Способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения

Изобретение относится к области защиты идентификационных данных авторов электронных изображений. Техническим результатом является повышение защищенности электронного изображения, заверенного цифровым водяным знаком автора (владельца) изображения, от преднамеренных действий нарушителя и повышение качества изображения. Способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения заключается в том, что на передающей стороне осуществляют масштабирование цифровых данных изображения к стандартному размеру, применяют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) к этим данным и определяют амплитуду ДПФ при одновременном запоминании фазы, осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра так, чтобы позиции их центров совпадали с позициями ненулевых значений ключа К, выбирают максимальные значения амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют корректировку этих значений при условии сохранения приемлемого качества изображения, скорректированные максимальные значения амплитудного спектра помещают в центр каждой локальной области, замещая исходные значения амплитудного спектра на этих позициях, осуществляя вложение идентификационного ключа в изображение, выполняют операции восстановления симметрии амплитуды и, используя ранее сохраненную фазу, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электросвязи и информационных технологий, а именно к защите идентификационных данных авторов электронных изображений, при передаче электронных изображений отправителем получателю по общедоступным каналам передачи, в которых нарушитель может осуществлять несанкционированные действия по удалению идентификационных данных авторов электронных изображений.

Заявленный способ может быть использован для определения автора - владельца электронных изображений, передаваемых в современных информационно-телекоммуникационных системах.

Известен способ вложения водяного знака в спектр дискретного преобразования цифровой информации (см. патент ЕР №0766468, М.кл. G06T 1/00, G09C 5/00, G10L 11/00, G10L 13/00, Н04Н 20/31, H04N 1/32, 1/387, 7/08, 7/24, 7/52, опубл. 02.04.1997 г.), который состоит в том что формируют спектральное разложение данных, вкладывают водяной знак в спектральное разложение данных таким образом, что энергия водяного знака в любой отдельной частотной компоненте мала и незаметна, а затем выполняют обратное преобразование для того, чтобы получить защищенные водяными знаками данные, после этого, используя исходное изображение и изображение, защищенное водяным знаком, проверяют наличие водяного знака в изображении.

Однако в данном способе исходное изображение не всегда является доступным, а для извлечения водяного знака требуется исходное изображение; например, для проверки авторства изображения, имея на руках только защищенное изображение и ключ, идентифицирующий автора.

В другом способе, использующем дискретное преобразование Фурье при формировании водяного знака (см. патент US 7376241, М.кл. G06K 9/00, опубл. 20.05.2008 г.), выбранном в качестве прототипа, осуществляют масштабирование цифровых данных к стандартному размеру, применяют дискретное преобразование Фурье к отмасштабированным цифровым данным, вычисляют амплитуду преобразования Фурье, производят вложение каждого бита водяного знака в особые элементы колец, созданных в амплитудном спектре, получая таким образом амплитуду с вложенным водяным знаком.

В данном способе вложение водяного знака осуществляют в амплитудный спектр преобразования Фурье, при этом вложение производят в элементы концентрических колец, построенных в амплитудном спектре, и таким образом в исходный спектр вносятся большие локальные изменения, которые могут существенно ухудшить качество защищенного изображения.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение качества изображения, а также защищенности электронного изображения, заверенного цифровым водяным знаком автора (владельца) изображения, от преднамеренных действий нарушителя по удалению идентификационных данных автора изображения без необходимости использования исходного изображения.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в способе формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения, при котором на передающей стороне осуществляют масштабирование цифровых данных изображения к стандартному размеру, после чего применяют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) к отмасштабированным цифровым данным и определяют амплитуду ДПФ, при одновременном запоминании фазы, далее формируют идентифицирующий собственника изображения ключ К, соответствующий размеру амплитудного спектра, выполняют вложение сформированного ключа в изображение, после чего осуществляют восстановление симметрии амплитудного спектра, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком, отличающийся тем, что после определения амплитуды ДПФ, осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра таким образом, чтобы позиции их центров совпадали с позициями ненулевых значений ключа К, после чего выбирают максимальные значения амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют корректировку этих значений путем умножения максимальных значений в каждой локальной области на коэффициент β, выбранный в интервале 1<β≤2, при котором выполняется условие сохранения приемлемого качества изображения, скорректированные максимальные значения амплитудного спектра помещают в центр каждой локальной области, замещая исходные значения амплитудного спектра на этих позициях, осуществляя таким образом вложение идентификационного ключа в изображение, после этого выполняют упомянутые операции восстановления симметрии амплитуды и, используя ранее сохраненную фазу, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком, а на приемной стороне осуществляют проверку наличия водяного знака в виде идентификационного ключа, при которой масштабируют цифровые данные изображения к стандартному размеру, применяют дискретное преобразование к отмасштабированным цифровым данным, определяют амплитуду дискретного преобразования, осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра таким образом, чтобы позиции их центров соответствовали позициям ненулевых значений ключа К, использованного при формировании изображения, затем вычисляют позиции максимальных значений амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют проверку соответствия позиции максимума каждой локальной области центру этой области, положительные ответы суммируют для всех локальных областей и делят полученную сумму на общее число локальных областей амплитудного спектра ДПФ, результат сравнивают с пороговым значением, которое выбирают таким образом, чтобы вероятность обнаружения водяного знака при ложном ключе равнялась нулю, причем, если упомянутое пороговое значение превышено, принимают решение о наличии водяного знака в изображении и проверку считают пройденной, если же пороговое значение не превышено, изображение поворачивают на фиксированные углы в пределах от 1° до 180°, и процесс обнаружения повторяют для каждого угла, если после полного поворота изображения пороговое значение не было превышено, принимают решение об отсутствии водяного знака в изображении.

При этом в предлагаемом способе формирование ключа К может быть осуществлено из псевдослучайной последовательности таким образом, чтобы центры соседних областей находились вне пределов каждой локальной области.

Кроме того, вложение ключа К при его формировании может быть осуществлено в область средних частот ДПФ.

Способ также может характеризоваться тем, что в качестве цифровых данных используется синяя компонента цветного цифрового изображения.

В предлагаемом способе распределяют изменившиеся коэффициенты амплитуды по всей области средних частот, что позволяет улучшить качество получившегося изображения. Действительно, операции формирования ключа К из псевдослучайной последовательности позволяют получить равномерное распределение изменений по всей области средних частот, а вложение ключа в виде положения максимумов обеспечивает высокую устойчивость к искажениям.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена блок-схема алгоритма формирования цифрового водяного знака на передающей стороне, на Фиг.2 представлена блок-схема алгоритма проверки цифрового водяного знака на приемной стороне, на Фиг.3 представлена блок-схема устройства для реализации вложения цифрового водяного знака, а на Фиг.4 - блок-схема устройства для осуществления проверки наличия цифрового водяного знака.

Согласно Фиг.3, устройство для реализации формирования цифрового водяного знака на передающей стороне содержит генератор 1 ключа, блок 2 запоминания ключа, блок 3 вычисления дискретного преобразования Фурье, блок 4 вычисления амплитуды преобразования Фурье, блок 5 выделения локальных областей, блок 6 поиска максимального значения амплитуды, блок 7 замены значения амплитуды, блок 8 вычисления фазы преобразования Фурье и блок 9 вычисления обратного преобразования Фурье. При этом выход генератора 1 ключа подключен ко входу блока 2 запоминания ключа и к первому входу блока 5 выделения локальных областей, на вход блока 3 вычисления дискретного преобразования Фурье поступает одна из компонент исходного изображения, его первый выход подключен ко входу блока 4 вычисления амплитуды преобразования Фурье, его второй выход - ко входу блока 8 вычисления фазы преобразования Фурье, а выход подключен ко второму входу блока 5 выделения локальных областей, выход которого подключен ко входу блока 6 поиска максимального значения амплитуды, выход которого подключен ко входу блока 7 замены значения амплитуды, выход которого подключен к первому входу блока 9 вычисления обратного преобразования Фурье, второй вход которого подключен к выходу блока 8 вычисления фазы преобразования Фурье. На выходе блока 9 вычисления обратного преобразования Фурье имеем одну из компонент изображения, защищенную водяным знаком.

Согласно Фиг.4 устройство для реализации проверки цифрового водяного знака на приемной стороне содержит блок 10 загрузки ключа, блок 11 вычисления дискретного преобразования Фурье, блок 12 вычисления амплитуды преобразования Фурье, блок 13 выделения локальных областей, блок 14 поиска максимального значения амплитуды, блок 15 сравнения положений максимумов с ключом, блок 16 поворота изображения и блок 17 сравнения с пороговым значением, при этом выход блока 10 загрузки ключа подключен к первому входу блока 13 выделения локальных областей и первому входу блока 15 сравнения положений максимумов с ключом, на первый вход блока 11 вычисления дискретного преобразования Фурье поступает одна из компонент изображения, защищенная водяным знаком, его второй вход подключен к выходу блока 16 поворота изображения, а выход блока 11 подключен ко входу блока 12 вычисления амплитуды преобразования Фурье, выход которого соединен со входом блока 13 выделения локальных областей, выход которого подключен ко входу блока 14 поиска максимального значения амплитуды, выход которого подключен ко второму входу блока 15 сравнения положений максимумов с ключом, выход которого подключен ко входу блока 17 сравнения с пороговым значением, один выход которого подключен ко входу блока 16 поворота изображения, выход которого подключен ко второму входу блока 11 вычисления дискретного преобразования Фурье, а на втором выходе блока 17 сравнения с пороговым значением получают решение о наличии или отсутствии водяного знака.

Осуществление предлагаемого способа в соответствии с Фиг.1, 2, 3, 4 происходит следующим образом. На передающей стороне компонента исходного изображения поступает на вход блока 3, где выполняется дискретное преобразование Фурье. Результат поступает на блок 4, где вычисляется амплитуда, и блок 8, где вычисляется фаза дискретного преобразования Фурье. Далее в блоках 5, 6 и 7 происходит вложение цифрового водяного знака, для этого в блоке 5 выделяют локальные области таким образом, чтобы центры областей соответствовали ненулевым значениям ключа К полученного из генератора 1 ключа. Затем в блоке 6 выбирают максимальные значения амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют корректировку этих значений в блоке 7 путем умножения максимальных значений в каждой локальной области на коэффициент β, выбранный в интервале 1<β≤2, при котором выполняется условие сохранения приемлемого качества изображения. Далее происходит восстановление симметрии амплитудного спектра. При этом генерация ключа в блоке 1 происходит следующим образом. Сначала происходит генерация матрицы случайных чисел, равномерно распределенных в интервале от нуля до единицы, в которой число столбцов и число строк равны ширине и высоте изображения соответственно. Полученная матрица сравнивается с пороговым значением, которое определяет, сколько коэффициентов амплитуды будет заменено; в результате сравнения получают матрицу двоичных чисел. Далее производят выбор области вложения путем ограничения диапазона позиций, в которых могут содержаться ненулевые значения матрицы. Нижнюю половину полученной матрицы также обнуляют, это обеспечивает возможность восстановления симметрии амплитуды преобразования Фурье после вложения. Полученную матрицу сохраняют в качестве ключа в блоке 2 запоминания ключа. Полученная матрица поступает также в блок 5 выделения локальных областей. После восстановления симметрии в блоке 9 вычисляют результат обратного преобразования Фурье, используя амплитуду с вложением и фазу из блока 8. В этом же блоке 9 выполняют округление до целых значений, получая на выходе цветовую компоненту изображения с вложением.

На приемной стороне в блоке 10 получают позиции вложенных максимумов, которые в дальнейшем будут использованы для поиска максимумов амплитуды. Цветовая компонента изображения с вложением поступает на вход блока 11, где вычисляется дискретное преобразование Фурье. Результат поступает на вход блока 12, где вычисляется амплитуда преобразования Фурье. Далее с помощью ключа, загруженного в блоке 10, в блоках 13, 14 и 15 выполняют поиск максимумов амплитуды. Далее в блоке 17 выполняют подсчет числа распознанных максимумов и путем сравнения числа распознанных максимумов с порогом находится отношение общего числа вложенных максимумов к числу распознанных максимумов. Далее, если пороговое значение превышено - принимается решение о наличии водяного знака в данном изображении, если пороговое значение не превышено, проверяется текущий угол поворота изображения. Если угол поворота превышает 180 градусов, принимается решение об отсутствии водяного знака в данном изображении, если угол поворота меньше 180 градусов, то далее в блоке 16 выполняется поворот изображения на угол в пределах от 0.5 до 3 градусов и блок 11 снова выполняет преобразование Фурье для повернутого изображения. Таким образом, процесс обнаружения повторяют до тех пор, пока водяной знак не будет распознан, или угол поворота изображения не достигнет 180 градусов.

Рассмотрим пример выполнения блоков устройства для реализации предлагаемого способа.

Блок 3 дискретного преобразования Фурье и блок 9 обратного преобразования Фурье могут быть реализованы на цифровом процессоре обработки сигналов TMS32010.

Генератор 1 ключа может быть реализован на микросхеме Xilinx XC4005XL.

Блок 2 запоминания ключа и блок 10 загрузки ключа могут быть реализованы на микросхеме AT45DB021D-SSH-B.

Блок 4 вычисления амплитуды преобразования Фурье, блок 8 вычисления фазы преобразования Фурье, блок 9 вычисления обратного преобразования Фурье, блоки 3 и 11 вычисления дискретного преобразования Фурье и блок 12 вычисления амплитуды преобразования Фурье могут быть реализованы на микросхемах TMS32010.

Блок 5 выделения локальных областей, блок 6 поиска максимального значения амплитуды, блок 7 замены значения амплитуды, блок 8 вычисления фазы преобразования Фурье, блок 13 выделения локальных областей, блок 14 поиска максимального значения амплитуды, блок 15 сравнения положений максимумов с ключом, блок 16 поворота изображения и блок 17 сравнения с пороговым значением могут быть реализованы на микросхемах ATmega16-16AU.

1. Способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения, при котором на передающей стороне осуществляют масштабирование цифровых данных изображения к стандартному размеру, после чего применяют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) к отмасштабированным цифровым данным и определяют амплитуду ДПФ при одновременном запоминании фазы, далее формируют идентифицирующий собственника изображения ключ K, соответствующий размеру амплитудного спектра, выполняют вложение сформированного ключа в изображение, после чего осуществляют восстановление симметрии амплитудного спектра, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком, отличающийся тем, что после определения амплитуды ДПФ осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра таким образом, чтобы позиции их центров совпадали с позициями ненулевых значений ключа K, после чего выбирают максимальные значения амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют корректировку этих значений путем умножения максимальных значений в каждой локальной области на коэффициент β, выбранный в интервале 1<β≤2, при котором выполняется условие сохранения приемлемого качества изображения, скорректированные максимальные значения амплитудного спектра помещают в центр каждой локальной области, замещая исходные значения амплитудного спектра на этих позициях, осуществляя таким образом вложение идентификационного ключа в изображение, после этого выполняют упомянутые операции восстановления симметрии амплитуды и, используя ранее сохраненную фазу, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком, а на приемной стороне осуществляют проверку наличия водяного знака в виде идентификационного ключа, при которой масштабируют цифровые данные изображения к стандартному размеру, применяют дискретное преобразование к отмасштабированным цифровым данным, определяют амплитуду дискретного преобразования, осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра таким образом, чтобы позиции их центров соответствовали позициям ненулевых значений ключа K, использованного при формировании изображения, затем вычисляют позиции максимальных значений амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют проверку соответствия позиции максимума каждой локальной области центру этой области, положительные ответы суммируют для всех локальных областей и делят полученную сумму на общее число локальных областей амплитудного спектра ДПФ, результат сравнивают с пороговым значением, которое выбирают таким образом, чтобы вероятность обнаружения водяного знака при ложном ключе равнялась нулю, причем, если упомянутое пороговое значение превышено, принимают решение о наличии водяного знака в изображении и проверку считают пройденной, если же пороговое значение не превышено, изображение поворачивают на фиксированные углы в пределах от 1° до 180°, и процесс обнаружения повторяют для каждого угла, если после полного поворота изображения пороговое значение не было превышено, принимают решение об отсутствии водяного знака в изображении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование ключа K осуществляют из псевдослучайной последовательности таким образом, чтобы центры соседних областей находились вне пределов каждой локальной области.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вложение ключа K при его формировании осуществляют в область средних частот ДПФ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цифровых данных используют синюю компоненту цветного цифрового изображения.