基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统，其包括数据库、分块模块、处理模块、水印预处理模块和嵌入模块。其利用数独的特性解决了多重水印动态地嵌入到不同宿主区域的问题；从而实现了一个鲁棒性的水印算法，解决多著作权问题和数字产品在发布、销售和使用等不同阶段的版权认证问题。本发明中的动态多重水印算法，不仅有实用而且可操作性强，还是一个很好的可扩展性模板：后续提出的任何加性数字水印均可基于该模板实现动态嵌入。

说明书

技术领域

本发明涉及动态版权保护技术领域，尤其涉及一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统。 

背景技术

数字产品版权作为知识产权的价值正在不断提高。从技术方面来说，对数字产品的保护就是通过足够的证据证明作者对数字产品的所有权，而嵌入到数字产品中的水印便是这种证明产品作者所有权的证据。

水印可以是一段文字、标识、序列号等，它与图像等原始数据紧密结合并隐藏其中，成为数据源不可分离的一部分。一般来说，水印应有如下的几个基本特征：

A、可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据；

B、不可感知性：不可感知包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性，即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；另一方面水印用统计方法也是不能恢复的，如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在；

C、鲁棒性：鲁棒性问题对水印而言极为重要。鲁棒性是一个技术术语，简单而言，就是指一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的（如恶意攻击）或无意的（如图像压缩、扫描与复印、噪声污染、尺寸变化等等）。在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。

目前对多重数字水印技术的研究大多局限在静态多重数字水印技术上，即在嵌入水印前就已经明确水印的个数。

静态多重数字水印的生成及嵌入方法基本上可分为以下两种：(1)多个水印分别嵌入。其基本思想是先对宿主信号进行某些特征的划分。如Cox将不同的水印分别嵌入到视频的不同帧中，实现在数字视频信号中嵌入多重水印，或者诸如利用小波变换和门限值将不同水印嵌入到不同宿主区域；也有利用k个不同密钥对应k个水印的嵌入和提取。显然，这种多重水印嵌入方法中水印的个数会受到载体信号容量和嵌入算法的影响，不可能在一个固定载体中嵌入较多水印。(2)多个水印合并后嵌入。就是先把多个欲嵌入的水印合并成一个水印后再嵌入到宿主中，嵌入和提取方法都回归成单一水印的操作。这种方案可以较好地摆脱载体容量和嵌入算法对嵌入水印个数的限制，但必须事先知道要嵌入的水印内容及其数量，同时要解决多个水印合并的问题，考虑到宿主信号的冗余量有限，不可能简单地把多个水印拼接后嵌入，尤其是遇到水印类型不同的情况。

有鉴于此，现有技术有待改进和提高。 

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统。旨在解决多著作权问题和数字产品在发布、销售和使用等不同阶段的版权认证问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统，其中，包括：

数据库，用于预先保存选块密钥、重组密钥和版权信息密钥；

分块模块，用于根据选块密钥对原始图像进行选块处理，确认水印嵌入的区域；

处理模块，对所述水印嵌入的区域作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵                                                ，取每个8*8小块中坐标为（m_x、m_y）的数重组一个系数矩阵，其中，其中坐标(m_x、m_y)就是根据一个数独矩阵所确定的，该数独矩阵就是数据库中的重组密钥；

水印预处理模块，用于根据版权信息密钥对二值水印图像I_B进行预处理，生成一矩阵；

嵌入模块，用于按表达式：=+a.*，将二值水印图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵，其中a为嵌入强度因子，再将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵ML’重新赋值得新系数矩阵，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。

所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统，其中，还包括水印检测模块，用于对嵌入二值水印图像I_B的图像，通过半忙提取出二值水印图像I_B。

所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统，其中，所述水印预处理模块进一步包括：

置乱单元，用于使二值水印图像的黑白点分布趋于某种意义上的均匀化；

占“1”比控制处理单元，用于使水印图像的占“1”比小于8%。所谓占“1”比是指二值图像中灰度值为“1”的个数与灰度值为“0”和“1”的总个数的百分比。

一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法，其中，包括以下步骤：

S1、预先保存选块密钥、重组密钥和版权信息密钥；

S2、根据选块密钥对原始图像进行选块处理，确认水印嵌入的区域；

S3、对所述水印嵌入的区域作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为（m_x、m_y）的数重组一个系数矩阵，其中，其中坐标(m_x、m_y)就是根据一个数独矩阵所确定的，其保存在重组密钥中；

S4、根据版权信息密钥对二值水印图像I_B进行预处理，生成一矩阵；

S5、按表达式：=+a.*，将二值水印图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵，其中a为强度因子；

S6、将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵ML’重新赋值得新系数矩阵，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。

所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法，其中，所述步骤S4具体包括：

S41、将版权信息、签名信息制作成二值水印图像I_B；

S42、使二值水印图像I_B的黑白点分布趋于某种意义上的均匀化；

S43、使二值水印图像I_B的占“1”比小于8%。

所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法，其中，还包括步骤S7、对嵌入二值水印图像I_B的图像，通过半忙提取出二值水印图像I_B。

所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的实现方法，其中，所述坐标(m_x、m_y)根据一4X4的数独矩阵所确定。

有益效果：

本申请的基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统，利用数独的特性解决了多重水印动态地嵌入到不同宿主区域的问题；从而实现了一个鲁棒性的水印算法，解决多著作权问题和数字产品在发布、销售和使用等不同阶段的版权认证问题。本发明中的动态多重水印算法，不仅有实用而且可操作性强，还是一个很好的可扩展性模板：后续提出的任何加性数字水印均可基于该模板实现动态嵌入。 

附图说明

图1为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的结构框图。

图2为基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法的流程图。

图3为一9×9的数独矩阵的示意图。

图4为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统中DCT变换域中嵌入算法步骤和水印预处理步骤的流程图。

图5为一4×4的数独矩阵的示意图。

图6为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统中半盲提取的流程图。

图7为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的实施例中原始二值水印图像的示意图。

图8为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的实施例中置乱后的二值水印图像的示意图。

图9为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的实施例中原始图像的示意图。

图10为本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统的实施例中嵌入二值水印图像后的图像的示意图。

图11a、图11b和图11c所示分别为图10中嵌入二值水印图像后的图像受到删除行列攻击、尺度变换攻击、卷积攻击后的提取的二值水印图像的示意图。

图12a、图12b和图12c所示分别为图10中嵌入二值水印图像后的图像受到JPEG80攻击、JPEG40攻击、JPEG30攻击后的提取的二值水印图像的示意图。 

具体实施方式

本发明提供一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

多著作权问题指在数字产品的设计尤其是通过网络协议协作完成设计的过程中出现的多个创造者的情况，而每个作者进入产品设计的时间又各不相同。在网络高度发展的今天，一件数字产品出现多个作者且作者间可能并不熟悉的情况是很常见的。随着作品的不断完善，作者的人数也可能不断增加。为了保护每位作者的权利，应将每位作者的身份水印嵌入到数字产品中。可以看到，在某一时刻(即使这时数字产品已经在网络上发布)产品中嵌入的是到该时刻为止所有作者的水印，而下一时刻是否还会有其他水印嵌入或有哪些水印嵌入对水印嵌入算法来说都是无法事先预料的。这就是本动态版权保护系统的特点——无法在嵌入水印前预知有多少水印将嵌入到数字产品中。这是网络世界对数字产品生产、发布、销售等各个环节提出的新要求，本发明就是从实用性角度出发提出相应的动态多重水印技术。其在某一时刻(即使这时数字产品已经在网络上发布)产品中嵌入的是到该时刻为止所有作者的水印，而下一时刻是否还会有其他水印嵌入或有哪些水印嵌入对水印嵌入算法来说都是无法事先预料的。所以动态多重水印第一个要解决的技术难题就是如何确保后续嵌入的水印是嵌入到不同宿主区域，避免因重叠造成的提取误差。第二个要解决的问题：动态多重水印随着时间的推进陆续会有很多水印要嵌入到作品中，这就要求新设计的水印嵌入算法得有较大的嵌入容量。第三个要解决的问题就是如何将动态多重数字水印算法很好地应用到动态版权保护中去，这就要求设计一个实用性好可操作性强的动态多重数字水印版权保护系统。

为了方便理解，我们先介绍一下数独的概念。

《数独》是一种逻辑游戏，玩家需要根据9×9盘面上的已知数字，推理出所有剩余空格的数字，并满足每一行、每一列、每一个粗线宫内的数字均含1-9且不重复。

数独中的数字排列千变万化，有6,670,903,752,021,072,936,960（约有6.67×10的21次方）种组合，2005年由Bertram Felgenhauer和Frazer Jarvis计算出该数字，并将计算方法发布在他们网站上，如果将等价终盘（如旋转、翻转、行行对换，数字对换等变形）不计算，则有5,472,730,538个组合。若以某个9×9数独矩阵为密钥，则其安全性很高，且该密钥所占存储空间很小。一个9×9的数独矩阵如图3所示。

从数独矩阵中任意选取两行，该两行中任意属于同一列的两个数xi1,j,yi2,j构成坐标(xi1,j,yi2,j)，可得到九个这样的坐标点，根据数独的规则特性可以判定这九个坐标点互不相同，其中i1、i2、j均可取1-9的整数。例如在图2.2.6中，取i1=1，i2=2则可得到如下九个坐标：

(9,2), (8,6), (5,7), (7,1), (6,3), (2,4), (1,5), (3,8),(4,9)；

可以断定该九个坐标必定互不相同，即不存在重叠坐标点。同理，当i1=3，i2=2时，也可以得到互不相同的九个点：

(3,2), (1,6), (4,7), (8,1), (9,3), (5,4), (7,5), (6,8),(2,9)；

认真比较可以发现以上18个点也互不相同，经分析可以得出如下结论：9×9的数独矩阵中任意的三行可以确定18个互不重叠的坐标点。进一步研究不难得出这样个通用的结论：n×n的数独矩阵的任意n行可以确定(n-1)*n个互不重叠的坐标点，其中n=2的2次方，3的2次方，4的二次方……。该结论为解决将水印动态嵌入到不同宿主区域的问题准备了理论基础。

请参阅图1，其为基于数独和多重数字水印的动态版权保护系统，如图所示，包括：

数据库100，用于预先保存选块密钥、重组密钥和版权信息密钥；

分块模块200，用于根据选块密钥对原始图像进行选块处理，确认水印嵌入的区域；

处理模块300，对所述水印嵌入的区域作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为（m_x、m_y）的数重组一个系数矩阵，其中，其中坐标(m_x、m_y)就是根据一个数独矩阵所确定的，其保存在重组密钥中；

水印预处理模块400，用于根据版权信息密钥对二值水印图像I_B进行预处理，生成一矩阵；

嵌入模块500，用于按表达式：=+a.*，将二值水印图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵，其中a为强度因子，再将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵重新赋值得新系数矩阵，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。

首先，必须建立一数据库100，其预先保存选块密钥、重组密钥和版权信息密钥。其中，选块密钥、重组密钥分别存放一数独矩阵。然后分块模块200，根据选块密钥对原始图像进行选块处理，确认水印嵌入的区域。因为一般来说，原始图像都比较大（如2048*2048），必须先对原始图像进行分块，选取一块作为水印嵌入的区域。如选取的区域大小为256*256。处理模块300对所述水印嵌入的区域作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为（m_x、m_y）的数重组一个系数矩阵，其中，其中坐标(m_x、m_y)就是根据一个数独矩阵所确定的，其保存在重组密钥中。在本实施例中，其通过一4*4的数独矩阵确定，下面会进行详细介绍。水印预处理模块400根据版权信息密钥对二值水印图像I_B进行预处理，生成一矩阵。嵌入模块500按表达式：=+a.*，将二值水印图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵，其中a为强度因子。再将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵ML’重新赋值得新系数矩阵，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。从而完成了水印的嵌入。

其中，需要注意地是，在处理模块300中，图像作离散余弦变换后大部分参数接近于零，只有左上角的低频部分有较大的数值，中频部分参数值相对较小，而大部分高频参数值非常小，接近于零。所以在离散余弦变换域中，嵌入水印的位置主要定在低中频带系数，因为该部分的系数低通滤波之后仍能保全下来。与此相对地，所述数独矩阵的大小应当适宜。

请参阅图4，其中，DCT变换域中嵌入算法步骤：

首先，对原始图像I作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数重组一个系数矩阵，保存一份矩阵数据到Key_1中作为提取密钥。然后，制作二值图像I_B,预处理后得到占“1”比小于10%的矩阵，所谓占“1”比是指二值图像中灰度值为“1”的个数与灰度值为“0”和“1”的总个数的百分比。按表达式：=+a.*，将二值图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵。再将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵ML’重新赋值得新系数矩阵。最后，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。

请继续参阅图4，所述水印预处理模块400中进行水印预处理，其包括：将版权信息、签名信息制作成二值水印图像I_B；然后，使二值水印图像I_B的黑白点分布趋于某种意义上的均匀化；最后，使二值水印图像I_B的占“1”比小于8%。其中，关键点在于：

（1）置乱去相关性，使二值水印图像的黑白点分布趋于某种意义上的均匀化，即相同小区域中黑点或白点的数量相差不大，为后续的进一步预处理奠定基础；

（2）占“1”比控制处理，使水印图像的占“1”比小于8%。所谓占“1”比是指二值图像中灰度值为“1”的个数与灰度值为“0”和“1”的总个数的百分比。在加性嵌入模式中，处理后的水印对宿主图像质量质量影响很小。具体处理方式就是给对水印进行“0”行或“0”列扩充，以降低占“1”比（关于占“1”比的理论及控制处理，是发明人独创的，采用这种方法，可以有效降低后续图像处理难度）。

本发明还提供了一种基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、预先保存选块密钥、重组密钥和版权信息密钥；

S2、根据选块密钥对原始图像进行选块处理，确认水印嵌入的区域；

S3、对所述水印嵌入的区域作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为（m_x、m_y）的数重组一个系数矩阵，其中，其中坐标(m_x、m_y)就是根据一个数独矩阵所确定的，其保存在重组密钥中；

S4、根据版权信息密钥对二值水印图像I_B进行预处理，生成一矩阵；

S5、按表达式：=+a.*，将二值水印图像I_B嵌入到系数矩阵中得到矩阵，其中a为强度因子；

S6、将系数矩阵每个8*8小块中坐标为（m_x,m_y）的数按系数矩阵ML’重新赋值得新系数矩阵，对新的系数矩阵作离散余弦逆变换得到嵌入二值水印图像I_B的图像。

进一步地，所述步骤S4具体包括：

S41、将版权信息、签名信息制作成二值水印图像I_B；

S42、使二值水印图像I_B的黑白点分布趋于某种意义上的均匀化；

S43、使二值水印图像I_B的占“1”比小于8%。

下面通过一个具体例子来说明是如何实现水印动态嵌入的。

首先、确定一个4×4大小的广义数独矩阵，如图5所示：

然后、利用数独矩阵的任意三行确定8个互不重叠的坐标，如取前三行可以得到如下8个坐标： Z1(1,3), Z2(2,4), Z3(3,1), Z4(4,2), Z5(4,3), Z6(3,4), Z7(2,1), Z8(1,2)；

当作品的作者A于T1时间完成自己的工作，作者A于T1时间选取坐标Z1(1,3)按技术方案二的嵌入算法嵌入自己的版权信息，即对选取的原始图像作品I作8*8分块离散余弦变换得系数矩阵，取每个8*8小块中坐标为Z1(1,3)的数重组一个系数矩阵，然后按技术方案二中步骤完成水印嵌入。同样该作品的另一个作者B于T2时间完成自己的工作，作者B于T2时间选取坐标Z2(2,4)也按技术方案二的嵌入算法嵌入自己的版权信息，同理接下来的作者均在自己的工作完成后选取剩下的坐标再按技术方案二嵌入自己的版权信息，如此往复便实现了一个随着时间推进的动态水印嵌入效果，而且保证了所嵌入的水印都是嵌在不同的宿主区域。

最后，当作者数量大于8个的时候，可以再选取作品中的另一幅图像作为原始图像I，然后再按上述步骤嵌入各个作者的版权信息。

进一步地，利用发明人针对数独矩阵中做出的一个结论：n×n的数独矩阵的任意n行可以确定(n-1)*n个互不重叠的坐标点。即4×4的数独矩阵可以确定出3×4=12个互不重叠的坐标点。如此一来，即可提供出12个互不重叠的坐标点给不同的作者，用于其嵌入版权信息。此也是本发明的关键之一，其中，n可以为k的2次方。

更进一步地，所述的基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法还包括步骤S7、对嵌入二值水印图像I_B的图像，通过半忙提取出二值水印图像I_B，其过程如图6所示。

请一并参阅图7、图8和图9，其分别为原始二值水印图像的示意图、置乱后的二值水印图像的示意图和原始图像的示意图。对嵌入二值水印图像I_B的图像（如图10所示）进行JPEG攻击后，其提取的二值水印图像分别如图12a（JPEG80攻击）、12b（JPEG40攻击）和12c（JPEG30攻击）所示。另外，如图11a、11b和11c所示，其分别为受到删除行列攻击、尺度变换攻击、卷积攻击后的提取的二值水印图像的示意图。

由此可见，其鲁棒性较佳，能抵抗普通攻击。同时，其嵌入容量也比较理想（256*256的宿主区域里能嵌入12个32*32的水印），使水印嵌入容量与水印鲁棒性取得平衡。12个水印按互不重叠的坐标进行嵌入，所以也可以分别在不同时刻嵌入，实现了动态嵌入效果。

综上所述，本发明的基于数独和多重数字水印的动态版权保护方法和系统，其包括数据库、分块模块、处理模块、水印预处理模块和嵌入模块。其利用数独的特性解决了多重水印动态地嵌入到不同宿主区域的问题；从而实现了一个鲁棒性的水印算法，解决多著作权问题和数字产品在发布、销售和使用等不同阶段的版权认证问题。本发明中的动态多重水印算法，不仅有实用而且可操作性强，还是一个很好的可扩展性模板：后续提出的任何加性数字水印均可基于该模板实现动态嵌入。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。