CAD工程图可逆水印方法、水印嵌入方法和水印提取方法技术

本发明专利技术公开了一种CAD工程图可逆水印方法、水印嵌入方法和水印提取方法，利用相邻坐标及相邻相位的相关性计算多个预测差值，并通过非对称的方式选取合适的差值分别构造非对称直方图，采用相反方向修改直方图的方案实现双重互补水印嵌入。实验结果和分析表明本发明专利技术的方法具有严格的可逆性，可应用于二维CAD工程图的内容认证及保密通信等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字水印
，特别是一种CAD工程图可逆水印方法、水印嵌入方法和水印提取方法。
技术介绍
近几年，基于直方图平移的可逆水印及二维工程图可逆水印方面的研究已经取得一定的成果，主要如下：(1)基于直方图平移的可逆水印方法基于直方图平移的可逆水印算法一经提出便受到广泛关注。随后，G.Xuan和X.Wu相继提出了基于整数小波变换的直方图平移算法，并获得了较高的嵌入容量和水印图像质量。研究者还给出了基于预测差值的直方图平移技术，进一步改进了相关水印算法的性能。以上直方图平移算法都需要额外传输峰值点/零点信息，这在一定程度上降低了算法的实用性。现有的基于像素域的盲可逆水印方法以直方图中的最高频率像素值作为同步参考，取其邻像素值作为“峰值点”，实现直方图平移水印嵌入。其后，Tsai等人将预测差值技术与直方图平移技术结合，通过相邻像素之间的相似性构造预测误差直方图，解决了水印嵌入容量低的问题。还有采用内插误差而非预测差值的方法，通过对图像进行微小的修改而嵌入大量的水印信息。另有文献提出了一种多重预测差值和构建非对称直方图的方法，减少了水印嵌入过程中需要平移的数据个数，并结合互补嵌入策略，使两次水印嵌入前后部分数据的修改相互抵消，从而提高嵌入水印后的图像质量。(2)二维工程图形可逆水印对于二维工程图形的可逆水印研究，近年来也得到一定的进展。L.Li通过对线段顶点对的坐标值进行预处理操作，使其具有较强相关性后再采用差值扩大算法嵌入水印，解决了二维工程图相关性较低的问题，该算法的水印容量与载体的线段数直接相关。除此之外，现有技术提出了量化索引调制的二维CAD工程图小波域可逆水印算法，该算法首先将顶点坐标构造复值信号，然后采用改进的量化索引调制在复值信号的幅值或相角中嵌入水印信息，具有较好的不可见性，可逆性以及较高的嵌入容量，且对图形平移、旋转、均匀缩放等攻击具备较好的鲁棒性。在此基础上，研究者提出了基于小波域的二维工程图可逆水印算法，该算法先对顶点进行LPM(Log-PolarMapping)变换和离散小波变换以获得仿射不变性，然后使用改进的量化索引调制算法将加密后的水印信息嵌入到所有的细节系数中。该算法能获得较好的不可见性和鲁棒性。现有技术还有采用改进差值扩展算法在二维CAD工程图各顶点相对距离中嵌入水印信息。改进后的算法消除了顶点间高相关性的要求，算法容易实现，且可以动态调节水印容量和不可见性。另有文献提出了两种基于预测误差直方图平移的二维CAD工程图形可逆水印算法，该算法利用二维工程图形相邻坐标值或相邻相位间的相关性，能有效的完成工程图的内容认证和隐秘通信，相比其它利用顶点相关性的可逆算法来说，在水印容量与不可见性上均具有一定优势。因直方图平移的可逆水印方法具有对数据扰动小的优点，其在栅格图像中得到了广泛应用，然而由于二维工程图中载体数据个数少及冗余性低等特点，针对二维工程图形的直方图可逆水印的研究甚少。近年来已有很多可逆水印算法应用于二维矢量图形中，并取得一些研究成果，但是仍存在有效信息嵌入率较低，水印嵌入带来的失真较大等不足。直方图平移的可逆水印方法通过对载体直方图平移实现高性能可逆水印嵌入。它利用直方图的零点或最小点的冗余信息，并略微修改像素的灰度值来嵌入水印信息。传统的直方图平移技术方法如下：首先，根据载体图像生成直方图，扫描直方图中像素灰度出现频率最大的“峰值点”，记为P，找到峰值点的目的是使水印容量尽可能大，这是因为可以嵌入到图像中的比特数等于峰值点的像素个数。判断直方图中是否存在灰度频率为零的“零点”。如果存在，记零点为Z，称为有“零点情形”，如图1(a)所示。如果不存在灰度频率“零点”，称为“无零点情形”，如图1(b)。对于后者，寻找一个频率最小点并编码这些像素和像素的坐标(i,j)作为标记信息，再将其灰度值置零，则将“无零点情形”转化为“有零点情形”。按一定顺序扫描整个图像，将位于峰值和零点之间的直方图沿零点方向平移一位，此时，原零点交换到峰值点旁，如图1(c)。再次扫描图像，遇到峰值点像素时，嵌入1bit水印。对于信息“0”，像素值保持不变；对于信息“1”，像素值变为相邻的零点(像素值加/减1)，其结果如图1(d)。由上可知基于直方图平移可逆水印算法的水印容量取决于峰值点的个数，引入的失真一方面取决于为嵌入水印预留空间需平移的数据个数，即直方图中峰值点和零点间的元素个数；另一方面取决于嵌入信息为’1’的数目。而前者是影响图像质量的首要因素，因此在水印嵌入过程中若能减少介于峰值点和零点间数据的个数，则可有效的提高图像质量。又因为直方图平移可逆水印算法是通过对数据简单的加/减1预留空间来实现信息隐藏的，我们相信通过两次相反方向平移可使得部分的数据恢复到初值，那么图像质量也必然会有所提高。若在第一次平移过程中大部分数据集中在直方图峰值右侧，而对其左侧的数据元素向左平移(即减1)，那么在第二次直方图构建过程中，若能够使被修改的数据部分落在直方图峰值的左侧，那么此时再对其峰值右侧的数据向右平移(即加1)操作后，该数据经过两次互补修改可恢复到原始数据值。另外，由于二维CAD工程图形数据的相关性一般远低于栅格图像，如果直接采用传统的直方图平移技术，可能会导致较大的图像失真以及较低的水印容量。以往基于预测差值直方图的可逆水印大多只用一个差值来构造直方图嵌入水印信息，其直方图大致服从类拉普拉斯分布，直方图峰值两侧的差值个数基本一致，如图2。其峰值左右两侧的数据量相差为零，不具有数据分布向相反方向延伸的特点，不利于提高图像质量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种CAD工程图可逆水印方法、水印嵌入方法和水印提取方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种CAD工程图可逆水印方法，包括水印嵌入部分、水印提取部分：所述水印嵌入部分包括以下步骤：1)按读取顺序提取二维工程图G中所有实体的所有顶点坐标，得到一个二维顶点坐标集合：V＝{V1,V2,...,Vi...,Vn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CAD工程图可逆水印方法，其特征在于，包括水印嵌入部分、水印提取部分：所述水印嵌入部分包括以下步骤：1)按读取顺序提取二维工程图G中所有实体的所有顶点坐标，得到一个二维顶点坐标集合：V＝{V1,V2,…,Vi…,Vn}，其中V1,V2,…,Vi…,Vn为二维顶点坐标；遍历V中各顶点横坐标和纵坐标，获得横坐标值最小的顶点Vp和纵坐标值最小的顶点Vq为参考顶点，并将Vp和Vq在集合V中的索引位置作为提取密钥保存；其中，n为二维工程图G中所有实体的所有顶点数量；1≤p≤n；1≤q≤n；1≤i≤n，且i≠p,q；2)将二维工程图G中所有顶点坐标转化为整数，得到二维工程图G中所有顶点相对坐标的横坐标的整数部分集合XI和小数部分集合XD、以及纵坐标的整数部分集合YI和小数部分集合YD；或者计算Vi到参考顶点Vp和Vq间的相对相位Θi',Θi'∈[0,2π]，求得Θi'的整数部分集合Θ'I和小数部分集合Θ'D；3)将水印信息W＝{w1,w2...wM}划分为长度相等的两部分W1、W2；W1＝{w1,w2...wr}和W2＝{wr+1,wr+2...wM}；其中，1<r<M；M为水印信息长度；4)对于XI或Θ'I中的任一元素或Θi′I，利用公式eci(max)=xiI,i=1,2max(xiI-xi-1I,xiI-xi-2I),i∈[3,m]]]>或epi(max)=Θi′I,i=1,2max(Θi′I-Θi-1′I,Θi′I-Θi-2′I),i∈[3,m]]]>计算预测差值，并选取预测差值中最大者构造最大预测差值直方图E_C(max)或E_P(max)；统计E_C(max)或E_P(max)中峰值及该峰值左侧零点，分别记为Zc+、Pc+或Zp+、Pp+计算第一阶段嵌入水印后的横坐标整数值或相对相位整数值Θi″I：将嵌入水印后的整数集合更新为X′I或Θ″I；其中，当p＝q时，则m＝n‑1；否则m＝n‑2；f＝1,2...r；当水印的嵌入载体是相位时，wf＝10或wf＝00；5)对于X′I或Θ″I中的任一元素或利用公式eci(min)=xi′I,i=1,2,min(xi′I-xi-1′I,xi′I-xi-2′I),i∈[3,m]]]>或epi(min)=Θi′′I,i=1,2min(Θi′′I-Θi-1′′I,Θi′′I-Θi-2′′I),i∈[3,m]]]>计算预测差值，并选取预测差值中最小者构造相对坐标的最小预测差值直方图E_C(min)或相对相位的最小预测差值直方图E_P(min)，统计E_C(min)或E_P(min)中峰值及该峰值右侧零点，分别记为Zc‑、Pc‑或Zp‑、Pp‑计算第二阶段嵌入水印后的横坐标整数值或相对相位整数值其中，f′＝r+1,r+2...M；当水印的嵌入载体是相位时，wf'＝10或wf'＝00；6)恢复嵌入水印后的横坐标或相对相位值xiw=(xi′′I+xiD)/10P+Vpx;]]>Θiw=(Θi′′′I+Θi′D)/10p+Θq-π;]]>其中，为XD中的元素；P表示二维工程图G中顶点坐标小数点后的数据位数；Vpx为Vp的横坐标值；Θi′D为Θ′D中的元素；7)如果待嵌入的水印比特长度大于E_C(max)和E_C(min)中峰值点的总个数，则对于YI中的各元素，采用与上述步骤3)～6)相同的过程进行水印嵌入；否则纵坐标值保持不变；保存嵌入水印后的顶点集合Viw，即得到嵌入水印后的二维CAD工程图形Gw；所述水印提取部分包括以下步骤：1)计算Gw中所有顶点水印嵌入后的相对坐标横坐标的整数部分集合X″I和小数部分集合XD；或者计算Gw中所有顶点水印嵌入后的相对相位的整数部分集合Θ″′I和小数部分集合Θ'D；2)对X″I中的任意元素或Θ″′I中的元素利用公式eci(min)=xi′′I,i=1,2min(xi′′I-xi-1′′I,xi′′I-xi-2′′I),i...

【技术特征摘要】
1.一种CAD工程图可逆水印方法，其特征在于，包括水印嵌入部分、水印提取部分：
所述水印嵌入部分包括以下步骤：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭飞，龙琴，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43