步檢測。幾何變換攻擊表示為T(ξ)，其中ξ表示幾何變換的參數。為了追蹤Y中的剩余水印信息，將空間域對應的檢測碼矩陣SPi排列成大矩陣SP，并用同樣的幾何變換T(ξ)進行預攻擊，得到攻擊后的檢測碼大矩陣SPT。為了將SPT內對應SPi的各個子塊區分開來，每次只對SP中的一個空域檢測碼矩陣SPi進行變換，而其它位置的SPi置零，即對SPi＝{SP|SPi＝SPi，SPj＝0，j≠i}進行幾何變換T(ξ)操作得到對應的SPTi。SPTi矩陣的大小與Y一致，但是其對應bi比特的部分與水印比特凸bi在Y中存在的對應位置是對準的。5.水印同步檢測。
將Y和幾何預攻擊后的檢測碼矩陣SPTi進行相關檢測，判決得到對應的水印比特ib^i=sgn(sum<Y·SPTi>)....(2)]]>式中，sum<x·y)表示求矩陣x和y的對應元素相乘并求和，對應于相關檢測器的功能 是符號函數，它完成判決器的功能，判決得出的i取值為±1。考慮SPTi與整幅圖像Y的大小一致，相關運算時要求較大的運算量同時，SPTi中非零的部分僅占SPT的一小部分，因此，可以只將Y和SPTi中非零的那部分進行相關運算，其它為0的部分不進行運算，從而有效提高運算效率。根據密鑰用混沌映射恢復解密序列，對i進行解密，得到解密的水印信息。
載體圖像為512×512像素的8位灰度圖像Pepper圖，水印數據為一幅64×64比特的二值水印圖像。用logist映射來產生擴頻碼塊矩陣zn+1＝α·zn·(1-zn)，zn∈[-1，+1]式中，當3.6＜α≤4時，系統是混沌的；取迭代初值z0＝0.711，參數α＝4，并將參數α和初值z0作為密鑰的一部分。迭代生成長度為512×512的偽隨機序列，并量化成取值為±1的pn；將pn排列成擴頻碼矩陣P。將矩陣P分成64×64個子塊Pi，每個子塊為一個8×8的擴頻碼矩陣Pi。生成另外一組64×64長度的偽隨機序列，量化成0/1等概的序列，用該序列與64×64大小的二值水印圖像進行模2加運算得到加密后的水印圖像b。對每個bi進行映射 映射后的bi取值±1。
載體圖像X分成64×64個小塊，每塊大小為8×8像素，對每個小塊經二維DCT變換后得到Xi。掩模矩陣Q的大小為8×8，取左上角的8個對應Xi低頻分量系數的元素為零，對Xi的低頻分量系數進行保護。水印強度αi根據Xi的中高頻系數的強度和方差來確定αi=λ·σi2/(64-8),]]>其中λ為一個常數，λ越大則αi也越大，則載體圖像的峰值信噪比(PSNR，Peak Signal-to-Noise Ratio)就越小，本例中取λ＝3。按照(1)式將水印bi嵌入Xi中到得到 對 做二維DCT反變換，并將各小塊組裝得到嵌過水印的圖像 相對原始圖像X的峰值信噪比PSNR＝40.7606dB，與原始圖像的主觀質量相比看不出差別。
分別考慮嵌過水印的載體圖像 在發布過程中經歷JPEG壓縮、噪聲污染、縮放、旋轉、剪切以及聯合攻擊等處理，接收的圖像為Y，Y經歷的幾何變換記為T(ξ)。
接收端用密鑰控制logist映射來生成與水印嵌入階段一致的擴頻碼矩陣P＝[pn]512×512，并其分成8×8的小塊擴頻碼矩陣Pi；對掩模后的矩陣Q·Pi進行二維DCT反變換得到對應空間域的檢測矩陣SPi，并組成SP。進而求得SP中每個SPi在幾何變換后T(ξ)作用后得到SPTi，每個SPTi與圖像Y大小一致。將SPTi和圖像Y送入相關檢測器進行水印提取，判決得到對應的第i個水印比特i，進行映射 根據密鑰用混沌映射恢復解密序列，對映射后的i進行解密并排列成，為恢復的二值水印圖像。
附圖4和附圖5的實驗結果說明本發明的方法使水印系統在JPEG壓縮、高斯噪聲污染處理以及縮放、旋轉、剪切等幾何攻擊下均具有較強的魯棒性。
附圖4中加密的二值水印圖像(c)加密前的水印圖像(b)相差甚大，看不出其間的聯系，同時加密后的水印數據中0/1分布近似等概。水印嵌入對Pepper圖像主觀質量影響很小，同時在沒有攻擊的條件下能很好的恢復出水印圖像(e)。
附圖5中給出了幾種攻擊下用本發明的方法提取水印的效果(a)中嵌有水印的Pepper圖像經JPEG壓縮由原來的257KB變為壓縮后的43.3KB，從中提取的水印仍然可以識別。(b)中用零均值的高斯白噪聲(方差＝130.5)對嵌有水印的Pepper圖像噪化，噪化后的圖像相對噪化前的峰值信噪比PSNR＝26.8645dB，從中提取的水印誤碼率為的0.2002，水印仍可識別。(c)和(d)中分別將嵌有水印的Pepper圖像由原來512×512像素的縮小307×307像素和進行旋轉30°的操作，并分別采用最近插值法和雙線性插值法進行插值，從經過變換后的圖像中提取的水印誤碼率分別為0.1655和0.0696。(d)依次對嵌有水印的Pepper圖進行縮小(85％)、旋轉(10°)后再將邊沿部分剪切，聯合攻擊得到的圖像為378×378像素的圖像，從中提取的水印邊沿部分由于對應載體被剪切，水印丟失，而中間部分仍然能夠很好地識別水印內容。
綜上所述，本發明采用水印的異域提取和水印追蹤檢測技術來完成變換域數字水印在幾何變換等攻擊下的同步檢測，具有變換域水印算法對壓縮、噪化的強魯棒性以及更好的載體質量的優點，同時也具有了針對幾何攻擊設計的空間域魯棒水印算法的優點。將本發明應用于數字圖像、視頻等產品中數字水印在幾何變換攻擊情況下的同步檢測，可以提高變換域水印算法的同步性能，從而提高水印系統的綜合魯棒性。
權利要求
1.一種變換域數字水印的同步檢測方法，其特征在于包括如下具體步驟1)先用混沌序列發生器生成偽隨機序列，并排列成矩陣形式作為水印信息的擴頻碼矩陣，將擴頻碼矩陣分成小塊，每個小塊擴頻碼對一個加密的水印比特進行擴頻；2)水印嵌入將載體圖像分成小塊，對每個小塊進行二維離散余弦變換，每個小塊內對左上角低頻系數進行保護后與加權后的對應比特擴頻水印信息相加；對每個小塊做二維離散余弦逆變換并將各個小塊重新組合起來，得到嵌入水印的圖像；3)水印異域提取檢測碼矩陣生成首先根據密鑰復制混沌偽隨機序列，并排列成擴頻碼矩陣，將該擴頻碼矩陣按照水印嵌入時圖像分塊形式分成小塊，并對每個小塊擴頻碼矩陣中除左上角被保護部分外的擴頻碼進行二維離散余弦逆變換，得到對應空間域的檢測碼矩陣，為水印在空間域的提取提供檢測碼矩陣；4)水印對準追蹤根據估計的幾何變換攻擊類型和參數，對每個水印比特對應空間域檢測碼矩陣進行同樣的幾何變換，使每個檢測碼矩陣與幾何攻擊后的載體圖像中對應水印比特嵌入位置對準，實現對載體數字圖像中每個水印比特的對準追蹤；5)水印同步檢測將每個水印比特對應對準后的檢測碼矩陣和載體數字圖像送入檢測器，經檢測判決得到對應比特水印信息，將得到的水印比特解密并重新排列，還原出原來的水印信息序列。
全文摘要
一種變換域數字水印的同步檢測方法，用混沌偽隨機序列加密和擴頻后的水印嵌入到載體圖像塊DCT變換域的中高頻系數中，形成嵌入水印的圖像。接收端根據密鑰復制擴頻碼矩陣，并對其中除左上角被保護部分外的元素進行二維DCT反變換，得到對應空間域的檢測碼矩陣。對空間域檢測碼矩陣進行幾何變換，使每個檢測碼矩陣與幾何攻擊后的載體圖像中對應水印比特嵌入位置對準。將對準后的檢測碼矩陣和載體數字圖像相關檢測判決得到對應比特水印信息，解密并重排后還原出水印信息。本發明用水印的異域提取和水印追蹤檢測技術來完成變換域數字水印在幾何變換等攻擊下的同步檢測，有效提高水印系統在壓縮等信號處理以及幾何攻擊條件下的整體魯棒性。
文檔編號H04N5/913GK1477507SQ0312938
公開日2004年2月25日 申請日期2003年6月19日 優先權日2003年6月19日
發明者蔣鈴鴿, 王東建, 何晨, 馮國瑞 申請人:上海交通大學