一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法

专利名称：一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法
技术领域：
本发明涉及一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，为数字音 频水印的信息隐藏、版权保护、数据安全提供一个有效的保护手段。
背景技术：
数字音频水印技术就是在不影响原始音频质量的条件下向其嵌入具有特定意义 且易于提取信息的过程，当中不影响原载体的使用，也不易被人的听觉系统觉察到音频信 号的改变。一个成熟的数字音频水印方法需具备以下特点鲁棒性(robustness)即抗干扰 能力、不可检测性(undetectability)、透明性(invisibility)、安全性(security)、计算 复杂度低和错误率低等。目前的数字音频水印方法主要针对二值图像进行处理，对于灰度、 彩色图像的研究相对较少。用二值图像处理方法处理彩色或者灰度水印，计算复杂，在透明 性、鲁棒性和信息隐藏量上难以取得一个较好的平衡点，因此不适用于灰度、彩色图像的处 理。最早的音频水印技术研究始于1996年，Bender等(BenderW，Gruhl D and Morimoto N. Datahiding Techniques, Proceedings, SPIE 2402,1995) dj 7 LSB H 码、回声编码、扩频编码和相位编码等四种方法，Boney等将cox方案应用到音频信号中， (BonehD, Shaw,J. Co Ilusion2secure fingerp rinting for digital data. A dvances in Cryp to logy :P roc. CRYPTO' 95,N ew Yo rk :Sp ringer2V erlag，1995)，并取得了一定 的效果。目前音频数字水印技术主要有三大类时间域方法、变换域方法、压缩域方法。时间域方法从时间的范畴上将水印嵌入音频中，主要有LSB方法、回声数据隐藏 等方法此类方法采用的是先将音频根据嵌入信息量进行分段，然后对每段特定区域整体或 者特定区域做略微影响，达到嵌入水印的目的，然而在同等大小的水印图像下如果音频文 件较小，分段后的每段所含信息会大量减少，面对攻击后会有较大的偏差。如在采用在音 频的回声域上嵌入隐藏信息时，如果在回声域隐藏较多信息极易被检测到，而且由于时域 信息易被常规攻击方式所破坏，因此只能隐藏少量信息或在非常局限领域中使用，但稳健 性和抗感知性之间存在较大矛盾。变换域方法采用的是将音频转为变换域，然后将水印嵌入，其方法主要有离散余 弦变换(DCT)、离散傅立叶变换(DFT)和离散小波变换(DWT)等，其中DCT方法采用先确定 稳定特征区域，然后对其DCT变换来嵌入二值图像，变换域方法拥有很好的鲁棒性和抗感 知性，但在水印容量、稳健性和抗感知性之间只能偏向其中两者，鉴于数字水印的实际应用 需要，现有方法大多选择偏向稳健性和抗感知性，存在的主要问题是嵌入信息量过低，如果 要保证嵌入大图像，则存在运算时间长，抗感知性差等缺陷。压缩域方法是在音频压缩过程中加入水印信息，按照水印嵌入位置不同可分为 PCM数据域、MDCT系数、压缩系数等方法。该方法鲁棒性较差，耗时较长。目前，国内外对压 缩域的研究较少。现有的数字音频水印嵌入方法大多是基于变换域方法的改进方法。

发明内容
为克服上述现有方法存在的问题，尤其是变换域方法存在的嵌入信息量低、运算 时间长，抗感知性差等缺陷，本发明提出一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌 入方法，将通过载体音频小波分解得到低频系数，找出低频系数的最佳嵌入区域并把加密 后的水印信息通过卷积嵌入至低频系数区域中，平衡了水印的不可见性、鲁棒性和信息嵌 入量之间的矛盾，极大的增加水印图像的信息储存量、透明性和鲁棒性。本发明中并非采用传统的先分段后选取方法，而是通过先将载体音频小波分解得 到低频系数，然后根据所需嵌入信息量直接找出低频系数中对应数量的最佳嵌入位置，最 后把加密后的水印信息通过卷积嵌入至低频系数特定位置中，此方法具有数字水印抗感知 性强，鲁棒性较好，同时极大的增加了水印的信息嵌入量。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，包括数字水印的嵌入、 数字水印的提取、提取出的数字水印的还原，其特征在于方法和步骤如下1)数字水印的嵌入A)对原始水印图像进行重构与加密处理对水印图像做方阵转换和置乱处理；B)对原始载体音频进行小波(DWT)变换对载体图像进行3次小波分解，取得小 波低频系数，作为水印嵌入的预选位置；C)自动寻找低频系数中最佳嵌入序列。最佳嵌入序列即先在音频低频系数中去 除接近无音(系数接近零)部分，再根据嵌入水印图像所需大小来寻找音调低频系数中最 大系数序列，该系数序列对音频影响最小，即最佳嵌入水印位置；D)数字水印的嵌入将数字水印图像序列与最佳嵌入序列二者卷积，即将数字水 印图像嵌入到音频低频系数中；2)数字水印的提取根据原始音频检测已含水印的音频并从中提取水印图像序 列；3)数字水印的还原根据密钥采用反Arnold变换和图像重构将提取出的水印还 原；所述密钥为Arnold变换次数KEY，原始水印图像的长和宽M、N,嵌入强度QD。对步骤A)中进行水印图像的重构与加密处理时，采用先将图像做方阵转换，将矩 形图像转为方阵图像，达到不丢失图像信息就符合Arnold变换的要求。然后用Arnold变 换对水印图像做置乱处理。将方阵水印图像代入Arnold公式迭代10 50次后，结束对图 像的重构和加密处理。步骤C)自动寻找最佳嵌入序列，即先对步骤B)所得的音频低频系数进行扫描，得 出每个采样点的振幅，再用步骤A)中取得的图像水印矩阵为模版，根据水印图像模版拥有 的元素个数确定所需采样点数量，选取音频低频系数振幅最大的采样点集，点集数量不多 于水印图像2%，将其按其位置作为最佳嵌入序列，此序列为音频传输中最为稳定部分。步骤D)中进行数字水印的嵌入时，采用卷积的嵌入方法，先将数字水印信息影响 度降低至嵌入的采样点振幅的102%以内，再与其点乘。由此将水印图像嵌入载体音频低频 系数中由步骤C)所的到的最佳嵌入序列所对应位置上。步骤中进行水印的提取，提取水印图像时，分别对嵌入水印的音频和原始音频进行3次小波变换，根据参数K在原始音频寻找到水印嵌入序列，根据其对比嵌入水印前后 音频对应位，检测出水印信息。所述步骤3)中进行水印的还原，对检测出的水印信息进行Arnold逆变换，之后将 方阵水印进行矩阵重构，取得原始水印图像。所述参数K = f1XV^^ + l，其中fix为截尾取整操作，M、N分别为原始水印图像的 长和宽，M、N同时作为提取密钥之一，其将在寻找水印嵌入位置和对提取的水印进行还原时使用。本发明将水印嵌入至音频全部区域，水印有较强的不可见性和较强的鲁棒性。对 水印做了转换方阵的重构和图像置乱处理，极大的加强了水印信息的保密性安全性。同时 有较好的抗攻击能力。本发明所提出的水印方法不但功能强，而且运算速度快，在实现上也 非常的简单和方便，在数字图像版权的保护和信息的隐藏方面具有一定的实用价值。


图Ia水印的嵌入过程；
图Ib水印的提取过程；
图2a灰度水印图像；
图2b方阵转换后的图像；
图2c Arnold变换31次迭代后的图像
图3a载体音频波形图3b嵌入水印后音频波形图4a提取的水印图像；
图4b白噪声攻击后的水印图像；
图4c MP3攻击后的水印图像；
图4d剪裁一半音频的水印图像。
具体实施例方式以下结合附图和事实例对本发明进行详细描述。一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，包括数字水印的嵌入、 数字水印的提取、提取出的数字水印的还原。1、数字水印的嵌入方法如图1所示。①数字水印图像的重构与加密处理本发明采用基于Arnold变换的方案对水印图像进行处理。本方法采用先将图像 进行方阵化的重构，将矩形图像转为方形图像，同时能够起到一定的置乱效果，再将方形图 像代入Arnold变化中进行少量迭代，所需的计算量小，且对安全性有进一步提高。方阵化矩阵的方法对于一幅M*N的图像，如图加所示，将图像的长和宽 的做乘积，计算出图像总像素数PIX。取一个大于Pix开根的最小正整数K，公式为 K = flxV^W + l，其中fix为截尾取整操作，M、N分别为原始水印图像的长宽(M、N同时将 作为提取密钥之一，其将在寻找水印嵌入位置和对提取的水印进行还原时使用)。然后构建 一个以K为边长的全零方阵U(大小为K*K)。最后用代入法将水印图像转置到方阵U中构成新的水印图像，如图2b所示，代入过程在下文中有描述，由于方阵U规格(规格与图2b相 同)和原始水印矩阵(图2a)有很大的差异性，每行(列)所能容纳元素不同，并有K2-M*N 个多余数据。在将原始水印矩阵带入时需将多余数据平均分布插入(分布在原始水印图像 矩阵每列的最后)，带入时以原始水印图像矩阵的列为单位，代入方阵U中，每列多余部分 将转移至举证U的下一列(如果水印图像为卧式矩形则缺失部分由原始图像矩阵下一列开 始部分所填补)，随着元素的代入会导致越来越大的偏移，达到一定的置乱效果(见图2b)。 最后再对新的水印图像方阵U以进行Arnold置乱处理，得到待嵌入水印矩阵V。对于一幅 KXK的图像，Arnold变换定义如下
权利要求
1.一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，包括数字水印的嵌入、数 字水印的提取、提取出的数字水印的还原，其特征在于方法和步骤如下1)数字水印的嵌 入A)对原始水印图像进行重构与加密处理对水印图像做方阵转换和置乱处理；B)对原始载体音频进行小波(DWT)变换对载体图像进行3次小波分解，取得小波低 频系数，作为水印嵌入的预选位置；C)自动寻找低频系数中最佳嵌入序列，最佳嵌入序列即先在音频低频系数中去除接 近无音(系数接近零)部分，再根据嵌入水印图像所需大小来寻找音调低频系数中最大系 数序列，该系数序列对音频影响最小，即最佳嵌入水印位置；D)数字水印的嵌入将数字水印图像序列与最佳嵌入序列二者卷积，即将数字水印图 像嵌入到音频低频系数中；2)数字水印的提取根据原始音频检测已含水印的音频并从中提取水印图像序列；3)数字水印的还原根据密钥采用反Arnold变换和图像重构将提取出的水印还原。
2.根据权利要求1所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特征 在于，所述步骤A)中进行水印图像的重构与加密处理时，采用先将图像做方阵转换，将矩 形图像转为方阵图像，达到不丢失图像信息就符合Arnold变换的要求，然后用Arnold变换 对水印图像做置乱处理，将方阵水印图像代入Arnold公式迭代10 50次后，结束对图像 的重构和加密处理。
3.根据权利要求1所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特征 在于，所述步骤C)自动寻找最佳嵌入序列，即先对步骤B)所得的音频低频系数进行扫描， 得出每个采样点的振幅，再用步骤A)中取得的图像水印矩阵为模版，根据水印图像模版拥 有的元素个数确定所需采样点数量，选取音频低频系数振幅最大的采样点集，点集数量不 多于水印图像2%，将其按其位置作为最佳嵌入序列，此序列为音频传输中最为稳定部分。
4.根据权利要求1所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特征 在于，所述步骤D)中进行数字水印的嵌入时，采用卷积的嵌入方法，先将数字水印信息影 响度降低至嵌入的采样点振幅的102%以内，再与其点乘，由此将水印图像嵌入载体音频低 频系数中由步骤C)所得到的最佳嵌入序列所对应位置上。
5.根据权利要求1所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特征 在于，所述步骤幻中进行水印的提取，提取水印图像时，分别对嵌入水印的音频和原始音 频进行3次小波变换，根据参数K寻找到水印嵌入序列，对比嵌入水印前后的序列，检测出 水印信息。
6.根据权利要求1所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特征 在于，所述步骤幻中进行水印的还原，对步骤幻检测出的水印信息进行Arnold逆变换，之 后将方阵水印进行矩阵重构，取得原始水印图像。
7.根据权利要求5所述的基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，其特 征在于所述参数K取得方法为将原始水印图像的长宽做乘积，然后将其结果截尾取整再 加一所得，即K = flxV^W + l;其中fix为截尾取整操作，M、N分别为原始水印图像的长和 宽，此参数并非需要反馈给用户，仅仅作为中间参数使用；重构前的原始图像规格M、N被同 时用作提取时所需密钥。
全文摘要
一种基于小波变换和Arnold的自适应灰度水印嵌入方法，数字水印的嵌入法对原始水印图像做方阵转换和置乱处理；对原始载体音频进行3次小波分解，取得小波低频系数，作为水印嵌入的预选位置；自动寻找低频系数中最佳嵌入序列，即为最佳嵌入水印位置；将数字水印图像序列与最佳嵌入序列二者卷积，即将数字水印图像嵌入到音频低频系数中。数字水印提取时，根据原始音频检测已含水印的音频并从中提取水印图像序列。数字水印还原时，将原始图像长宽做为提取密钥，采用反Arnold变换和图像重构将提取出的水印还原。本发明所提出的水印方法不但功能强，而且运算速度快，在实现上也非常简单和方便，在数字图像版权的保护和信息的隐藏方面具有一定的实用价值。
文档编号G10L19/00GK102142258SQ201110081228
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者冯涛, 杨恒欢 申请人:上海第二工业大学