專利名稱：一種基于三維小波變換在體數(shù)據(jù)中嵌入多水印的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于三維小波變換(DWT)和三維余弦變換(DCT)，在體數(shù)據(jù)中嵌 入多重數(shù)字水印技術，是一種多媒體數(shù)據(jù)保護方法，屬于多媒體信號處理領域。
背景技術：
隨著數(shù)字技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，各種數(shù)字媒體如文本、圖像、聲音、視頻 等都可以通過互聯(lián)網(wǎng)快速方便地進行傳輸，信息化給人們的生活帶了極大的方便；但同時 這也使得這些信息的篡改和盜版等變得非常容易。數(shù)字水印是實現(xiàn)對數(shù)字作品版權保護的有效手段。因此，該技術成為多媒體信息 安全領域的一個研究熱點。但多數(shù)研究方向是在圖像、音頻數(shù)字水印。目前在數(shù)字水印研究領域中，如何在體數(shù)據(jù)中嵌入水印的問題，研究較少，因為醫(yī) 學圖像(CT、MRI等)大部分是體數(shù)據(jù)，這些體數(shù)據(jù)，原則上是不容許修改其內(nèi)容的，另外，下 一代圖像壓縮標準JPEG2000是基于小波變換的，因此對于基于三維DWT、DCT，在體數(shù)據(jù)中 嵌入多重水印的工作有較大意義，并且要求嵌入的多水印有較強的魯棒性，其實現(xiàn)難度較 大，目前尚未見報道，尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于三維小波變換在體數(shù)據(jù)中嵌入多水印的方法，并且 該水印算法具有較強的魯棒性，既能抗擊幾何攻擊又能抗常規(guī)攻擊，而且水印的嵌入不影 響原始體數(shù)據(jù)，是一種零水印方式。從而較好的保護了三維體數(shù)據(jù)的版權。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣進行的先對體數(shù)據(jù)進行三維小波變換，得到 “近似系數(shù)”和“細節(jié)系數(shù)”，這類似二維圖像的小波變換，“近似系數(shù)”代表體數(shù)據(jù)的低頻特 性，反映的是體數(shù)據(jù)的主要輪廓；“細節(jié)系數(shù)”代表體數(shù)據(jù)的高頻特性反映的是體數(shù)據(jù)的高 頻信息。由于小波變換本身的抗幾何攻擊能力較差，為此，我們先對體數(shù)據(jù)進行三維小波變 換(DWT)，然后再對反映低頻特性的“近似系數(shù)”再進行全局余弦變換(DCT)，在DCT系數(shù)中， 提取一個抗幾何攻擊的特征向量，并將水印技術與密碼學中的Hash函數(shù)和“第三方概念” 有機結合起來，實現(xiàn)了基于三維小波變換，抗幾何攻擊多重數(shù)字水印的嵌入。本發(fā)明所采用 的方法包括水印嵌入和水印提取兩大部分，第一部分為水印嵌入，包括(1)通過對體數(shù)據(jù) 進行三維小波變換，然后對近似系數(shù)進行全局DCT變換，得到一個抗幾何攻擊的特征向量 V(j), (2)根據(jù)要嵌入的多重水印Wk(j)，k= 1，2，...，n;n表示嵌入的水印個數(shù)，和在體數(shù) 據(jù)中提取的特征向量V(j)，通過Hash函數(shù)運算，生成二值邏輯序列Keyk(j)，然后將二值邏 輯序列Keyk(j)存在第三方；第二部分為多重水印的提取，包括C3)求出待測體數(shù)據(jù)的抗 幾何攻擊的特征向量V’ (j)，(4)利用已存在第三方的二值邏輯序列Keyk(j)和待測體數(shù)據(jù) 的特征向量V’ (j)，提取出多重水印Wk’(j)?，F(xiàn)對本發(fā)明的方法進行詳細說明如下第一部分多重水印的嵌入
首先用Wk(j)表示要嵌入的多重水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1；1^ j^L, 1 ^ k ^ η}, L代表要嵌入的一個水印長度，η為嵌入水印的個數(shù)。原始體數(shù)據(jù)記為F = {f(i，j，k) |f(i，j，k) e R;1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡 N，1 彡 k彡P)}，其中，f(i，j，k)表示體數(shù) 據(jù)的體素(Voxel)數(shù)據(jù)值，類似二維圖像中的圖像的像素灰度值，設N = M(設切片的長寬 一樣)，多重水印的嵌入步驟如下1)通過對原始體數(shù)據(jù)進行三維小波變換，然后對“近似系數(shù)”再進行全局DCT變 換，在DCT的低中頻系數(shù)中，得到該體數(shù)據(jù)的一個抗幾何攻擊的特征向量V(j)； 先對原始體數(shù)據(jù)F (i，j，k)進行三維DWT小波變換，得到系數(shù)矩陣ca_cd (i，j，k)， 再對其中的“近似系數(shù)” ca(i，j, k)進行全局DCT變換，得到系數(shù)矩陣DF(i，j, k)中，取出 前L個值，并通過對DF(i，j, k)系數(shù)進行符號運算得到該體數(shù)據(jù)的特征向量V(j)，當系數(shù) 值為“正”時我們用“1”表示(含“0”的情況)，系數(shù)為負時“0”表示(原因見下部分)，主 要過程程序描述如下ca_cd (i，j，k) = DWT3 (F (i，j，k)) ； %對體數(shù)據(jù)進行三維小波變換DF(i，j,k) = DCT3(ca(i, j,k)) ； %對近似系數(shù)進行全局余弦變換V(j) = Sign(DF(i, j, k)) ； %求出一個特征向量2)根據(jù)要嵌入的多重水印Wk(j)和已提取的體數(shù)據(jù)的特征向量V(j)，利用Hash函 數(shù)特性，生成二值邏輯序列Keyk (j)Keyk(j)=V(i) Wk(j);k = 1,2, ... ,ηKeyk(J)是由體數(shù)據(jù)的特征向量V(j)和要嵌入的多水印Wk(j)，通過密碼學常用的 Hash函數(shù)生成。保存Keyk(j)，在以后提取水印時需用。通過將Keyk(j)作為密鑰向第三方 申請，以獲得原作品的所有權，達到版權保護的目的。第二部分多重水印的提取3)求出待測體數(shù)據(jù)的特征向量V’ (j)設待測體數(shù)據(jù)為F’(i，j，k)，經(jīng)過小波變換(DWT)，和對其近似系數(shù)進行的全局余 弦變換(DCT)，得到系數(shù)矩陣DF’(i，j, k)，按上述步驟1)的方法，求得待測體數(shù)據(jù)的特征 向量V’ (j)，主要步驟描程序描述如下ca_cd，(i，j，k) = DWT3(F' (i, j,k)) ； %對待測體數(shù)據(jù)進行三維小波變換DF，(i, j,k) = DCT3(ca' (i, j,k)) ； %對近似系數(shù)進行全局余弦變換ψ (j) = Sign(DF’(i，j, k)) ； %求出一個特征向量4)在待測體數(shù)據(jù)中提取出水印Wk’ (j)根據(jù)存在第三方的在嵌入水印時生成的Keyk(j)和待測體數(shù)據(jù)的特征向量V’ (j)， 利用Hash函數(shù)性質可以提取出待測圖像的多重水印Wk’ (j)。Wk,(j)=Keyk Q) Θ V'(j)再根據(jù)Wk(j)和Wk’ (j)的相關程度來判別待測圖像的所有者。本發(fā)明有以下優(yōu)點首先由于本發(fā)明是基于三維DWT、三維DCT的數(shù)字水印技術，DffT是下一代圖像壓 縮技術JPEG2000的核心，DCT是現(xiàn)在最流行圖像壓縮JPEG的核心，因此，該算法現(xiàn)在和將 來的壓縮軟件都有較好的兼容性，并且多重水印的嵌入和提取是在頻域中進行，通過后面的實驗數(shù)據(jù)證實，該水印不僅有較強的抗常規(guī)攻擊能力，而且有較強的抗幾何攻擊能力；其 次，嵌入的多重水印不影響原始體數(shù)據(jù)的內(nèi)容，是一種零水印技術。這個特性尤其是在醫(yī)療 圖像等方面具有較大的實用價值，使用范圍廣。以下我們從理論基礎和實驗數(shù)據(jù)說明1)三維離散小波變換(DWT)三維小波變換的一層分解過程如

圖1所示，圖1中的L、H分別表示序列經(jīng)過低頻 和高頻濾波之后得到的低頻成分和高頻成分，與二維圖像的小波變換類似，體數(shù)據(jù)經(jīng)過三 維小波變換后，被分解成一個代表體數(shù)據(jù)低頻特性的“近似系數(shù)” LLL1 (低頻三維子帶)，和 該體數(shù)據(jù)的高頻信息的“細節(jié)系數(shù)”(高頻三維子帶)，下標“1”表示是三維DWT的第一層 分解；一個體數(shù)據(jù)的三維小波變換(兩層)的例子見圖2，圖2(a)為體數(shù)據(jù)的一個切片，圖 2(b)為體數(shù)據(jù)的三維成像，圖2(c)為體數(shù)據(jù)的三維小波變換(兩層)。2)體數(shù)據(jù)的抗幾何攻擊的特征向量V(j)提取目前大部分水印算法抗幾何攻擊能力差的主要原因是人們將數(shù)字水印嵌入在體 素或變換系數(shù)中，體數(shù)據(jù)的輕微幾何變換，常常導致體素數(shù)據(jù)值或變換系數(shù)值的較大變化。 這樣嵌入在體數(shù)據(jù)中的水印便被輕易攻擊。如果能夠找到一個反映體數(shù)據(jù)幾何特點的特征 向量，并且當體數(shù)據(jù)發(fā)生小的幾何變換時，該特征向量值不會發(fā)生明顯的突變，而把要嵌入 的多重水印和該特征向量相關聯(lián)，就可以較好的解決水印的魯棒性問題。小波變換沒有抗 擊幾何攻擊的能力，通過實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)將體數(shù)據(jù)的三維小波變換和三維余弦變換相結合， 可以找到一個抗幾何攻擊的特征向量，當對一個體數(shù)據(jù)進行常見的幾何變換時(通過對每 個切片進行幾何變換來實現(xiàn))，三維DCT低中頻系數(shù)值的大小可能發(fā)生一些變化，但其系數(shù) 符號基本保持不變，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的這么一個規(guī)律，我們先對體數(shù)據(jù)進行三維小波變換(這里 選用二層)，然后對其近似系數(shù)再進行全局DCT變換，我們通過表1的一些實驗數(shù)據(jù)來說 明。表1中用作測試的原圖是圖5(a)，是matlab中自帶的一個MRI體數(shù)據(jù)的一個切片(取 第十個)，表1中“第1列”顯示的是體數(shù)據(jù)受到攻擊的類型，受到常規(guī)攻擊后的該切片圖 像見圖4(b)-(d)，常規(guī)攻擊對應的三維成像見圖5(e)-(h)；受到幾何攻擊后的切片圖像見 0 4(a)-(d)，其對應的三維成像見圖4(e)-(h)。表1的“第2列，，到“第9列”，這是三維 DWT-DCT系數(shù)矩陣中取的DF(1，1，1)-DF(1，2，4)八個低中頻系數(shù)。對于常規(guī)攻擊，這些低中 頻系數(shù)值DF(1，1，1)-DF(1，2，4)基本保持不變(第一列代表直流部分，大小變化稍大)，和 原體數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)值近似相等；對于幾何攻擊，大部分系數(shù)有較大變化，但是從表1中可 以發(fā)現(xiàn)，大部分DWT-DCT低中頻系數(shù)的大小發(fā)生了變化但其符號基本沒有發(fā)生變化。我們 將正的DWT-DCT系數(shù)用，，1”表示(含值為零的系數(shù))，負的系數(shù)用” 0”表示，那么對于原始 體數(shù)據(jù)圖來說，三維DWT-DCT系數(shù)矩陣中的DF(1，1，1)-DF(1，2，4)系數(shù)，對應的系數(shù)符號序 列為” 1110 0011”，具體見表1的第10列，我們觀察該列可以發(fā)現(xiàn)，無論常規(guī)攻擊還是幾 何攻擊該符號序列和原始體數(shù)據(jù)的保持相似，與原始體數(shù)據(jù)對應的符號序列的歸一化相關 系數(shù)都較大(見表1 “第12列”)，(方便起見這里取了 8個三維DWT-DCT系數(shù)符號)。表1三維DWT-DCT低頻部分系數(shù)及受不同攻擊后的變化值
權利要求
1. 一種基于三維小波變換在體數(shù)據(jù)中嵌入多水印的方法，其特征在于基于三維小波 變換及抗幾何攻擊的特征向量的提取，將水印技術、密碼學中的Hash函數(shù)特性和“第三方” 概念有機結合起來，實現(xiàn)了基于三維小波變換在體數(shù)據(jù)中嵌入多重數(shù)字水印，該方法共分 兩個部分，共計四個步驟第一部分是多重水印嵌入通過對多重水印的嵌入操作，得到相應的二值邏輯序列 Keyk(J)；1)對原始體數(shù)據(jù)進行三維小波變換，再對近似系數(shù)進行三維全局余弦變換，在余弦 變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號序列來得到該體數(shù)據(jù)的一個抗幾何攻擊的特征向量 V(J)；2)利用Hash函數(shù)和要嵌入的多重水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值邏輯序列Keyk(J),Keyk (j)=VG) WkG);保存Keyk(j)，下面提取水印時要用到，通過把Keyk(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得 對原體數(shù)據(jù)的所有權；第二部分是多重水印提取通過二值邏輯序列Keyk(j)和待測體數(shù)據(jù)的抗幾何攻擊的 特征向量V，(j)，提取出多重水印Wk’ (j)；3)對“待測體數(shù)據(jù)”進行三維小波變換和對近似系數(shù)進行全局DCT變換；在變換系數(shù) 中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號提取出“待測體數(shù)據(jù)”的一個抗幾何攻擊的特征向量V’ (j)；4)利用Hash函數(shù)性質，和存在第三方的Keyk(j)，提取出水印，Wk’(j)=KeykG) V’⑴；將wk(j)和wk’ (j)進行歸一化相關系數(shù)計算，來確定“待測體數(shù)據(jù)”的所有權。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維小波變換在體數(shù)據(jù)中嵌入多水印的方法，屬于多媒體信號處理領域。本發(fā)明的步驟是先進行水印的嵌入，包括(1)對原始體數(shù)據(jù)進行三維小波變換、全局余弦變換，在變換系數(shù)中提取一個抗幾何攻擊的特征向量；(2)利用該特征向量和要嵌入的多水印通過Hash函數(shù)得到相應的二值邏輯序列，并將該二值序列存于第三方。然后進行多水印提取，包括(3)對“待測體數(shù)據(jù)”進行三維小波變換、全局余弦變換，在變換域提取該對象的特征向量；(4)利用Hash函數(shù)特性和存在第三方的二值邏輯序列提取多水印。本發(fā)明是基于三維小波變換的體數(shù)據(jù)多水印嵌入技術，實驗證明該算法有較強的抗幾何和常規(guī)攻擊能力。
文檔編號G06T1/00GK102136125SQ20111005670
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權日2011年2月28日
發(fā)明者李京兵, 杜文才 申請人:海南大學