一种基于数学建模的抗打印扫描水印方法技术

一种基于数学建模的抗打印扫描水印算法，包括对像素失真的数学建模与校正、水印嵌入和水印检测。像素失真的数学建模与校正是对图像在打印扫描过程中要经受数字半色调、点增益、伽马校正和量化等环节带来的像素失真进行数学建模，并在数学模型基础上进行像素失真校正，以提高水印检测准确率。水印嵌入是在数学建模的基础上进行分析，确定合适的嵌入域，进一步考察在嵌入域中不同位置的嵌入水印对于水印算法的鲁棒性、容量和图像的保真度的影响，确定水印合理的嵌入位置。水印检测是根据数学建模分析获得的图像打印扫描前后嵌入域变化的模型曲线，对待检测的图像进行校正后再提取水印。本发明专利技术通过建立数学模型对打印扫描过程给图像带来的像素失真进行校正，通过大量实验数据来拟合模型曲线，利用得到的模型曲线对打印扫描后的图像进行校正，对校正后的图像进行水印检测，可有效提高水印检测的准确率；结合像素失真建模校正提出基于ＤＷＴ和ＤＦＴ的抗打印扫描数字图像水印新算法，新算法在图像的小波逼近子图上进行像素失真建模校正，并在图像小波逼近子图的ＤＦＴ变换域嵌入和检测水印，获得了对打印扫描过程的较好鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多媒体数字水印嵌入和检测方法，特别涉及一种基于数学建模的 抗打印扫描水印方法。
技术介绍
现代数字多媒体技术的发展使人们可以轻易地实现多媒体数据的“无缝”修改；而 互联网的发达又使得人们可以方便地传播和获取各类多媒体数据，使数字产品的侵权和内 容篡改行为变得难以防范。因此，如何对信息进行有效认证和完整性保护是一个迫切需要 解决的技术问题。为了确保多媒体数据的可信度，一种通过验证数据信息的完整性、数据来 源的可靠性以及数据的真实性来保护多媒体数据的技术——多媒体认证技术应运而生。虽 然多媒体认证技术根源于密码学领域的文本信息认证技术，但是近年来却发展成了一个独 立的新领域。数字水印是用来进行多媒体内容认证的主要方法之一，抗打印扫描水印就是 数字水印中的一种。其在纸质印刷品中嵌入人眼看不见的水印信息，将某些标识隐藏在印 刷图像中，以解决印刷品的版权保护、来源认证和防止伪造。图像在打印扫描过程中要经过的处理有D/A、A/D转换，伽马校正，同时一般还会 有不同程度的几何失真，以上这些因素对图像的影响主要体现在两个方面，即像素失真和 几何失真。现有的研究中也基本上都是从这两点出发进行算法设计和验证。数字水印的抗打印扫描问题最早由Lin和Chang (参见C. Y. Lin andS. F. Chang, " Distortion modeling and invariant extraction for digital imageprint-and-scan process " , Int.Symp. Multimedia Information Processing Dec. 1999.)提出，他们使用傅立叶一梅林变换的方法来嵌入水印。图像的傅立叶一 梅林变换具有几何不变的性质，常被应用于抗几何变换的水印算法，但其缺点是由于 存在对数变换，给嵌水印图像带来了较大的失真。随后，Lefebvre (参见Lefebvre F， Gueluy A, Delannay D, Macq B. " A printand scan optimized watermarking scheme. In :Dugelay " J_L, Rose K, ed. Proc IEEE Fourthfforkshop on Multimedia Signal Processing. Piscataway :IEEE, pp. 511-516，2001.)提出了在傅立叶傅立叶变换域的幅值 谱嵌入环状的模板水印用来抵抗几何变换，水印采用冗余的方式嵌入到空域，可以抵抗一 定程度的剪切变换，该算法缺点在于，在空域嵌入的水印对几何变换和像素失真鲁棒性较 差，如果模板水印不能精确定位几何变换的参数，水印将没有办法检测出来。Solanki (参见 Kaushal Solanki, Upamanyu Madhow，B. S. Manjunath, ShivChandrasekaran，and Ibrahim El-Khalil，" ‘Print and Scan'Resilient Data Hiding inlmages" ，IEEE Transactions on Information Forensics andSecurity，vol. 1，no. 4, pp. 464-478，Dec. 2006.)分析了 打印扫描过程对图像空域的影响以及对傅立叶变换域的影响，提出了在傅立叶变换的低频 幅值谱和相位谱中嵌入水印的方法。图像的傅立叶变换具有平移不变的特性，但是由于傅 立叶变换无法抵抗旋转和缩放，因此往往需要采取其他的方法来保证水印的同步，比如嵌 入模板水印，或者如Solanki等利用图像打印过程中由于半色调处理而产生的频域峰值来定位旋转角度来保证水印同步。Rosa(参见F.Rosa，J. Borlab, F. Leclercb R. Harbab N.Launaya, " An Industrial ffatermnarking Processfor Plastic Card Supports", 2006 IEEE International Conference on IndustrialTechnology,pp. 2809-2814,2006.) 针对应用在塑料卡片上的抗打印扫描水印，设计了一种基于DFT变换的水印算法，其通过 严格的机械控制解决同步问题，这样大大简化了水印的嵌入和检测过程，算法时间复杂度 低。但该算法要求严格的机械操作控制，这一点较难做到，算法只能够容忍较小的操作误 差。另外还有基于图像DCT变换的方法。牛少彰(参见牛少彰，伍宏涛，谢正程， 刘歆，杨义先.抗打印扫描数字水印算法的鲁棒性.中山大学学报(自然科学版)， 2004，(43) 1-4)等分析了打印扫描对图像DCT系数的影响，针对其特点，对DCT变换 后的系数按照它们的位置进行了特殊的分类，通过每一类中正负号的数量来表达水印 信息，增强了算法的鲁棒性。该方法的优点是对打印扫描过程中的像素失真较为鲁棒， 但对几何变换鲁棒性较差。Cheng(参见 Daofang Cheng, Xiaolong Li, ffenfa Qi, Bin Yang, " A Statistics-Basedffatermarking SchemeRobust to Print-and-Scan" , 2008 International Symposium on Electronic Commerce andSecurity(ISECS), pp. 894-898, 2008.)等分析认为一幅普通的图像DCT系数的均值(Mean ofDCT coefficients, MDC)接 近于0，并且MDC对于打印和扫描是鲁棒的，由此提出了通过修改MDC的正负极性嵌入水印 的算法。图像的打印过程一般都要进行半色调处理，Yu(参见Longjiang Yu, Xiamu Niu， ShengheSun," Print-and-scan model and the watermarking countermeasure" ,Image and VisionComputing 23. (2005) 807-814，2005.)等对其进行了建模，并提出了 包含对 图像半色调处理进行补偿的抗打印扫描水印算法，该算法在空间域嵌入水印，并使用边缘 提取来抵抗几何失真，较好的校正打印扫描过程中引起的小角度旋转，有效地提高了水印 信号的检测相关值。Xu(参见 Hongping Xu, Xiaoxia Wan，“ Watermarking Algorithm for Print-scan Based on HVSand Multiscale Error Diffusion" , 2008 International Conference on Computer Scienceand Software Engineering, pp. 245-248, 2008.)提出 一种基于人眼视觉系统(Human VisualSystem, HVS)和多分辨率误差扩散的抗打印扫描算 法，该算法同样在半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数学建模的抗打印扫描水印方法，其特征在于：包括对像素失真的数学建模与校正、水印嵌入和水印检测三大部分；像素失真的数学建模与校正是对图像在打印扫描过程中要经受数字半色调、点增益、伽马校正和量化等环节带来的像素失真进行数学建模，并在数学模型基础上进行像素失真校正，以提高水印检测准确率；水印嵌入是在数学建模的基础上进行分析，确定合适的嵌入域，进一步考察在嵌入域中不同位置的嵌入水印对于水印算法的鲁棒性、容量和图像的保真度的影响，确定水印合理的嵌入位置；水印检测是根据数学建模分析获得的图像打印扫描前后嵌入域变化的模型曲线，对待检测的图像进行校正后再提取水印；对像素失真的数学建模过程如下：ａ．分析打印扫描过程图像经受的主要失真；ｂ．分析像素失真在图像空域的统计特性；ｃ．析打印扫描前后图像小波变换逼近子图的变化；ｄ．基于图像小波变换逼近子图的建模与校正；水印的嵌入过程如下：ａ．将原始图像Ａ做３级小波变换，得到其逼近子图Ａ↓［Ｌ３］，和高频子图Ａ↓［Ｈ３］，Ａ↓［Ｖ３］，Ａ↓［Ｄ３］，Ａ↓［Ｈ２］，Ａ↓［Ｖ２］，Ａ↓［Ｄ２］，Ａ↓［Ｈ１］，Ａ↓［Ｖ１］，Ａ↓［Ｄ１］；ｂ．将Ａ↓［Ｌ３］做ＤＦＴ变换得到其幅值谱Ａ↓［Ｆ］＝｜ＤＦＴ（Ａ↓［Ｌ３］）｜和相位谱Ａ↓［φ］；ｃ．将水印信号ｗ使用单极性抖动调制方法嵌入到Ａ↓［Ｆ］中，得到含有水印信息的幅值谱Ａ↓［Ｆ２］；ｄ．由Ａ↓［Ｆ２］和Ａ↓［φ］做反向ＤＦＴ变换得到含有水印信息的逼近子图Ａ↓［２］；ｅ．根据Ａ↓［２］和Ａ↓［Ｈ３］，Ａ↓［Ｖ３］，Ａ↓［Ｄ３］，Ａ↓［Ｈ２］，Ａ↓［Ｖ２］，Ａ↓［Ｄ２］，Ａ↓［Ｈ１］，Ａ↓［Ｖ１］，Ａ↓［Ｄ１］，做反向离散小波变换，得到含有水印信息的图像Ａ↓［３］；水印的检测过程如下：ａ．将扫描所得图像Ｂ做几何校正，得到图像Ｃ；ｂ．将图像Ｃ做３级小波变换，得到其逼近子图Ｃ↓［Ｌ３］；ｃ．根据数学建模所得到的拟合曲线，对Ｃ↓［Ｌ３］进行校正，得到Ｃ↓［Ｌ４］；ｄ．将Ｃ↓［Ｌ４］做ＤＦＴ变换，得到其幅值谱Ｃ↓［Ｆ４］；ｅ．在Ｃ↓［Ｆ４］中检测水印信号。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈真勇，刘永波，刘骁，范围，熊璋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]