專利名稱：基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入與提取方法
基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入與提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字水印、數(shù)字版權(quán)鑒別與保護(hù)及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入與提取方法。
背景技術(shù)：
為了解決數(shù)字媒體如圖像、音頻，視頻的版權(quán)保護(hù)，版權(quán)控制和認(rèn)證問題，數(shù)字水 印和數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在圖像數(shù)字水印方面，先前很多流行的研究工作集中在彩色 圖像或者灰度圖像上，這樣的圖像格式往往具有很大的容量(每一個像素點(diǎn)有一個字節(jié)表 示或多個字節(jié)表示)，因此隱藏信息相對容易。這方面典型的技術(shù)包括LSB信息隱藏(最不 重要信息位隱藏)技術(shù)；DCT域上的擴(kuò)頻隱藏技術(shù)；DWT變換域的3個不易察覺的DWT波段 上的DWT系數(shù)調(diào)制技術(shù)等等。([1]，[2])在二進(jìn)制圖像上隱藏信息盡管很有難度，但是在日常生活中逐漸有更多的應(yīng)用需 要，比如書法作品、一些有格式要求的電子文檔、木版畫、掃描圖像、手寫簽名等。因為二進(jìn) 制圖像的圖像固有格式特點(diǎn)，只有黑白兩種顏色，一個像素點(diǎn)用一個比特表示，大部分隱藏 方法基于黑白像素的翻轉(zhuǎn)，通過一定規(guī)則嵌入隱藏信息而不引起視覺上的注意。現(xiàn)有的二進(jìn)制圖像上隱藏信息的方法往往非常繁瑣。為了確定哪些像素適合翻 轉(zhuǎn)；Wu等采用了一種嵌入機(jī)制，先通過一個隨機(jī)的密鑰來攪亂原始圖像，這樣使得可翻轉(zhuǎn) 的像素點(diǎn)在圖像中能夠獲得均勻的分布；并同時采用翻轉(zhuǎn)像素的計算分值表來確定哪些像 素點(diǎn)最適合翻轉(zhuǎn)[3]，[4]。采用平滑技術(shù)的基于降噪模式的數(shù)據(jù)隱藏方法在參考文獻(xiàn)[5] 中有所論述。此外在參考文獻(xiàn)[6]中，一個密鑰和一個重量矩陣被采用來保護(hù)隱藏數(shù)據(jù)，其 中隱藏位置被隨機(jī)選取，因此盡管隱藏容量很大但是視覺效果不理想。在參考文獻(xiàn)[7]、[8] 中有了一些改進(jìn)，選取邊緣上的像素點(diǎn)來提高視覺效果。Yang和Kot提出了一種更細(xì)膩復(fù) 雜的隱藏方法，考慮4連通度和8連通度，采用了三種定義的準(zhǔn)則來確定可翻轉(zhuǎn)像素，以提 高隱藏視覺效果。Kim等提出了在小波變換域中尋找可翻轉(zhuǎn)像素的方法[10]?？偟膩碚f， 這些提出的方法根據(jù)一些定義的準(zhǔn)則需要進(jìn)行大量的計算來確定理想的翻轉(zhuǎn)像素位置，以 獲得理想的視覺效果。現(xiàn)有的二進(jìn)制圖像上隱藏信息的方法往往難于在視覺隱藏效果、信息隱藏容量之 間達(dá)到一個理想的平衡。為了提高視覺隱藏效果，往往會減少改變的像素點(diǎn)位置，那么這樣 會減少信息隱藏容量。為了提高信息隱藏容量，往往不得不對原始圖像做比較大的改動，于 是視覺隱藏效果會下降。如何很好的平衡兩者是一個很大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的二進(jìn)制圖像上隱藏信息往往不能夠提供靈活可擴(kuò)展的隱藏方案。不需要原 圖的信息隱藏、提取是一套系統(tǒng)；需要原圖的信息隱藏、提取則是另一套系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)之 間原理不同，隱藏信息的效果往往會很不一樣。需要原圖的信息隱藏、提取方案往往可以提 供更高的信息隱藏容量，但是相對麻煩。不需要原圖的信息隱藏、提取方案相對方便，但是 因為沒有額外的信息做輔助鑒別，容易被篡改而不能識別，安全性要差一些。如果能夠結(jié)合 兩者的優(yōu)點(diǎn)將會很有意義。
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參考文獻(xiàn)[1]F. A. P. Petitcolas, R. J. Anderson, and Μ. G. Kuhn, "Information hiding-a survey,，，Proc. IEEE，vol. 87，pp. 1062-1078，July 1999.[2] I. J. Cox,M. L. Miller, and J. A. Bloom，Digital Watermarking. San MateoiCA Morgan Kaufmann，2001.[3]M. Wu and B. Liu,"Data hiding in binary images for authentication and annotation，，，IEEE Trans. Multimedia，vol. 6，no. 4，pp. 528-538，Aug. 2004.[4]M. Wu, E. Tang, and B. Liu, "Data hiding in digital binary image，” in Proc.IEEE Int.Conf. Multimediaand Expo.，New York，2000，pp.393-396.[5]H. Yang and A. C. Kot, "Data hiding for bi-level documents using smoothing techniques，，，in Proc. IEEEInt. Symp. Circuits Systems，ISCAS’04，May 2004， vol. 5，pp. 692-695.[6] H. -K. Pan, Y. -Y. Chen, and Y. -C. Tseng, "A secure data hiding scheme for two-color images，，，in Proc. 5th Symp. Computers and Communications，Jul· 3-6，2000， pp. 750-755.[7] Y. C. Tseng and H. -K. Pan,"Secure and invisible data hiding in 2-color images，，，in Proc. 20th Annu. JointConf. of the IEEE Computerand Communications Societies (INF0C0M 2001) ,2001, vol. 2，pp.887-896.[8] Y. C. Tseng and H. -K. Pan, ,"Data hiding in 2-color images，，，IEEE Trans. Comput.，vol. 51，no. 7，pp. 873-878，Jul. 2002.[9] H. Yang and A. C. Kot, “Pattern-based data Hiding for binary image authentication byconnectivity-preserving，，， IEEE Transactions on Multimedia， Vol. 9，No. 3，pp. 475-486，Apr. 2007.[10] W. Kim, 0. Kwon, M. Kang, "A binary wavelet transform based authentication algorithm for binaryimages”， Proceedings of the 2009 Fourth International Conference on Computer Sciences andConvergence Information Technology, Nov. 2009，pp. 954-957.

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決如下的關(guān)鍵技術(shù)問題第一、提出一種新的高效隱藏信息的方法，該方法以低的復(fù)雜度決定在圖像分塊 中哪些黑色或白色像素點(diǎn)適合翻轉(zhuǎn)，能夠使得視覺上的失真盡可能小從而有理想的隱藏效^ O第二、提出一種信息隱藏、提取方案，具有很快的隱藏、提取隱藏信息的速度；具有 理想的信息隱藏容量和視覺隱藏效果。第三、提出一種靈活可擴(kuò)展的信息隱藏、提取方案，可以支持不需要原圖的盲提 取；也可以保證視覺失真保持相同級別的情形下，通過原圖的輔助還可以提供更多的額外 嵌入隱藏信息容量。第四、在上面隱藏、提取方案的基礎(chǔ)之上，作為具體應(yīng)用，可以提供一定安全級別的版權(quán)保護(hù)不需要原圖可以提取版權(quán)基本屬性信息；也可以提供增強(qiáng)型的安全保護(hù)完 整性檢測識別加水印的圖形是否被篡改以及通過原圖的輔助可以提取額外的公證信息。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明即支持不需要原圖的盲提取方案，也可以保證視覺失 真在相同級別即改變的像素點(diǎn)個數(shù)相同的情形下，通過原圖的輔助可以提供更多的嵌入 隱藏信息容量。通過原圖的輔助時，利用原始圖像分塊中可以存在不止一個的可翻轉(zhuǎn)像素 點(diǎn)，那么通過正向掃描，反向掃描(或者正向掃描獲得的下一個位置)可以獲取兩個可翻轉(zhuǎn) 的像素點(diǎn)位置；究竟選擇哪一個嵌入位置可以通過額外的嵌入信息來決定。據(jù)此通過原圖 的輔助，我們就有了更高的信息隱藏容量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，我們給出了基于上述隱藏、提取方案的原始隱藏信息加工流 程，可以把原始隱藏信息和屬性信息如日期、版權(quán)人信息，作品信息，公證信息等通過通常 的消息摘要函數(shù)(比如MD5，SHA1)，HMAC技術(shù)，數(shù)字簽名技術(shù)，公鑰技術(shù)(比如RSA，ECC橢 圓曲線公鑰密碼體制)結(jié)合起來，以起到脆弱型水印防護(hù)的作用。在提取隱藏信息的時候， 如果一旦加入水印的圖像內(nèi)容被篡改，那么通過比較所嵌入的有關(guān)信息內(nèi)容我們可以進(jìn)行 完整性檢測。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了不同安全級別的防護(hù)方案。不通過原圖而只 借助獲取的圖像可以方便的提取版權(quán)基本屬性信息；也可以通過原圖的輔助提取額外的公 證信息，以提供增強(qiáng)型的安全保護(hù)方案，一旦認(rèn)證通過我們可以確信此圖像內(nèi)容通過了完 整性校驗，沒有被篡改；此外我們還可以通過提取的公證信息如時間，公證人，公證機(jī)構(gòu)等， 證明此作品的原始著作權(quán)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種計算機(jī)程序，包括用于執(zhí)行上述水印嵌 入方法/或上述水印提取方法的程序代碼；可以支持不需要原始圖像的信息隱藏、提取方 案；需要原始圖像輔助的能夠提供更多隱藏信息的嵌入、提取方案。根據(jù)上面所述的技術(shù)策 略可以在此基礎(chǔ)之上，把實(shí)際應(yīng)用中所需的屬性信息通過上面所提到的相關(guān)安全函數(shù)加工 后，實(shí)現(xiàn)不同安全級別的防護(hù)方案。本發(fā)明方法的具體內(nèi)容如下一、一次嵌入方法本發(fā)明提供的基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入方法包括第1、圖像分塊先讀取位像文件中的圖像信息，獲得每一個位置上的像素 值。以像素為單位，對原始圖像按照Ii1 · II2，分塊大小進(jìn)行分塊，其中2 < H1, n2 < 10，每一 個分塊可以是正方形，也可以是矩形；第2、確定可以嵌入信息的分塊集合所述的可以嵌入信息的分塊應(yīng)當(dāng)具有如下 的性質(zhì)；第2. 1、黑白像素在這一分塊中的數(shù)目分布均衡，從而在其中進(jìn)行黑白像素翻轉(zhuǎn)不
η, ·η7
會引起太大視覺注意的分塊；即對于一個Ii1 · η2的分塊，分塊重量在附近，取值范圍 是〒+2_ Hl±!h，^ _2+，其中分塊的重量是指分塊中黑色像素
點(diǎn)的數(shù)目，Ll是高斯向下取整函數(shù)；第2. 2、分塊中由黑色像素點(diǎn)導(dǎo)出的圖應(yīng)該是連通的，即任何頂點(diǎn)之間存在路徑相連；第2. 3、可以嵌入信息的分塊在信息隱藏前后具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性，這樣能夠使得 視覺上的失真最??；這里的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性是指在分塊中黑白像素翻轉(zhuǎn)以后，由黑色像素 點(diǎn)衍生出來的圖連通性不變、一筆畫的性質(zhì)不變；第3、構(gòu)造可以嵌入信息的分塊在隱藏信息前，和隱藏信息后分塊的映射對應(yīng)關(guān) 系；也就是我們需要給出符合2. 1-2. 3要求的可以嵌入信息的分塊集合，以及算法來確定 翻轉(zhuǎn)像素的位置；這里每個可嵌入信息分塊中若有一個像素發(fā)生翻轉(zhuǎn)，分塊重量的奇偶性 發(fā)生改變，我們用一個具體分塊的奇偶性來表示此分塊中的隱藏信息；于是我們可以獲得 高效的嵌入隱藏信息的方法；第4、需要嵌入的信息通過編碼轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列，然后在末尾加上預(yù) 先定義的幾個字節(jié)的終止符，獲得準(zhǔn)備嵌入的二進(jìn)制序列bib2. . . bx ；接下來根據(jù)第3步中 可以嵌入信息的分塊集合，在原始圖像中確定備選嵌入信息的分塊，在其中按照某種次序， 順序或者逆序選取1個符合要求的可以嵌入信息的分塊，在每個可以嵌入信息的分塊中嵌 入一個比特；那些不屬于可嵌入信息分塊集合的分塊則跳過去不做處理；這里嵌入的順序 可以是對二進(jìn)制序列bib2... bx的順序嵌入，也可以通過加密變換以后，打亂次序后進(jìn)行嵌 入。第2. 3步所述的在信息隱藏前后具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性的判斷方法是根據(jù)圖論中 Euler關(guān)于格尼斯堡七橋問題的研究結(jié)果和關(guān)于一筆畫問題的結(jié)論，只需要判斷頂點(diǎn)即黑 色像素點(diǎn)的度數(shù)奇偶性，即能夠一筆畫連接圖中所有邊的充要條件是圖中奇頂點(diǎn)的個數(shù)為 0或2，從而可以非常高效的決定翻轉(zhuǎn)黑白像素的合適位置，據(jù)此嵌入隱藏信息后圖像的分 塊具有特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性，從而使得視覺失真很小。所述的頂點(diǎn)即黑色像素點(diǎn)的度數(shù)是指在一個分塊中，如果兩個黑色像素點(diǎn)垂直 相鄰或者水平相鄰，兩個黑色像素點(diǎn)稱為是鄰接的，每一個黑色像素點(diǎn)對應(yīng)一個頂點(diǎn)，兩個 鄰接的黑色像素點(diǎn)設(shè)定一條邊，與該頂點(diǎn)連接的邊的數(shù)目就是該頂點(diǎn)的度數(shù)。第3步所述的隱藏信息前后的映射對應(yīng)關(guān)系是指可以嵌入信息的分塊在隱藏信 息前，和隱藏信息后分塊的映射對應(yīng)關(guān)系；即我們需要給出可以嵌入信息的分塊集合以及 算法來確定翻轉(zhuǎn)像素的位置；設(shè)可以嵌入信息的分塊集合是P，通過像素翻轉(zhuǎn)嵌入信息后 的分塊集合是Q，那么該映射對應(yīng)關(guān)系應(yīng)該滿足β G P，這是為了保證在提取信息的時候， 避免不能區(qū)分分塊是否含有隱藏信息和不屬于可嵌入信息分塊集合的情形。二、二次嵌入方法本發(fā)明在第一次嵌入方法的基礎(chǔ)之上，利用原始分塊圖像中可以存在不止一個可 翻轉(zhuǎn)的像素點(diǎn)，進(jìn)行第二次隱藏信息的嵌入，具體嵌入過程同權(quán)利要求1第1步、第4步；不 同之處在于第二次隱藏信息的嵌入需要原始圖像的輔助；可以嵌入信息的分塊隱藏信息前 后的映射對應(yīng)關(guān)系特點(diǎn)是一個可以嵌入信息的分塊能夠?qū)?yīng)兩個隱藏信息后的分塊，從而 可以嵌入信息的分塊集合，以及確定翻轉(zhuǎn)像素的位置的算法也有所不同；設(shè)第一次嵌入信 息中確定的翻轉(zhuǎn)像素點(diǎn)對應(yīng)變換Ttl，則另外一個符合拓?fù)湫圆蛔円蟮姆D(zhuǎn)像素點(diǎn)對應(yīng)變 換T1，其中Ttl和T1 一個是正向掃描，一個是反向掃描。第二次隱藏信息的具體嵌入過程如下在第二次嵌入時，首先依次比對第一次嵌 入信息后的圖像分塊與對應(yīng)的原始圖像分塊，沒有發(fā)生變化的分塊則跳過去，這里所述的沒有發(fā)生變化的分塊包含不可嵌入信息的分塊以及沒有發(fā)生變化的可嵌入信息分塊；發(fā)生 變化的那些分塊就有了對應(yīng)變換關(guān)系，針對每一個具體分塊，如果對應(yīng)變換是Ttl，當(dāng)嵌入的 信息是0，不做任何變化；當(dāng)嵌入的信息是1，則把Ttl變換對應(yīng)的分塊變成T1變換對應(yīng)的分 塊；如果對應(yīng)變換是T1,當(dāng)嵌入的信息是0，則把T1變換對應(yīng)的分塊變成變換Ttl對應(yīng)的分 塊；當(dāng)嵌入的信息是1，不做任何變化。三、一次嵌入信息的提取方法本發(fā)明提供的按照一次嵌入方法即基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印的嵌入 隱藏信息的提取方法，包括第5、按照權(quán)利要求1所述方法的第1步對圖像進(jìn)行分塊，從中挑選出可能含有隱 藏信息的分塊，即屬于第2步、第3步中定義的可以嵌入信息分塊的集合；那些不是可嵌入 信息的圖像分塊則跳過去；第6、依據(jù)權(quán)利要求1第3步嵌入時的規(guī)則，以第5步所獲分塊集合中的每一個分 塊重量的奇偶性提取信息在嵌入時若定義分塊重量為奇數(shù)表示1，那么提取時，如果分塊 重量為奇數(shù)，則提取1，否則提取0 ；第7、接下來判斷第6步從圖像分塊中所提取的信息即二進(jìn)制比特序列中是否隱 藏有預(yù)先定義的終止符，這樣可以在極大的概率上確信圖像中是否預(yù)先含有隱藏信息；一 旦確信圖像中含有隱藏信息，就可以獲取在終止符之前的有效隱藏信息；最后通過權(quán)利要 求1中第4步相應(yīng)的信息編碼的方式轉(zhuǎn)換變成原始的隱藏信息形式。四、二次嵌入信息的提取方法本發(fā)明對依據(jù)以上所述方法嵌入的第二次隱藏信息的提取方法是，在按照以上所 述方法提取第一次隱藏信息后，通過與原圖的比對，確定那些發(fā)生變化的分塊；然后判斷發(fā) 生的像素翻轉(zhuǎn)是Ttl類型的變換，還是T1類型的變換，從而依次獲得第二次隱藏信息的比特 序列；最后根據(jù)嵌入時轉(zhuǎn)換規(guī)則把比特序列變成原始的隱藏信息形式。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本發(fā)明提出了一種高效的確定翻轉(zhuǎn)黑白像素位置的方案，可以保持信息隱藏前 后圖像分塊誘導(dǎo)出圖的拓?fù)洳蛔冃裕幢ＷC了視覺隱藏效果，同時在一個具體可嵌入信息 分塊中，確定翻轉(zhuǎn)黑白像素位置的算法復(fù)雜度只與此分塊的重量即黑色像素點(diǎn)的數(shù)目線性 相關(guān)，從而提出了一種高效的隱藏算法；2、本發(fā)明提出的信息隱藏、檢測系統(tǒng)具有理想的視覺隱藏效果和理想的信息隱藏 容量，兩者之間可以達(dá)到一個好的平衡；3、本發(fā)明方法即可以提供不需要原圖的盲提?。挥挚梢酝ㄟ^原圖的輔助提供更多 的隱藏信息，同時視覺失真的效果保持在同一水平，即第二次嵌入信息時改變的像素點(diǎn)個 數(shù)與第一次嵌入信息時改變的個數(shù)一樣。4、本發(fā)明還可以對各種形式的二進(jìn)制圖像如書法作品、一些有格式要求的電子文 檔、木版畫、掃描圖像、手寫簽名等進(jìn)行版權(quán)標(biāo)記和完整性檢測；能夠起到一定程度的版權(quán) 保護(hù)、版權(quán)控制、認(rèn)證作用。通過以下結(jié)合


以及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，本 發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。圖1是本發(fā)明中經(jīng)常采用的術(shù)語和記號，以及對于3 X 3分塊的示例，圖Ia是3 X 3 分塊的位置布局示意圖，圖Ib是由圖像分塊導(dǎo)出的圖(包括頂點(diǎn)，邊)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，對二進(jìn)制圖像進(jìn)行水印嵌入處理方法M200的流 程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，對于3X3的分塊，一個像素翻轉(zhuǎn)的視覺效果對 比，圖3a是非一筆畫性質(zhì)所確定的像素翻轉(zhuǎn)變換，圖3b是基于一筆畫性質(zhì)所確定的像素翻 轉(zhuǎn)變換；圖4-1是根據(jù)本發(fā)明生成可以嵌入信息分塊的隱藏鏈的算法1 ；圖4-2是對于3X 3的分塊，根據(jù)算法1生成的分塊隱藏鏈實(shí)例；圖5-1是根據(jù)本發(fā)明生成的可以嵌入信息分塊的集合的算法2 ；圖5-2是對于3X3的分塊，根據(jù)算法2生成的可以嵌入信息分塊的集合實(shí)例；圖6是根據(jù)本發(fā)明對二進(jìn)制圖像進(jìn)行不需要原圖的水印盲提取方法的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，對于3X3的分塊，可以存在兩種翻轉(zhuǎn)像素的方 法，圖7a是示例1 =Ttl是正向掃描對應(yīng)的方法，T1是反向掃描對應(yīng)的方法，圖7b是示例2 ；圖8-1是根據(jù)本發(fā)明的生成可以嵌入信息分塊的集合算法3，使得每一個分塊具 有兩種像素翻轉(zhuǎn)變換；圖8-2是對于3X3的分塊，根據(jù)算法3生成的一個由可以嵌入信息分塊構(gòu)成的二 叉樹實(shí)例；圖9是以27X27的簡易圖像為實(shí)例，分塊大小為3X3，展示第一次嵌入以及第二 次嵌入隱藏信息過程的示意圖；圖10-1是根據(jù)本發(fā)明的不需要原圖的嵌入效果圖，以256X256大小的圖形作為 實(shí)例，表明該發(fā)明具有理想的視覺隱藏效果和信息隱藏容量，圖中1-5是依次隨機(jī)選取的5 副圖像；圖10-2是關(guān)于1-5圖的表格，展示每幅圖的隱藏信息容量，實(shí)際隱藏比特數(shù)，和反映視覺隱藏效果的客觀度量PSNR。圖11-1是根據(jù)本發(fā)明方案實(shí)施的隱藏效果圖，以Lena圖為例，不需要原圖的第一 次嵌入，以及需要原圖的第二次嵌入的加水印效果示例；圖11-2是根據(jù)本發(fā)明方案實(shí)施的隱藏效果圖，兩次分別加水印的圖像與原圖像 的差別示例。圖12是根據(jù)本發(fā)明方案實(shí)施的增強(qiáng)型的安全方案；可以提供一定安全級別的版 權(quán)保護(hù)不需要原圖可以提取版權(quán)基本屬性信息；也可以提供增強(qiáng)型的安全保護(hù)通過原 圖的輔助可以提取額外的公證信息。圖12a是不需要原圖的安全方案，圖12b是通過原圖 輔助的安全方案。圖13是根據(jù)本發(fā)明方案實(shí)施的一個具體的版權(quán)保護(hù)、認(rèn)證的實(shí)例。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
為了方便起見，圖1給出了本發(fā)明中經(jīng)常采用的術(shù)語和記號，以及對于3X3分塊 的示例。在一個分塊中，如果兩個黑色像素點(diǎn)垂直相鄰或者水平相鄰，兩個黑色像素點(diǎn)稱為 是鄰接的。每一個黑色像素點(diǎn)對應(yīng)一個頂點(diǎn)，兩個鄰接的黑色像素點(diǎn)設(shè)定一條邊。頂點(diǎn)的度 數(shù)指的是與該頂點(diǎn)連接的邊的數(shù)目。因此一個分塊就可以對應(yīng)一個圖。邊界指的是與黑色 像素點(diǎn)集合相鄰的白色像素點(diǎn)集合。此外，一個分塊的重量是其中的黑色像素點(diǎn)數(shù)目。對 于一個Ii1Xn2的分塊，我們從左上角開始依次分配一個序號，0，1, ... , Ii1Xn2-I,于是一個
分塊的值是如圖1中所示，該分塊重量是4，邊界是{0，5，6，7}，該分塊的值
/V黑色像素點(diǎn)的位置
是30.很明顯對于3X3的分塊，分塊取W，511] (0至511，包括0，511)的唯一值。注意到 這里分塊值的定義是為了簡便的表示分塊的圖示，對于矩形分塊同樣適用。這里所設(shè)的分 塊大小是為了便于在圖像中隱藏更多的信息。實(shí)施例1 圖2給出了根據(jù)本發(fā)明方法對二進(jìn)制圖像進(jìn)行脆弱水印嵌入處理的一個M200實(shí) 施例的流程圖。如圖2所示，方法M200在步驟S210開始。在步驟S220，從二進(jìn)制圖像不同格式的文件中獲取位圖格式的基本文件(BMP)， 此時每一個像素點(diǎn)有一個比特位表示其黑白信息。我們接下來對該圖像進(jìn)行空間域的劃 分，分成等規(guī)模的小塊。注意這里小塊不必是正方形，可以是大小Sn1Xn2JCrvn2C 10 的矩形。邊上的多余部分我們將不必處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，分塊的大小容易 適用于不只3X3的分塊情形。然后在步驟S230，我們從上面對圖像劃分后的若干小塊中，選取一部分作為符合 要求可以嵌入信息的分塊。這里可以嵌入信息的分塊指的是進(jìn)行黑白像素的翻轉(zhuǎn)以后，在 視覺上不會引起太大的視覺注意。我們這里認(rèn)為如果黑白像素在這一分塊中的數(shù)目分布均 衡，那么在其中進(jìn)行黑白像素翻轉(zhuǎn)不會引起太大視覺注意。即對于一個Ii1 ·η2的分塊，分塊
重量在附近，比如取值范圍是
權(quán)利要求
一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入方法，其特征在于該方法依次包括第1、圖像分塊首先以像素為單位，對原始圖像按照n1·n2分塊大小進(jìn)行分塊，其中2＜n1，n2＜10，每一個分塊可以是正方形，也可以是矩形；第2、確定可以嵌入信息的分塊集合所述的可以嵌入信息的分塊應(yīng)當(dāng)具有如下的性質(zhì)；第2.1、黑白像素在這一分塊中的數(shù)目分布均衡，從而在其中進(jìn)行黑白像素翻轉(zhuǎn)不會引起太大視覺注意的分塊即對于一個n1·n2的分塊，分塊重量在附近，取值范圍是其中分塊重量是指分塊中黑色像素點(diǎn)的數(shù)目，是高斯向下取整函數(shù)；第2.2、分塊中由黑色像素點(diǎn)誘導(dǎo)出的圖應(yīng)該是連通的，即任何頂點(diǎn)之間存在路徑相連；第2.3、可以嵌入信息的分塊在信息隱藏前后具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性，這樣能夠使得視覺上的失真最??；這里的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性是指在分塊中黑白像素翻轉(zhuǎn)以后，由黑色像素點(diǎn)誘導(dǎo)出來的圖連通性不變、一筆畫的性質(zhì)不變；第3、構(gòu)造可以嵌入信息的分塊在隱藏信息前，和隱藏信息后分塊的映射對應(yīng)關(guān)系；也就是我們需要給出符合第2.1 2.3要求的可以嵌入信息的分塊集合，以及算法來確定翻轉(zhuǎn)像素的位置；這里每個可嵌入信息分塊中若有一個像素發(fā)生翻轉(zhuǎn)，分塊重量的奇偶性發(fā)生改變，我們用一個具體分塊的奇偶性來表示此分塊中的隱藏信息；于是我們可以獲得高效的嵌入隱藏信息的方法；第4、需要嵌入的信息通過編碼轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列，然后在末尾加上預(yù)先定義的幾個字節(jié)的終止符，獲得準(zhǔn)備嵌入的二進(jìn)制序列b1b2...bl；接下來根據(jù)第3步中可以嵌入信息的分塊集合，在原始圖像中確定備選嵌入信息的分塊，在其中按照某種次序，順序或者逆序選取l個符合要求的可以嵌入信息的分塊，在每個可以嵌入信息的分塊中嵌入一個比特；那些不屬于可嵌入信息分塊集合的分塊則跳過去不做處理；這里嵌入的順序可以是對二進(jìn)制序列b1b2...bl的順序嵌入，也可以通過加密變換以后，打亂次序后進(jìn)行嵌入。FSA00000212566600011.tif,FSA00000212566600012.tif,FSA00000212566600013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第2.3步所述的在信息隱藏前后具有拓?fù)?結(jié)構(gòu)不變性的判斷方法是根據(jù)圖論中的Euler關(guān)于格尼斯堡七橋問題的研究結(jié)果和關(guān)于 一筆畫問題的結(jié)論，只需要判斷頂點(diǎn)即黑色像素點(diǎn)的度數(shù)奇偶性，即能夠一筆畫連接圖中 所有邊的充要條件是奇頂點(diǎn)的個數(shù)為0或2，從而可以非常高效的決定翻轉(zhuǎn)黑白像素的合 適位置，據(jù)此嵌入隱藏信息后圖像的分塊具有特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性，從而使得視覺失真 很小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的頂點(diǎn)即黑色像素點(diǎn)的度數(shù)是指在 一個分塊中，如果兩個黑色像素點(diǎn)垂直相鄰或者水平相鄰，兩個黑色像素點(diǎn)稱為是鄰接的； 每一個黑色像素點(diǎn)對應(yīng)一個頂點(diǎn)，兩個鄰接的黑色像素點(diǎn)設(shè)定一條邊，與該頂點(diǎn)連接的邊 的數(shù)目就是該頂點(diǎn)的度數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于第3步所述的隱藏信息前后的映射對應(yīng)關(guān)系是指可以嵌入信息的分塊在隱藏信息前，和隱藏信息后分塊的映射對應(yīng)關(guān)系；映射對應(yīng)關(guān)系可以公開，也就是可以嵌入信息的分塊的集合以及確定翻轉(zhuǎn)像素的位置 的算法可以公布出去；設(shè)可以嵌入信息的分塊集合是P，通過像素翻轉(zhuǎn)嵌入信息后的分塊 集合是Q，那么該映射對應(yīng)關(guān)系應(yīng)該滿足0 ￡ ^p，這是為了保證在提取信息的時候，避免不 能區(qū)分分塊是否含有隱藏信息和不屬于可嵌入信息分塊集合的情形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在第一次嵌入方法的基礎(chǔ)之上，利用原始 分塊圖像中可以存在不止一個可翻轉(zhuǎn)的像素點(diǎn)，進(jìn)行第二次隱藏信息的嵌入，具體嵌入過 程同權(quán)利要求1第1步、第4步；不同之處在于第二次隱藏信息的嵌入需要原始圖像的輔 助；可以嵌入信息的分塊隱藏信息前后的映射對應(yīng)關(guān)系特點(diǎn)是一個可以嵌入信息的分塊能 夠?qū)?yīng)兩個隱藏信息后的分塊，從而可以嵌入信息的分塊集合，以及確定翻轉(zhuǎn)像素的位置 的算法也有所不同；設(shè)第一次嵌入信息中確定的翻轉(zhuǎn)像素點(diǎn)對應(yīng)變換Ttl，則另外一個符合 拓?fù)湫圆蛔円蟮姆D(zhuǎn)像素點(diǎn)對應(yīng)變換T1，其中Ttl和T1 一個是正向掃描，一個是反向掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于第二次隱藏信息的具體嵌入過程如下在 第二次嵌入時，首先依次比對第一次嵌入信息后的圖像分塊與對應(yīng)的原始圖像分塊，沒有 發(fā)生變化的分塊則跳過去，這里所述的沒有發(fā)生變化的分塊包含不可嵌入信息的分塊以及 沒有發(fā)生變化的可嵌入信息分塊；發(fā)生變化的那些分塊就有了對應(yīng)變換關(guān)系，針對每一個 具體分塊，如果對應(yīng)變換是Ttl，當(dāng)嵌入的信息是0，不做任何變化；當(dāng)嵌入的信息是1，則把Ttl 變換對應(yīng)的分塊變成T1變換對應(yīng)的分塊；如果對應(yīng)變換是T1,當(dāng)嵌入的信息是0，則把T1變 換對應(yīng)的分塊變成Ttl變換對應(yīng)的分塊；當(dāng)嵌入的信息是1，不做任何變化。
7.一種按照權(quán)利要求1所述方法嵌入的基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印的提取 方法，其特征在于該方法包括第5、按照權(quán)利要求1所述方法的第1步對圖像進(jìn)行分塊，從中挑選出可能含有隱藏信 息的分塊，即屬于第2步、第3步中定義的可以嵌入信息分塊的集合；那些不是可嵌入信息 的圖像分塊則跳過去；第6、依據(jù)權(quán)利要求1第3步嵌入時的規(guī)則，以第5步所獲分塊集合中的每一個分塊重 量的奇偶性提取信息在嵌入時若定義分塊重量為奇數(shù)表示1，那么提取時，如果分塊重量 為奇數(shù)，則提取1，否則提取0;第7、接下來判斷第6步從圖像分塊中所提取的信息即二進(jìn)制比特序列中是否隱藏有 預(yù)先定義的終止符，這樣可以在極大的概率上確信圖像中是否預(yù)先含有隱藏信息；一旦確 信圖像中含有隱藏信息，就可以獲取在終止符之前的有效隱藏信息；最后通過權(quán)利要求1 中第4步相應(yīng)的信息編碼的方式轉(zhuǎn)換變成原始的隱藏信息形式。
8.一種對依據(jù)權(quán)利要求5或6所述方法嵌入的第二次隱藏信息的提取方法，其特征在 于，在按照權(quán)利要求7所述方法提取第一次隱藏信息后，通過與原圖的比對，確定那些發(fā)生 變化的分塊；然后對于每個具體發(fā)生變化的分塊，判斷其中像素翻轉(zhuǎn)是Ttl類型的變換，還是 T1類型的變換，從而依次獲得第二次隱藏信息的比特序列；最后根據(jù)嵌入時轉(zhuǎn)換規(guī)則把比 特序列變成原始的隱藏信息形式。
全文摘要
一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像脆弱水印嵌入與提取方法；通過對原始圖像分塊，然后選取那些可以嵌入信息的隱藏分塊；通過基于圖形拓?fù)鋵W(xué)原理的隱藏方法來翻轉(zhuǎn)白色(或黑色)像素點(diǎn)，向相應(yīng)塊中嵌入需要的隱藏信息。本發(fā)明能快速嵌入、提取隱藏信息；具有理想的隱藏信息容量和視覺隱藏效果。本發(fā)明即可進(jìn)行盲提取，也可保證視覺失真效果在相同級別的情形下，通過原圖輔助提供更多的嵌入隱藏信息容量。本發(fā)明還可提供一定安全級別的版權(quán)保護(hù)；也可提供增強(qiáng)型的安全保護(hù)。利用本發(fā)明，可以對各種形式的二進(jìn)制圖像如書法作品、木版畫、掃描圖像、手寫簽名等進(jìn)行版權(quán)標(biāo)記和完整性檢測；能夠起到一定程度的版權(quán)保護(hù)、版權(quán)控制、認(rèn)證作用。
文檔編號G06T1/00GK101976428SQ20101024156
公開日2011年2月16日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者蘇明, 高鐵牛 申請人:南開大學(xué)