[发明专利]脊波变换与DCT变换相结合的图像水印嵌入和提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字图像水印技术，具体说，涉及一种脊波变换与DCT相结合的图像水印嵌入和提取方法。

背景技术

随着我国文化创意产业的快速发展，知识产权保护已成为发展文化创意产业的重要保障。创意产业是以版权为基础衍生发展而形成的产业，创意产业的核心是版权，因此只有做好版权保护才能促进创意产业在中国的腾飞。

每年全球有大量数字信息被侵权盗版，盗版使得数字信息的真实性、完整性受到严重威胁。如果这些信息涉及到政府机要、司法诉讼、医疗记录、电子商务等具有特殊意义应用场合，将会造成巨大的经济损失及严重的社会后果。因此，迫切需要一种新的技术来保护数字产品的版权、真实性和完整性。

数字水印技术已应用到版权保护领域，它将版权所有者的唯一标识嵌入到数字作品中，利用数据隐藏原理使版权标识不可见或不可听，从而既不损害原作品，又达到了版权保护的目的，同时它还可以检测到数据的伪造以及篡改。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来说，水印技术必须具有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的可逆性。

鲁棒性是数字水印技术的一个重要特性，实现版权保护要求数字水印有很高的鲁棒性，鲁棒性保证了当数字信息收到有意或者无意的处理或者攻击时，仍能够通过检测提取到确认版权的水印信息。

脆弱性是数字水印在数字信息完整保护中用到的特性，如果数字信息是一些具有特殊意义的信息，当遭到恶意攻击和篡改伪造时就需要具有良好脆弱性的数字水印验证数字数据的完整性，验证数字数据的真伪，确定数字数据被篡改的位置，避免不必要的损失。

现在绝大多数数字水印算法在功能上是单一的。鲁棒性水印算法对篡改操作不够敏感，篡改检测和定位能力差，很难实现内容认证；脆弱性水印算法不具备抵抗攻击的能力；半脆弱性水印算法很难做到同时具备良好的鲁棒性和敏感的脆弱性。

近年来也有一些研究者提出了在图像中同时嵌入鲁棒性水印和脆弱性水印的双水印方法。但普遍存在不可见性差或不抗JPEG压缩等缺陷。

现有的数字图像水印算法可分为两类：空域法和变换域法。空域法是通过直接改变图像的某些像素的灰度值来加入水印，而变换域法是先对图像作某种变换，然后通过改变某些系数来嵌入水印。

空域法直接修改图像的像素，特点是算法简单、计算复杂度低，但鲁棒性较差，典型的有：最低有效位法（Least Significant Bit，LSB）算法、patchwork算法等。

变换域法的优点是：变换域中嵌入的水印信号能量可分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性；在变换域中，可以更方便地将人类视觉系统（HVS）的某些特性结合到水印算法中；变换域方法可与现有的图像压缩方法兼容，从而实现压缩图像的水印嵌入。

主流的变换域有DCT（离散余弦变换）变换域和DWT（离散小波变换）变换域。目前主要的方法包括基于DCT的数字水印方法、基于DWT的数字水印方法，以及DWT与DCT结合的数字水印方法。

DCT是数字图像处理以及信号处理常用的一种正交变换，是一种特殊的傅里叶变换。DCT图像水印对压缩、滤波具有很强的稳健性，具有压缩比高、误码率小、信息集中能力和计算复杂性综合效果较好等优点，但DCT是从图像空间到频率空间的全局变换而非局部变换，没有保留原图像块的精细结构，从中反映不了原图像块的边缘、轮廓等信息，不能很好地解决突变信号的问题。

DWT是空间和频率的局部变换，在时域和频域均能做到局部化。DWT将水印信号嵌入到小波变换后的数字图像的低频带或高频带系数上时，不仅考虑了对DWT变换系数进行加性、乘性、量化、替换，有时还考虑到人类视觉系统的一些特性，如视觉掩蔽特性、频率敏感性、亮度敏感性等，有利于提高水印的鲁棒性，但在DWT域嵌入水印，抵抗几何形变攻击能力较弱。而对于DWT的二维小波，虽然可以有效处理分离的、不连续的边缘点，但却不能处理光滑的边缘轮廓线，且小波变换只能获得有限的方向信息。因此，在表示图像的边缘轮廓线时，小波变换存在不足，没有考虑现状奇异性的问题。

脊波变换是在Radon域上的小波变换基础上形成的，即线状奇异性的脊波分析可用点状奇异性的小波分析来完成，而小波能很好地处理点状的奇异性，和DWT相比，脊波变换一方面能更完整地保留图像的线性边缘和纹理；另一方面，脊波变换在保留小波变换空/频局部性等重要性质的同时，其多通道分解比小波变换更加匹配人类视觉系统的多通道结构。脊波变换相对于小波变换具有很好的方向识别性。