基于图像特征区域的水印嵌入、 检测方法及其装置 技术领域 本发明涉及图像处理技术，尤其涉及一种基于图像特征区域的水印嵌入方法及 其装置，以及一种基于图像特征区域的水印检测方法及其装置。
背景技术 网页浏览器的出现使得国际互联网 (Internet) 变得对用户友好起来，人们更乐于 在网上下载图片、音乐和视频。 由于其廉价、不需要仓库和库存，而且交易几乎是瞬间 完成，因此 Internet 成了一个优秀的数字媒体发行系统。 由于网络加速了数字媒体的传 播，侵权行为 ( 非法复制、盗版、随意篡改 ) 变得日益猖獗，这引起了内容拥有者，尤 其是大型电影制片厂和音乐录制棚的对盗版风险性的高度关注。 为了保护他们的合法权 益，必须采取措施对数字产品的版权进行保护。
作为解决数字产品版权保护的新技术，数字水印越来越引起人们的关注，并且 具有广阔的应用前景。 目前数字水印虽然在某些特定领域有一些商业应用，但是由于数
字水印技术还不够完善，限制了其大规模应用。 对于应用于图像的数字水印 ( 以下简称 图像水印 ) 而言，除了安全性、盲检测性、随机检测性、实时性等技术上的要求外，图 像水印还需要解决的核心问题是图像水印的鲁棒性。
已有的图像水印技术虽然可以抵抗诸如加噪、滤波和压缩等常规图像处理，而 对于几何攻击，如局部弯曲等仍然缺乏鲁棒性。 几何攻击破坏了载体和水印之间的同 步性，虽然载体中仍然含有水印，但是由此产生的同步误差使得检测器无法正确提取水 印，因而无法验证图像的合法性。
为了解决图像水印的鲁棒性问题，目前提出了第二代水印技术。 第二代水印 技术是基于图像特征的水印技术，在一定程度上解决了几何攻击下的数字水印鲁棒性问 题。 但是现有第二代水印系统没有考虑水印嵌入对于水印系统鲁棒性的影响，而水印嵌 入会给图像带来类似于高斯分布的噪声，这些噪声对一些噪声敏感的特征点、特征区域 提取算法造成较大影响，因此会导致第二代水印系统中，水印嵌入区域和检测区域不匹 配，从而导致无法识别水印。 发明内容 本发明实施例提供了基于图像特征区域的水印嵌入、检测方法及其装置，用以 解决现有图像水印技术中因水印嵌入区域和检测区域不匹配而导致水印检测率低的问 题。
本发明实施例提供的技术方案包括 ：
一种基于图像特征区域的水印嵌入方法，包括以下步骤 ：
通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测，检测出该图像的 特征区域 ；
从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并且选取出的每个
特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域及其外围环绕的 水印嵌入区域互不重叠 ；
分别环绕选取出的各特征区域嵌入水印。
一种基于图像特征区域的水印嵌入装置，包括 ：
检测模块，用于通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测， 检测出该图像的特征区域 ；
选取模块，用于从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并 且选取出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域 及其外围环绕的水印嵌入区域互不重叠 ；
嵌入模块，用于分别环绕选取出的各特征区域嵌入水印。
一种基于图像特征区域的水印检测方法，包括以下步骤 ：
通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测，检测出该图像的 特征区域 ；
从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并且选取出的每个 特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域及其外围环绕的 水印嵌入区域互不重叠 ； 分别从选取出的各特征区域各自外围环绕的水印嵌入区域中提取水印。
一种基于图像特征区域的水印检测装置，包括 ：
检测模块，用于通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测， 检测出该图像的特征区域 ；
选取模块，用于从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并 且选取出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域 及其外围环绕的水印嵌入区域互不重叠 ；
提取模块，用于分别从选取出的各特征区域各自外围环绕的水印嵌入区域中提 取水印。
本发明的上述实施例中，在嵌入水印之前，选取出相对稳定和平坦的特征区 域，并且选取出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特 征区域及其外围环绕的水印嵌入区域互不重叠 ；在嵌入水印时，将水印分别嵌入选取出 的各特征区域的外围。 可以看出，水印被嵌入的区域互不重叠，并且对应的特征区域 具有较好的稳定性和平坦性，在这样的区域嵌入水印可以使嵌入的水印具有较好的鲁棒 性，进而可以提高水印嵌入区域与检测区域的匹配程度。 另外，将水印环绕特征区域进 行嵌入，可以保证水印的嵌入没有影响到特征区域的提取，因而与现有水印嵌入技术中 将水印直接嵌入到特征区域相比，可减少对特征区域提取过程的影响，提高水印的鲁棒 性，提高水印的检测率。
附图说明
图 1 为本发明实施例中的基于图像特征区域的水印嵌入流程示意图 ；
图 2 为本发明实施例中的不相重叠区域的选取流程示意图 ；
图 3 为本发明实施例中的水印嵌入流程示意图 ；图 4 为本发明实施例中的基于图像特征区域的水印检测流程示意图 ； 图 5 为本发明实施例中的图像水印嵌入流程示意图 ； 图 6 为本图 5 流程中水印、特征区域变换示意图 ； 图 7 为本发明实施例中的水印嵌入装置的结构示意图 ； 图 8 为本发明实施例中的水印检测装置的结构示意图。具体实施方式
针对现有图像水印技术存在的上述问题，本发明实施例对于现有基于图像特征 区域的水印技术进行了改进，提高了水印嵌入区域和检测区域的匹配程度，并进而提高 了水印的鲁棒性，以及水印检测率和识别率。
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
参见图 1，为本发明实施例提供的基于图像特征区域的水印嵌入流程示意图，该 流程包括 ：
步骤 101、通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测，提取出 特征区域，并将提取出的这些特征区域作为嵌入水印的候选区域。 步骤 102、从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并且选取 出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域及其外 围环绕的水印嵌入区域互不重叠。
步骤 103、分别环绕选取出的各特征区域嵌入水印。
图 1 所示流程的步骤 101 中，所采用的尺度和仿射不变特征区域检测方法是利用 仿射不变点检测算子来提取特征点并构造出特征区域，对于一个图像来说，这样的特征 区域可以有多个。目前已有多种算法可实现尺度和仿射不变特征区域的检测，如 Harris、 多尺度 Harris-Laplace 检测算子等。 本发明实施例采用何种尺度和仿射不变特征区域检测 算法来提取特征区域，并不对本发明的保护范围有所限制。
图 1 所示流程的步骤 102 中，所选取出的特征区域是特征点相对稳定，而且区域 纹理相对简单，并且彼此不相交或不相重叠的区域，环绕这样的区域嵌入水印可以使嵌 入的水印具有较好的鲁棒性。 为了根据候选的特征区域中选取出适合水印嵌入的区域， 本发明实施例中针对候选的特征区域引入了 RFM(Repeatability and Flatness Measure，稳 定性和平坦性评价 ) 参数，用于表征相应区域的稳定性和平坦性。 每个特征区域都能够 计算出各自的 RFM。 针对一个特征区域，其 RFM 的计算公式如下 ：
式 (1) 中， conerness 是表示该区域特征点的稳定性的参数， λ 后的部分表示这 一区域内纹理的复杂程度 ( 即平坦性 ) 的参数。 λ 是一系数，可根据图像水印鲁棒性的 要求，或是根据稳定性与纹理复杂度的权重适情况而定。 RFM 值越大，则该特征区域的 稳定性越好、纹理复杂度越低，从而越适合嵌入水印。
下面对式 (1) 中的各部分进行说明 ：
式 (1) 中，IR 表示 Interesting Region 的缩写，代表一个特征区域 ；P 为一个特征 近似表示图像在点的 (x，y) 坐标向量 ；Size(IR) 是求一个 IR 的像素点个数 ；P 点的 30° ×i(i ＝ 0，1...11) 方向上的导数 ；abs( · ) 表示取绝对值 ；
表示在 360°范围内每旋转 30°计算一次图像在 P 点在该角度 ( 或方向 ) 上的导数，然后对该范围内的导数求和。 当然也可以取其他旋转角度， 如 θ，计算 360°范围内多个方向上的导数之和，相应的， 为：
将被替换的取值如以下公式所示 ( 其中， X 为特征点的 (x， y) 坐标向量 ) ：
式 (2) 中，表示图像在 X 点的 x 方向上的导数， 表示图像在 X 点在 θ 角度方向上的导数。表示图像在 X点的 y 方向上的导数，
可以看出，式 (1) 中表示特征区域纹理复杂度的参数是这样得到的 ：首先，对 该特征区域计算 360°范围内该图像在特征点的多个方向上的导数之和 ；然后，用导数 之和除以该特征区域的像素点总数。
式 (1) 中， cornerness 的计算公式如下 ：
cornerness ＝ Det(M)-αTrace2(M)....................................(3)
式 (3) 中，Det(M) 表示求行列式 M 的值，Trace(M) 表示求行列式 M 的迹，行 列式 M 的计算公式如下 ：
式 (4) 中， Lx 表示在 x 方向上的梯度， Ly 表示在 y 方向上的梯度 ； g(σI) 是均值为 0、方差为 σI 的高斯分布函数 ； Lx(X， σD) 表示用均值为 0、方差为 σD 的高斯导数模板求 x 方向上的导数 ；Ly(X， σD) 表示用均值为 0、方差为 σD 的高斯导数模板求 y 方向上的导数。
LxLy(X， σD) 表示 Lx(X， σD) 与 Ly(X， σD) 相乘， Lx2(X， σD) 表示 Lx(X， σD) 的平方， Ly2(X， σD) 表示 Ly(X， σD) 的平方。
通过以上定义的 RFM 可以看出，本发明实施例中，首先根据特征区域的梯度值 归一化出表征该特征区域稳定性的参数，以及根据该特征区域的特征点在各方向上的导 数和该特征区域的像素数归一化出表征该特征区域平坦性的参数，然后，将该特征区域 的稳定性参数和平坦性参数归一为表征该特征区域稳定性和平坦性的参数 RFM。 表征 特征区域稳定性的参数除采用上述方法确定外，还可以采用目前已经公知的其他方法 ； 表征特征区域平坦性的参数除采用上述方法确定外，还可以采用目前已经公知的其他方 法。 表征特征区域稳定性和平坦性的参数 RFM 除采用上述方法确定外，还可采用其他 方法，如，用表征特征区域平坦性的参数减去表征特征区域稳定性的参数，这样得到的 RFM 则越小表示该特征区域越稳定和平坦。
根据公式 (1) 定义的 RFM，上述步骤 102 中通过选取特征区域来选取适合于水 印嵌入的区域的流程可如图 2 所示，主要包括以下步骤 ：
步骤 201、在候选区域中选择一个具有最大 RFM 值的候选区域，根据该候选区 域确定出与其对应的水印嵌入区域，其中，与候选区域对应的水印嵌入区域为环绕在该 候选区域外围的区域。 步骤 202、将该候选区域的水印嵌入区域及其所包含的区域标记为 “含有水印区 域”，并将该 “含有水印区域”的 RFM 值标记为 -1，以表示该候选区域已经被遍历过。
步骤 203、在未遍历过的候选区域中选择一个当前具有最大 RFM 的区域，按照 上述方式确定出与其对应的水印嵌入区域。
步骤 204、确定出的水印嵌入区域是否与标记为 “含有水印区域” 的区域不相 交，如果不相交，则执行步骤 205 ；否则，执行步骤 206。
步骤 205、将当前候选区域所对应的水印区域及其包含的区域标记为 “含有水印 区域”，进入步骤 206。
步骤 206、将当前候选区域的 RFM 值标记为 -1 ；
步骤 207、判断候选区域的 RFM 值是否都小于 0，如果是，则表示所有候选区域 都遍历过，并进入后续嵌入水印的流程 ；否则，返回步骤 203，继续遍历其他的候选区 域。
本实施例以候选区域为正圆形区域为例，与候选区域对应的水印嵌入区域是以 该候选区域的圆心为圆心、内半径为 1.5r、外半径为 2r 的圆环区域 (r 为该正圆形候选区 域的半径 )。 当然，该圆环的内半径和外半径的取值并不仅限于此，但至少该圆环要环 绕在该正圆区域外，同时还需要考虑水印嵌入区域的大小对于水印鲁棒性的要求。 相应 的，被标记为 “含有水印区域” 的区域为以该正圆形圆心为圆心、半径为 2r 的正圆形区 域。 针对其他形状的候选区域，可以先将其规整为正圆形区域，再根据以上方式选取不 相重叠的区域，也可以直接按照图 2 所示流程选取不相重叠的区域。
通过图 2 所示的流程，最终得到的标记为 “含有水印区域” 的区域是彼此独 立、不相交的区域。 从图 2 所示的流程可以看出，通过从当前最大 RFM 值所对应的候选 区域开始，逐一遍历各候选区域，并在遍历过程中逐步确定出适合嵌入水印的区域，这
样，可以保证所选选取出的区域具有较大的 RFM，即，为最适合嵌入水印的区域。
本发明实施例对于待嵌入的水印没有特殊限制。 对于矩形的二维水印，可以将 其转换为圆环形水印 ；对于一维水印可以先将其转换为二维水印，再将二维水印转换为 圆环形水印。
如果将圆环表示为 ：
其中， R1 表示内环半径， R2 表示外环半径，则二维水印的变换公式为 ：
其中，表示下取整， M 为原始的二维矩形水印， S 为矩形水印的宽度。 通过公式 (6) 可以将矩形水印转化为圆环形水印，转化之后，每一条的圆环水印对应原始 矩形水印的一行。
在图 1 所示流程的步骤 103 中，由于不同的尺度和仿射不变特征区域检测方法 所检测得到的特征区域的形状可能不同，有的检测方法所检测到的特征区域被规整为圆 形。 本发明实施例中，对于非圆形的特征区域，需要将其规整为圆形再嵌入水印。 所采 用的规整方法可根据所采用的尺度和仿射不变特征区域检测方法而定，如采用 U 变换方 法将特征区域规整为标准圆形。
将二维水印嵌入选取出的水印嵌入区域，可采用如下嵌入公式实现 ：
fω(X) ＝ f(X)+α(X)ω′ (X).......................................(7)
其中，f(X) 表示原始图像的像素值 ；α(X) 为 JND 计算出的加权值 ；ω′ (X) 表示转化为圆形水印后的水印值，进一步的，可以是经过用密钥伪随机调制并转化为圆 形水印后的水印值。
通过公式 (7)，可以把水印以较小的主观视觉失真嵌入到图像中。同时，将水印 转化为圆环形是为了环绕特征区域进行嵌入，从而保证水印的嵌入没有影响到特征区域 的提取。 与现有水印嵌入技术中将水印直接嵌入到特征区域相比，可减少对特征区域提 取过程的影响，提高水印的检测率。
较佳地，在将二维水印嵌入之前，还可以根据待嵌入区域所对应的特征区域的 大小和梯度值，对圆环形水印进行放缩、旋转等规整操作，使其大小、形状、梯度适合 待嵌入的区域，然后将规整后的水印嵌入待嵌入区域。 在进行嵌入时，可将水印与待嵌 入区域所对应的特征区域的 JND 值相乘，然后对相应的特征区域进行 U- 反变换 ( 在之前 对特征区域进行 U 变换的情况下 )。
参见图 3，为本发明实施例提供的水印嵌入流程示意图，该流程包括步骤 ：
步骤 301、从选取出的特征区域中选择一个还没有嵌入水印的特征区域 ；
步骤 302、将当前特征区域规整为圆形，如采用 U- 变换 ( 如果特征区域本身就 是圆形或在图 2 所示流程中已经被规整为圆形，则可省略该步骤 )，根据该圆形的特征区 域，确定出对应的水印嵌入区域，确定出的水印嵌入区域为围绕该圆形特征区域外围的圆环。 步骤 303、将经过用密钥伪随机调制的水印转化为圆环形水印，并根据当前特征 区域的大小和梯度，对圆环形水印进行缩放、旋转等操作，使其适合于当前特征区域的 圆环形水印嵌入区域。
步骤 304、根据公式 (7)，将圆环形水印嵌入圆环形水印嵌入区域。
步骤 305、对嵌入有水印的区域所对应的特征区域，进行规整为圆形变换的逆变 换，如采用 U- 反变换。
步骤 306、判断是否还有未嵌入水印的区域，如果有，则返回步骤 301 ；否则， 结束水印嵌入流程。
以上描述了水印嵌入的流程，水印检测流程是上述水印嵌入流程的逆过程。
参见图 4，为本发明实施例提供的基于图像特征区域的水印检测流程示意图，该 流程主要包括以下步骤 ：
步骤 401、通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检测，提取出 特征区域，并将提取出的这些特征区域作为嵌入水印的候选区域。
步骤 402、从候选区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，并且选取出的每个 特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区域及其外围环绕的 水印嵌入区域互不重叠。
步骤 403、利用滤波器对选取出的特征区域外围所环绕的水印嵌入区域进行滤 波，从而估计出水印。
后续可计算估计出的水印与原始水印的相关度，并根据计算结果来确定该图像 的合法性。
图 4 所示流程的步骤 401 和步骤 402 分别与图 1 流程中的相应步骤相类似 ；步骤 403 中，可采用 Winer 滤波器对选取出的适合水印嵌入的区域进行滤波。 由于通常嵌入 的水印是矩形水印，而经过滤波处理后得到的估计水印为圆环形水印，因此在这种情况 下，需要将估计出的水印转换为矩形水印，然后将转换后的矩形水印与原始矩形水印比 较，以判断两者的相似度。
将估计出的圆环形水印转换为矩形水印，可采用如下公式 ：
其 中， S 为 矩 阵 水 印 的 宽 度， m 为 矩 形 水 印 的 长 度， R1 为 圆 环 的 内 径， Round( · ) 表示四舍五入。
计算转换为矩形后的水印与原始矩形水印的相似度，可采用如下公式 ：
其中， M 为原始水印， M’ 为提取出的估计水印。
当根据公式 (9) 计算得到的 C 大于一个阈值 T 的时候，就认为该区域含有水印 ； 否则，该区域没有嵌入水印。
阈值 T 可以按照如下公式确定 ：
以下结合图 5 和图 6，以一待嵌入水印的图像和一矩形二维水印为例，详细描述 水印嵌入过程。
如图 5 所示，图像 10 是水印的原始载体图像，水印 20 是原始的矩形二维水印。
对于图像 10 的处理过程包括 ：
步骤 501、对图像 10 进行去噪处理，得到去噪后的图像 11 ；
步骤 502、对图像 11 进行尺度和仿射不变特征区域检测，以检测出所有特征区 域，如图像 12 所示。 检测出的特征区域可能数量较多并且彼此有相交或重叠 ；
步骤 503、对图像 12 中的特征区域进行如前所述的选取操作，以选取出不相重 叠、相对稳定和平坦的区域，如图像 13 所示 ；
针对每个选取出的区域，执行以下步骤 504 ～ 509 ：
步骤 504、对选取出的区域所对应的特征区域进行 U- 变换，以将其规整为正圆 形，如图像 14 所示 ；
步骤 505、对 U- 变换后的特征区域确定对应的嵌入区域，该嵌入区域为环绕该 正圆形区域的圆环，如图像 15 所示 ；
步骤 506、计算特征区域的梯度值和 JND ；
对于水印 20 的处理过程包括 ：
步骤 507、对水印 20 和密钥进行伪随机调制，得到水印 21 ；
步骤 508、将水印 21 变换为圆环形，得到水印 22 ；
步骤 509、根据特征区域的大小和梯度，对水印 22 进行缩放、旋转等处理，使 其大小、梯度适合待嵌入的圆环区域，得到水印 23 ；
然后，通过步骤 510 ～步骤 512 将水印嵌入图像 ：
步骤 510、根据特征区域的 JND，对水印 23 进行处理 ( 可根据公式 (7) 进行处 理)；
步骤 511、对处理后的水印进行 U- 反变换，得到水印 24 ；
步骤 512、将水印 24 加到原始图像上，最终得到含有水印的图像 16。
上述流程中，水印 20 可如图 6 中的 (a) 所示 ；水印 22 可如图 6 中的 (b) 所示 ； 图像 15 中的一个水印嵌入区域与其对应的特征区域的关系可如图 6 中的 (c) 所示 ；U- 反 变换后的水印嵌入区域与对应的特征区域的关系可如图 6 中的 (d) 所示。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种基于图像特征区域的水印嵌 入装置和水印检测装置。
参见图 7，为本发明实施例所提供的水印嵌入装置的结构示意图，该装置包括 ： 检测模块 701、选取模块 702、嵌入模块 703，其中 ：
检测模块 701，用于通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检 测，检测出该图像的特征区域 ；
选取模块 702，用于从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域，
并且选取出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区 域及其外围环绕的水印嵌入区域互不重叠 ；
嵌入模块 703，用于分别环绕选取出的各特征区域嵌入水印。
选取模块 702 选取特征区域的过程，以及嵌入模块 703 对水印的嵌入过程，可分 别如前所述，在此不再赘述。
参见图 8，为本发明实施例所提供的水印检测装置的结构示意图，该装置包括 ： 检测模块 801、选取模块 802、提取模块 803，其中 ：
检测模块 801，用于通过对去噪滤波后的图像进行尺度和仿射不变特征区域检 测，检测出该图像的特征区域 ；
选取模块 802，用于从检测出的特征区域中选取出相对稳定和平坦的特征区域， 并且选取出的每个特征区域及其外围环绕的水印嵌入区域，与选取出的其他任一特征区 域及其外围环绕的水印嵌入区域互不重叠 ；
提取模块 803，用于分别从选取出的各特征区域各自外围环绕的水印嵌入区域中 提取水印。
选取模块 802 选取特征区域的过程，以及提取模块 703 对水印的嵌入过程，可分 别如前所述，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或 替换，都应包涵在本发明的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应该以权利要求书 的保护范围为准。