基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入及提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息安全和数字图像信号处理交叉研宄领域，涉及一种数字水印嵌入 及提取方法，特别涉及一种基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入及提取方法。
【背景技术】
[0002] 多媒体和网络技术的发展，使人们能够更加方便地获得各种数字图像信息。数字 图像具有易存储性、易传输性以及易操作性等优点，但同时也使得盗版者可以对其进行未 授权的复制和传播；恶意攻击者可容易地对其进行篡改或伪造，从而易造成严重后果和导 致重大经济损失。
[0003] 针对图像信息安全，人们已提出多种方法，如：①将明文图像转换为密文图像的数 字图像加密技术；②将机密图像隐藏于非相关载体中的数字图像隐写技术；③结合现有技 术特点对图像的真实性和完整性进行甄别的数字图像盲取证技术；④将机密图像拆分为影 子图像，利用部分分发影子图像重构秘密图像的数字图像分存技术以及⑤给图像添加版权 认证标识，对图像的真实性和完整性，来源者和使用者进行鉴别认证的数字图像水印技术。 其中数字图像水印技术，已成为图像信息安全的研宄热点。
[0004] Van Schyndel 等较早提出数字水印（A digital watermark. Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing, 1994,2:86-90.)〇
[0005] 传统的水印技术通常关注的是水印如何嵌入，以减少对掩体视觉质量或听觉质量 的影响，而对水印嵌入位置的安全性却较少涉及，通常采用将水印嵌入到频域变换的固定 位置。如：Lai等将水印分成两部分，分别通过修改掩体图像1级Haar小波分解的LH和 HL 子带的奇异值来嵌入水(61 (Digital image watermarking using discrete wavelet transform and singular value decomposition. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010, 59(11) :3060-3063.) ;Tao等将经过仿射变换的水印嵌入到掩体 图像3级小波分解的见3子带系数的各个分块中，并利用粒子群优化算法来优化水印嵌入 强度（A wavelet-based particle swarm optimization algorithm for digital image watermarking. Integrated Computer-Aided Engineering, 2012, 19(1):81-91.) ;Zope 等 将Arnold变换加密的水印嵌入到掩体图像3级小波分解的LL#P HH 3频带的小波系数 中(Robust copyright protection of raster images using wavelet based digital watermarking. 2014IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS)，2014:3129-3132.) ;Preda等用2级整数小波分解的LL2频带的系数生成水印，对 其进行随机置换后嵌入HLpLHjPHH 1频带的小波系数中（Self-recovery of unauthentic images using a new digital watermarking approach in the wavelet domain. 2014 10th IEEE International Conference on Communications, 2014:1-4.)〇
[0006] 以上方法关注的是将水印嵌入到载体中，使其满足视觉上的不可见性，而对水印 嵌入策略的安全性没有涉及，采用固定的频域变换导致水印在掩体上的嵌入位置固定。一 些方法尽管试图通过对水印进行置乱来增强对嵌入的水印进行保护，但依然使用固定的 频域变换来进行水印嵌入，由此在掩体上的嵌入位置也依然固定。固定的嵌入位置导致水 印嵌入策略一旦公开，所嵌入的水印就可被轻易地剔除或篡改掉。
[0007] 为克服传统的水印技术使用固定的小波基来实现小波变换这一缺陷。Meerwald 等将参数化小波变换应用到水印系统，提出了基于参数化离散小波变换的安全水印方 法（Watermark security via wavelet filter parametrization. Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing, 2001，3:1027-1030.)，其基本 思想是通过构造参数化滤波器来试图实现不同的小波参数对应不同的变换域，并通过 对参数进行保密而保护水印的嵌入位置，以提高数字水印的安全性。在此基础上，Wu等 提出一种基于参数化整数小波的半脆弱水印图像认证方法（A secure semi-fragile watermarking for image authentication based on integer wavelet transform with parameters. Proceedings of the Australasian workshop on Grid computing and e-research, 2005, 44:75-80.)，为同时获得安全性和较低的计算复杂性，使用提升算法构 造参数化整数小波变换。该方法将掩体图像进行3级参数化整数小波分解，然后通过修改 低频子带1^ 3中系数的最低五位嵌入水印。Chamlawi等在的基础上添加了 Piva等的方法 (Self recovery authentication of images in the DffT domain. International Journal of Image and Graphics, 2005,5(1) :149-165.)提出了基于参数化小波的图像认证和恢 复方法（Wavelet based image authentication and recovery. Journal of Computer Science and Technology, 2007, 22 (6) : 795-804.)，通过嵌入双重水印达到图像认证和恢 复的功能。
[0008] 但将参数化小波用于决定和影响水印的嵌入位置以提高水印嵌入策略的安全性， 以上方法都没有进行理论上的分析，其所依据的只是实验个例。经实验检验，使用参数化整 数小波对于参数值改变的敏感性难以满足实际需求，当参数化小波的参数发生改变时，依 然能够近似提取嵌入的水印，因此嵌入的水印的安全性依然难以保证。
【发明内容】
[0009] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于多级小波系数加权和量化的数 字水印嵌入及提取方法，通过掩体图像MD5值，用户密钥生成初始值和参数驱动混沌映射 生成2值伪随机矩阵来加密2值水印，并将混沌映射产生的中间参数应用到水印嵌入环节 的系数选择中，再利用选取的多级小波系数加权、量化嵌入水印，提高水印和水印嵌入的安 全性。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0011] 基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入方法，包括以下步骤：
[0012] 第1步：记掩体图像A = (PiJ)mxn对应的128位MD5值为Amd5，从Amd5的左边最 高位开始依次将其转换为32个16进制数构成16进制序列，记为S a= < a d，…ak,…，a3i >，ake {〇, 1，…，15};
[0013] 第2步：由用户给定Xinite(0，l)和μinite[3.57,4]作为式⑴中的初始值x和 参数μ并驱动式⑴产生长度为32的伪随机序列S b=Sbtl，…bk，一，b31>，bke (〇，1)， 在迭代产生Sb时，为消除暂态效应，将迭代前num彡0次结果抛弃，从num+1起产生S b，num 由用户给定；
[0014] X= μχ(Ι-χ) (I)
[0015] 第3步：利用SJPSb计算用于对水印和嵌入位置进行保护的初始值Xtl和参数μ μ
[0016] 第4步：记2值水印图为D = (Hxm，将xQ和μ。代入式⑴产生长度为mmXnn 的伪随机序列Sc = C Ctl,…，ck，…，CnmxmriS，c ke (〇, 1)，同样为消除暂态效应，将迭代前 num彡0次结果抛弃；
[0017] 第5步：将伪随机序列S。转化为2值矩阵E = (e ，对D = (Clu)mmxm按式 (7)得到异或加密后的水印图IV =(d'
[0018] d'j = dUj Θ eUj (7)
[0019] 第6步：对掩体图像A = (PiJmxn进行I级小波金字塔变换形成31+1个子带，包 括1个低频子带LLjP 31个高频子带HL k，LHk，HHk，k = 1，2,…，1，1的取值由用户给定且 满足HLjP LH i频带所有系数的总个数彡mmXnn ;
[0020] 第7步：利用~和μ ^产生水印嵌入环节的中间参数xk，yk，k = 1，2，···1 ;
[0021] 第8步：对第k级小波变换的HLk和LH k，k = 1，2,…，1频带所有系 数，按行优先顺序扫描完HLk再扫描LH k，构成长度为Ienk的小波系数序列，记为 S： =<h^-,h^·-Xn^ >,lenk=mxnl2lk-lx
[0022] 第9步：对第k级小波变换，将&和μ k代入式（1)产生长度为len k的伪随机序 列，记为 G (0,1),々=1,2,···，/，同样为消除暂态效应， 将迭代前num彡0次结果抛弃；
[0023] 第10步：对k = 1，2,…，1按大小进行排序，记欠元素下标索引对应的置换 为<0 ·,/,···,、.,···,A- >，将其用于对欠置换，选取置换后 的前mmXnn个小波系数，记为^>，vf表示选出的第k级小 波系数的第ii个；
[0024] 第11步：利用JPEG压缩估算筛选出的每级小波系数#, k = 1，2,…，1对应的权 重 wk，k = 1，2,…，1 ;
[0025] 第12步：按式（14)计算小波系数加权均值Weightii, ii = 0, 1，…，mmXnn-1 ;
[0026]
【主权项】
1.基于多级小波系数加权和量化的数字水印嵌入方法，其特征在于包括以下步骤： 第1步：记掩体图像A = (PiJ)mxn对应的128位MD5值为Amd5，从Amd5的左边最高 位开始依次将其转换为32个16进制数构成16进制序列，记为Sa= < a。，…ak,…，a31 >，ake {〇, 1，…，15}; 第2步：由用户给定Xinite (〇, 1)和μ in