專利名稱：基于數字水印技術的數字圖像復原方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多媒體信息處理領域。具體說是在數字圖像傳輸之前提取數字圖像的特征，將其編碼后作為水印隱藏在圖像自身當中，如果圖像在傳輸過程中發(fā)生數據丟失，則可從含有水印的圖像中提取特征信息，為丟失的數據提供先驗知識，并利用圖像融合的方法，將特征信息和受損圖像進行融合，以恢復丟失的圖像內容。該圖像復原方法可提高數字圖像在惡劣傳輸條件下的圖像視覺質量，也可用于保護數字圖像內容的完整性，該技術適用于政府、商業(yè)、傳媒業(yè)、公安、軍隊等部門的網絡和通信等領域。
背景技術：
多媒體信息在傳輸過程中若發(fā)生網絡擁塞、或者受到黑客的惡意攻擊時，都有可能出現數據丟失和失真的現象。為了提高傳輸信號的質量，減少并修復丟失的信息，各國學者提出了多種技術策略。從信息編碼的角度看，可分為主動和被動兩種解決方案。主動型解決方案主要包括容錯編碼技術和信道-信源聯合編碼技術。這類方案雖然可以做到數據的完好重建，但是存在著與信號編碼標準相兼容的問題，并且在數據丟失比較嚴重的情況下，主動型解決方案有可能失效，這時需要采用被動型方案進行補救。被動型解決方案主要指在接收端對受損數據進行恢復的信號處理技術，如錯誤隱匿和圖像復原技術，即利用接收到的數據，來估計和重建丟失的數據。本發(fā)明提出的基于數字水印技術的數字圖像復原算法屬于被動型解決方案。
目前，國內外的數字圖像復原技術主要是利用空域上數據塊的相關性，即利用空域上圖像塊與塊之間灰度連續(xù)變換的性質，通過線性插值技術估計丟失的圖像塊。所丟失圖像塊內每個象素的值，均由相鄰塊中同一個空間位置上的象素經過線性插值得到。如果丟失的圖像數據塊比較集中，則需要經過遞歸運算進行復原，即首先重建那些擁有較多相鄰塊的丟失數據塊，然后將這些重建得到的數據塊作為已知條件，再處理那些擁有較少相鄰塊的丟失圖像塊。顯然，由于在數據重建時缺少重建對象的先驗知識，因此當圖像丟失的數據量很大(如經過面積較大的剪切操作)時，用這種方法很難恢復丟失數據塊表達的圖像內容，因此重建圖像的質量較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明利用數字水印技術幫助受損圖像進行內容復原，即將圖像的特征作為水印隱藏在圖像自身中，在信號復原時利用從圖像中提取的特征信息，幫助受損圖像恢復丟失的數據信息。具體實現方法如下1.數字圖像在進入傳輸信道之前，首先利用小波多分辨率分解操作提取圖像特征，然后將實數性質的特征信息經量化編碼過程轉換成適合作為水印嵌入的{0，1}信號，通過水印嵌入算法將水印重復嵌入在圖像不同分辨率和不同方向的細節(jié)子圖內。水印嵌入后既不會影響宿主圖像的視覺質量和使用，也不會增加宿主圖像的體積。此后，經小波多分辨率合成操作得到嵌有自身特征信息的數字圖像，經過通常的數據編碼處理過程后送入傳輸信道。
2.在圖像接收端，若發(fā)現圖像內容受損，則將圖像進行小波多分辨率分解，然后利用水印提取算法和加權水印恢復機制得到水印信號，繼而通過解碼過程恢復為圖像的特征信息。最后利用圖像融合的思想，將特征信息和受損圖像進行融合，恢復丟失的圖像內容。
3.將圖像小波多分辨率分解的近似子圖作為圖像的特征信息，這是因為近似子圖的數據量小，僅是原圖的1/4L，(L為小波分解的層數)，但卻包含了圖像的整體信息，因此重要性高。
4.將特征信息與水印信號進行相互轉換的編解碼操作如下(1)量化編碼操作首先找到特征信息的最大值T，并確定8個區(qū)間(0，T/8]，(T/8，2T/8]，(2T/8，3T/8]，(3T/8，4T/8]，(4T/8，5T/8]，(5T/8，6T/8]，(6T/8，7T/8]，(7T/8，T]，然后比較特征信息中各元素在數軸上的位置。如果某數位于第m個區(qū)間，則用m的二進制表示作為這個數的最終編碼形式。因為8個區(qū)間代表了8個狀態(tài)，所以只需要3個比特就能完全表示一個特征信息的值。
(2)解碼操作在接收端利用水印提取算法得到水印信息后，首先由每3位水印信號恢復1個特征信息所在的區(qū)間編號，然后恢復特征信息的值，即若該特征信息在第m個區(qū)間，則用該區(qū)間的中值表示該特征信息的值。
(3)編解碼過程中用到的重要參數T也需要轉換成二進制形式后嵌入到圖像中。它可以選擇與其它特征信息不同的嵌入位置。本發(fā)明中將所有特征信息嵌入到宿主的細節(jié)子圖，而將T嵌入到近似子圖中。
5.水印的嵌入與提取算法如下
(1)水印的嵌入算法水印的嵌入是通過對圖像細節(jié)子圖內的小波系數進行替換操作而完成的。當水印信號為0時，小波系數被替換為與之最近的A類點；當水印信號為1時，小波系數被替換為與之最近的B類點。其中，A類點定義為(2k+1/2)Δ，B類點定義為(2k-1/2)Δ，k＝0，±1，±2K，Δ為小波系數對應的人眼可見度閾值。然后進行小波反變換，得到嵌有自身特征信息的圖像。由于小波系數的變換范圍小于人眼可見度閾值Δ，所以該嵌入策略使水印不可見地嵌入到了圖像之中。
(2)水印的提取算法首先將含有自身特征的圖像進行與水印嵌入過程相同的小波多分辨率分解，然后將細節(jié)子圖內的小波系數除以Δ，將商取整后進行模2運算，便得到了水印信號。
6.為了盡量保證圖像在丟失部分數據后仍能正確恢復特征信息，繼而為受損圖像的恢復提供條件，采用了以下措施(1)在嵌入操作之前，將水印信號進行偽隨機排列。
(2)將水印信號重復嵌入到圖像中。如果其中一部分水印因圖像數據丟失而受到破壞，那么仍然能夠在剩下的水印中找到正確的水印信號。
(3)采用加權水印恢復機制。不同的小波系數抵抗攻擊的能力是不相同的，絕對值較大的系數抵抗攻擊的能力比絕對值較小的系數強，低分辨率下的小波系數比高分辨率下的系數抵抗能力強，水平、垂直方向的小波系數比對角方向的系數抵抗能力強。因此可根據小波系數抵抗攻擊的能力，為從這些小波系數中提取的水印信號賦予不同的可信程度。最終確定的水印值是被重復嵌入的水印信號的加權和。
7.若在接收端發(fā)現圖像內容丟失，可從圖像中提取出特征信息，利用圖像融合的方法恢復丟失的圖像內容。即將特征信息作為丟失數據的先驗知識直接添進相應的數據塊中，然后與其它圖像復原算法結合，使重建數據塊與相鄰數據塊之間的灰度變化更加平滑。本方法能夠較大程度地提高圖像的重建質量，即使當圖像丟失數據塊比較集中、面積較大時，利用本方法仍然能夠較大程度地恢復數據丟失部分的內容含義，其重建圖像的質量比其它算法有了顯著的提高。
具體實施例方式以下結合


基于數字水印技術的數字圖像復原方法實現步驟圖1說明數字圖像在進入傳輸信道之前，首先對數字圖像進行小波多分辨率分解，然后將圖像最低分辨率下的近似子圖作為圖像的特征信息進行編碼，即將實數性質的特征信息經編碼過程轉換成適合作為水印嵌入的{0，1}信號，并通過水印嵌入算法將水印重復嵌入在圖像不同分辨率和不同方向的細節(jié)子圖內，然后經小波多分辨率合成操作得到嵌有自身特征信息的數字圖像，經過通常的數據編碼處理過程后送入傳輸信道。
圖2在圖像接收端，若發(fā)現圖像內容受損，則將圖像進行小波多分辨率分解，然后在不同分辨率和不同方向下的細節(jié)子圖內利用水印提取算法和加權水印恢復機制得到水印信息，繼而通過解碼過程恢復圖像的特征信息，最后將圖像的特征信息作為丟失數據的先驗知識，經圖像融合算法與受損圖像進行融合，從而恢復丟失的圖像內容。
權利要求
1.基于數字水印技術的數字圖像復原方法，是利用數字水印技術幫助受損圖像進行內容復原，具體說是將數字圖像的特征編碼后作為水印隱藏在圖像自身當中；如果圖像發(fā)生數據丟失，則可從含有水印的圖像中提取特征信息，為圖像復原提供先驗知識，幫助受損圖像復原丟失的數據，提高圖像的重建質量。
2.根據權利1要求所述的基于數字水印技術的數字圖像復原方法，其特征在于方法中不是采用特征提取函數得到數字圖像的特征信息，而是在圖像小波多分辨率分解之后，直接將包含了圖像整體信息的近似子圖作為圖像的特征，從而實現方便快捷提取其特征信息；然后由量化編碼過程將實數性質的特征信息轉換成適合作為水印嵌入的{0，1}信號。
3.根據權利1要求所述的基于數字水印技術的數字圖像復原方法，其特征在于為了在不損壞數字圖像視覺質量的前提下，把能量盡可能大的水印信號嵌到圖像中，使水印能夠不受數據編解碼等常規(guī)操作的影響而正確提取，水印嵌入算法中將人眼可見度閾值作為量化間隔；水印嵌入后既不會影響宿主圖像的視覺質量和使用，也不會增加宿主圖像的體積，宿主圖像仍可經通常的處理過程后送入傳輸信道。
4.根據權利1要求所述的基于數字水印技術的數字圖像復原方法，其特征在于在圖像接收端，利用水印提取算法和加權水印恢復機制從圖像中得到的水印信息，可通過解碼過程恢復為圖像的特征信息，并為圖像丟失的數據提供先驗知識；本方法能夠與其它圖像復原算法結合，較大程度地恢復數據丟失部分的內容含義，從而提高圖像的重建質量。
全文摘要
基于數字水印技術的數字圖像復原方法，是利用數字水印技術幫助受損圖像進行內容復原，即利用小波多分辨率分解操作提取的圖像特征，經量化編碼過程轉換成水印信號，通過水印嵌入算法將水印嵌入在圖像自身當中，然后由小波多分辨率合成操作得到嵌有自身特征信息的數字圖像，經過上述處理的數字圖像在傳輸中因為丟包，或者受到黑客的攻擊而發(fā)生數據丟失時，可利用水印提取算法從圖像中提取水印，通過解碼過程恢復為圖像的特征信息，為丟失的數據提供先驗知識，最后利用圖像融合的思想，將特征信息和受損圖像進行融合，以恢復丟失的圖像內容，該發(fā)明可提高數字圖像在惡劣傳輸條件下的圖像視覺質量，也可用于保護數字圖像內容的完整性。
文檔編號G06T9/00GK1492338SQ200310100118
公開日2004年4月28日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權日2003年10月10日
發(fā)明者劉彤, 劉 彤 申請人:劉彤, 劉 彤