[發明專利]基于奇異值分解和主成分分析的圖像水印嵌入與提取方法

有效

• 申請號: 201510057217.0
• 申請日: 2015-02-04
• 公開（公告）號: CN104599225B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 孫林;閆娟;申長安;劉國奇;王振華;徐久成;袁培燕;張恩;宋黎明;董婉
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種信息安全領域中的數字圖像水印技術，尤其是涉及一種基于奇異值分解和主成分分析的圖像水印嵌入與提取方法。

背景技術

數字圖像水印技術作為傳統加密方法的有效補充手段，利用數據嵌入方法隱藏在數字圖像產品中，用以證明創作者對其作品的所有權，并作為鑒定、起訴非法侵權的依據，同時通過對水印的檢測和分析保證數字信息的完整可靠性，從而成為知識產權保護和數字多媒體防偽的有效手段，近年來引起了人們的高度重視，也已成為國際學術界研究的一個熱點。圖像水印要發揮應有的作用，必須具備魯棒性和不可覺察性兩個基本要素。水印魯棒性是指數字媒體在經過常規的信號處理或者外來攻擊之后，嵌入的圖像水印仍然具有較好的可檢測性。水印不可覺察性是指水印的嵌入不能影響到原始數字媒體的視覺質量。

圖像水印按用途可分為版權保護水印、票據防偽水印、篡改提示水印和隱藏標識水印；按提取過程可分為盲水印和明文水??；按攻擊能力可分為魯棒性水印和脆弱性水印，其中魯棒性水印主要應用于數字作品版權保護，脆弱性水印要求對信號改動敏感，主要應用于完整性保護。根據水印嵌入位置可以將圖像水印算法分為兩類：基于變換域算法和基于空間域算法。隨著JPEG壓縮和JPEG2000的廣泛使用，到目前為止，已經提出許多基于變換域的水印算法。根據所采用變換的不同，變換域水印算法可以分為如下幾類：基于DCT變換的圖像水印算法、基于小波變換的圖像水印算法、基于DFT變換的魯棒性水印算法。但是這些算法比較復雜，需要考慮復雜的空間頻域變換過程，效率低，可嵌入信息量較少?？臻g域圖像水印技術因其算法簡單、速度快的優點而成為新的研究熱點，它通過直接修改原始圖像的像素值來達到嵌入水印的目的，但目前經典的空間域水印算法很容易受到圖像壓縮轉換等常規圖像處理技術的干擾，在對圖像進行幾何旋轉、壓縮等基本處理后，基本上已經無法對水印進行正確的提取，實驗仿真結果表明經典空間域水印算法的抗攻擊性不強、魯棒性較低。但是隨著主成分分析方法的引入，在水印的嵌入和檢測過程可以充分利用圖像中的一些自然特征，這樣可以使得空間域的水印嵌入和檢測魯棒性得到一定的提高。雖然主成分分析和各種圖像變換的結合針對具體水印的嵌入與提取都有較好的表現，但是仍然存在許多問題。例如像基于主成分分析的圖像水印方法等一般不可感知性很差，抗剪切和抗旋轉的能力也很差，水印的保密性也存在一定的隱患；像基于空間頻域變換的嵌入與提取方法一般計算復雜度較高，抵抗攻擊能力還有待加強等。概括起來仍存在如下一些問題：①基于空間域的主成分分析方法嵌入水印的位置一般都很確定，顯然，這種特點存在著易被攻擊和破解的局限性，數字媒體產品受到某一種或幾種聯合攻擊后，會增加圖像水印的提取難度；當密鑰被破解時，非法用戶就可以刪除或篡改產品中嵌入的實際圖像水印，使其重新回到無版權保護的狀態，這將嚴重侵害版權所有者等各方面的利益。②目前提出的主成分分析方案基本上都是引用標準的主成分分析理論，水印嵌入的強度較小，僅有百分之一左右，如果再增加水印強度，圖像的質量就會下降，不可感知性差。③水印系統的魯棒性是評估水印系統承載常規處理能力的標準，這對于水印極為重要；現有數字圖像水印檢測方法將注意力放在對抗常規信號處理(如有損壓縮、低通濾波、噪聲干擾等)的研究上，而諸如旋轉、縮放、平移、行列去除、剪切等幾何攻擊的抵抗效果不是很好；主成分分析與變換域相結合，雖然可以有效提高水印檢測的魯棒性，但這些算法對剪切、旋轉等攻擊的魯棒性還存在一些不足。劉小鳳撰寫的《基于主成分分析的圖像數字水印算法的研究》(中南林業科技大學碩士學位論文，2010)提出了基于主成分分析的數字圖像水印技術，通過對圖像塊的像素點進行主成分分析，然后將水印信息嵌入到主成分的得分系數中，但是此類算法對旋轉攻擊比較敏感，只能抵抗輕微的旋轉攻擊，水印的魯棒性也很差。Imran M.和Ghafoor A.撰寫的文獻《A PCA-DWT-SVD based color image watermarking》(2012 IEEE International Conference on Systems，Man，and Cybernetics，2012，1147-1152)提出了一種基于PCA-DWT-SVD彩色圖像水印方案，其通過主成分分析來分析不關聯彩色圖像的R、G和B信道，然后將水印圖像嵌入到信道的離散小波分解后的奇異值中；PCA變換后，各主成分不相關，經過反變換重構信號，不會造成誤差累積，但是這些主成分并不獨立，存在高階冗余信息，且需要經過多次變換，計算量大，產生誤差的不可控因素增加。

發明內容