专利名称：应用二维码实现鲁棒数字水印的方法
技术领域：
该发明方法所属技术领域为数字图像处理、计算机应用、计算机安全等领域。
背景技术：
根据水印提取的过程是否需要原始图像，数字水印分为盲水印和非盲水印。盲水 印在提取过程中不需要原始图像的参与，而非盲水印在检测的过程中需要原始图像的参与。早期盲水印的实现主要是基于空域的实现，该类实现鲁棒性较差，不能抵抗攻击。 Hsieh提出了一种基于DCT域的盲水印算法，该算法对于大部分的攻击均具有较高的鲁棒 性，但是对于JPEG压缩的鲁棒性较差。Fuentes提出的基于ICA的盲水印算法，具有较高的 鲁棒性，但是该算法比较复杂，需要产生较复杂的密钥信息，实现起来有一定的难度。Huang 等提出了一种基于遗传算法的盲水印算法，该算法较好地实现了盲提取，但算法的运算量 较大，效率较低。本发明方法主要应用了 QR二维码技术(Quick Response Code)和提升小波技术。QR码除了具有一维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可显示汉字和图像等多 种文字信息、保密性高等特点外，还具有超高速识读、全方位识读、纠错能力强等特点。在识 别的过程中，即使有50%的图像发生污损仍然可以很好地恢复原始图像。因此，将QR码应 用于数字水印领域，可以很好地增强水印的鲁棒性。提升小波是由第一代小波变换的提升来实现的。提升小波既有第一代小波的优 点，又克服了它的局限性。它运算速度快、允许完全原位计算，并且其逆变换是正变换的反 运算。因此应用提升小波进行变换，可以很好地恢复原始图像。提升小波的正向提升过程分为三个过程分裂、预测和修正。首先假设已知需要处 理的序列集为人。，具体实现过程为
1)分裂。将、分解为人—和两个子集。
2)预测。用和其预测值P(入J之间的差值来表示，即
Y-, = Y-「PU-i)3)修正。用来更新，即，入厂入洲“)重复迭代上述算法，即完成提升小波变换。提升小波有良好的可逆性。一旦完成前 向变换，即可快速得到逆向提升小波变换，与前向操作的唯一不同就是加号与减号的区别。
发明内容
本发明方法在嵌入水印时，首先对需要版权保护的图像进行提升小波变换，然后 对水印图像进行QR码编码处理，再对得到的QR码图像进行混沌处理以提高算法的安全性， 最后将经过QR码编码、混沌处理的水印信息通过元胞自动机处理嵌入到原始图像的提升 小波逼近子图中。水印提取时，对经过上述处理后的图像应用元胞自动机、混沌系统、QR码
3解码得到原始水印信息。该实现方法具有较高的鲁棒性，能够抵抗剪切、修改、噪声等攻击。 该实现方法能够广泛应用于版权保护领域，具有一定的实用价值。
附图为Moore型元胞自动机示意图
具体实施例方式该水印方法的实现过程分为水印嵌入过程和提取过程两个步骤，在具体实现中需 要实现盲水印，并对数字水印的安全性作出处理，具体实施方式
如下。1盲水印的实现元胞自动机(cellular automata，也称细胞自动机)是一组具有一定状态的元胞 单元组成的阵列。元胞自动机由元胞、元胞状态集合、邻居和局部规则组成。在每一个时刻， 每个元胞在局部规则和邻居元胞状态的共同作用下产生新的状态，作为下一时刻的元胞状 态的更新值。本文提出的实现方法采用Moore型元胞自动机来实现盲水印。这种模型中一个元 胞的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下相邻八个元胞为该元胞的邻居。通过修改原始图 像中特定点的像素值来实现盲提取，特定点的像素值由其邻居点像素值及水印图像中对应 点的像素值共同决定。嵌入水印时，计算附图中A、B、C、D、F、G、H、I等8个点的像素值的平均值EE，然后
将该值与水印图像中对应点的像素值进行线性运算得到一个新的值EN，如下所示ENj = EEi+ a将原始图像中E点像素值赋值为EN，即得到含有水印信息的载体图像。提取水印时，首先计算E点周围8个点的像素均值EE*，然后将此均值与E点的实 际像素值EN*进行线性运算得到水印信息，如下ffi = (EN*-EE*) / a2安全性的实现在具体实现中，采用了混沌系统以保证嵌入信息的安全性。被广为应用的混沌是 Logistic混沌系统，它的改进形式为x +1 =l-2x2n x e[-l，l]它对初值极为敏感，初始值稍微不同，就会出现完全不同的结果。本文提出的盲水 印采用该序列对QR码图像进行置乱排序。用混沌系统产生一个长度为n (此处n为需要置乱的水印数列长度)的数列CI，将 该数列进行排序，从而得到一个升序数列CIS。通过计算数列CIS中的每个数据在数列CI 中的下标，得到一个数列I。应用公式为I(i) = FI(CIS(i))，(1 彡 i 彡 n)式中，函数FI (parameter)的功能为找出参数parameter在数列CI中的下标。嵌入水印信息时，先将水印信息数列W按照数列I进行置乱排序得到数列W0，应用 公式为W0(i) = ff(I(i)), (1 ^ i ^ n)
然后，将W0嵌入到载体图像中。提取水印信息时，在含水印图像中提取水印信息数列W(f，然后将W(f进行逆置乱， 应用的公式为W*(I(i)) = W0*(i), (1 ≤ i ≤n)此时，得到正常排序的水印信息矿。应用上述混沌处理过程保证了嵌入过程的安全性和可靠性。3水印嵌入过程水印嵌入过程用来将水印信息嵌入到载体图像内，包括如下6个步骤。3. 1针对原始图像的提升小波变换假设原始图像0的大小为NXN像素，将图像0进行提升小波变换，得到提升小波 变换的4个分量，包括逼近子图和水平、垂直、对角线方向的细节子图，分别记为0a、0h、0v、 0d，4个分量的大小均为NXN/4。3. 2元胞自动机处理为了提高水印的鲁棒性，将水印嵌入到提升小波变换的逼近子图0a中。对0a进 行元胞自动机运算，即将0a分解为3X3大小的子块，按照盲水印实现中所介绍的方法更改 子块中E点的像素值。处理后的图像记为0c。3. 3针对水印信息的QR码处理假定水印信息为S，将S处理为QR码图像Sw。3. 4混沌加密处理应用安全性实现中所介绍内容，将图像Sw进行置乱，得到置乱后的图像Swl。3. 5水印嵌入应用盲水印实现中所介绍的方法将水印信息嵌入到载体图像中。公式中a为嵌 入强度，a的值越小，则水印的透明性越好；a的值越大，则水印的鲁棒性越高。因此，为了 在高鲁棒性与良好的透明性之间取得平衡，需要对a的取值进行控制。此时，将处理后的 图像0c记为Oce。3. 6逆提升小波变换将Oce与Oh、0v、0d 一起参与逆提升小波运算，得到嵌入水印的载体图像0e。嵌入过程结束，此时0e即为能够进行版权认证的含有水印信息的版权图像。4水印提取过程水印提取过程即为水印嵌入过程的逆过程，主要包括以下5个步骤。4. 1提升小波变换首先对含水印图像进行提升小波变换，得到提升小波变换的逼近子图0a和细节 子图 0h、0v、0d。4. 2元胞自动机处理将提升小波逼近子图0a分解为3X3大小的子块，按照安全性中介绍的元胞自动 机处理方法，将子块内E点像素值更改为其邻居的平均值，得到Oac。4. 3水印信息提取将0a和Oac按照安全性中介绍的方法进行运算，提取水印信息。a此处取值与嵌 入时一致。
4. 4混沌系统处理对得到的水印信息应用混沌系统中介绍的逆置乱方法进行处理，得到QR码图像 Wqr。4. 5QR码解码处理对得到的图像Wqr进行QR解码，得到原始水印信息S*。
权利要求
1.应用二维码实现鲁棒数字水印的方法，其特征是采用二维码技术确保数字水印的鲁 棒性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是综合应用了元胞自动机、混沌系统、提升小波 技术、二维码技术对信息进行处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用元胞自动机来实现数字水印的盲提取。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用混沌系统确保数字水印的安全性。
全文摘要
本发明方法的名称为“应用二维码实现鲁棒数字水印的方法”，所属技术领域为数字图像处理、计算机应用、计算机安全等。本发明方法应用提升小波变换提高算法的鲁棒性，应用元胞自动机实现水印的盲提取，应用混沌系统确保实现方法的高安全性。在嵌入水印时，首先对需要版权保护的图像进行提升小波变换，然后对水印图像进行QR码编码处理，再对得到的QR码图像进行混沌处理以提高算法的安全性，最后将经过QR码编码、混沌处理的水印信息通过元胞自动机处理嵌入到原始图像的提升小波逼近子图中，应用元胞自动机确保水印提取时不需要原始图像。水印提取时，对经过上述处理后的图像应用元胞自动机、混沌系统、QR码解码得到原始水印信息。该实现方法具有较高的鲁棒性，能够抵抗剪切、修改、噪声等攻击。该实现方法能够广泛应用于版权保护领域，具有一定的实用价值。
文档编号G06T1/00GK102005026SQ201010553178
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者常春波, 张丽珠, 李立宗, 王创荣, 程卿, 顾巧论, 高铁杠 申请人:天津职业技术师范大学