技术领域
[0001] 本
发明涉及一种多媒体
信息检索和信息安全技术，尤其是涉及一种用于图像检索和
版权保护的数字水印嵌入和提取方法。
背景技术
[0002] 随着多媒体技术、计算机技术和网络技术的迅速发展，各种类型的数字化多媒体信息正在源源不断地产生、传输并得到应用。数字图像作为一种内容丰富、表达直观的多媒体信息，其是多媒体信息库中最为重要也是应用最为普遍的一种数字媒体。目前，数字图像的数据正以爆炸式的速度在急剧增长。显然，面对着急剧增长而产生的海量数字图像数据，如何进行有效的组织和管理，并从中快速地检索出符合用户需求的图像信息，已成为当前亟需要解决的一个现实问题。
[0003] 从海量数字图像数据中快速地检索出符合用户需求的图像信息，目前已发展了基于文本的和基于内容的两种数字图像检索技术。基于文本的数字图像检索技术是通过对数字图像进行文本标注即建立相应的关键词或描述字段，例如将数字图像的名称、编号、作者、内容描述、图像大小、图像来源、建立图像的时间、存储地点等关键性的信息采用自动标引或进行人工注释，建立起数字图像的关键词索引
数据库，然后按全文数据库管理，采用全文数据库检索方法实现。因此，基于文本的数字图像检索技术实质上是一种基于文本关键词的匹配查找过程，即把数字图像检索过程转换为对与该数字图像对应的文本检索。基于内容的数字图像检索技术是指从图像库中查找含有特定目标的数字图像，它通过
软件或相应工具对数字图像进行自动分析，提取数字图像的内容特征，如
颜色、形状与纹理等，以及这些特征的组合，作为
特征向量存入数字图像的特征索引数据库，这样在进行数字图像检索时，对一幅给定的检索图像进行
图像分析提取特征向量，然后利用相似性匹配方法计算检索图像的特征向量与特征索引数据库中的各图像特征向量的相似度，根据相似度的大小返回检索结果。
[0004] 然而，伴随着数字图像检索技术的进一步发展，新的问题也随之而来。首先，基于文本和基于内容的两种数字图像检索技术，在检索过程中都需要建立大容量的索引数据库。随着数字图像数据量的急剧增长，对于存贮空间来说是一个很大的挑战；其次，由于网络技术的不断完善与发展，系统间的互联变得非常容易，开放的互联网络虽然极大地方便了人们对于数字图像信息的获取、交换和共享，但相应地，数字图像的版权和内容完整性等方面的安全性问题也变得日益突出。例如，任何用户可以通过互联网络快速地检索得到他人的数字图像作品，如果在没有得到作者或
版权所有者许可的情况下，对原始数字图像加以随意复制、
修改和再传输，这样就会严重侵害到作者的著作权和版权所有者的利益。作为当前数字媒体信息安全领域的研究热点，数字水印技术已被广泛地用于数字图像的版权保护和内容完整性认证，它通过对原始数字图像的
空域像素或变换域系数进行一定的修改，将包含作者或版权所有者具有版权保护和内容完整性认证的某种或几种特征信息例如签名、版权标志、序列号、日期或图标等作为水印信息嵌入到原始数字图像中，以此达到为原始数字图像作品提供必要的认证信息和版权保护的目的。数字水印要起到应有的作用，一般要求具备鲁棒性和不可觉察性两个基本要素。鲁棒性是指原始数字图像在经过常规
信号处理或者外来攻击之后，嵌入的数字水印仍然具有较好的可检测性或者说仍能够反映出原始数字图像的版权等方面的信息。不可觉察性是指数字水印的嵌入不能影响到原始数字图像的视觉
质量，从而不会影响原始数字图像的应用价值。
[0005] 因此，在充分利用多媒体技术、计算机技术和网络技术的发展成果，享受海量的数字图像数据资源并从中快速检索出符合用户需求的图像信息的同时，如果又能有效地保护这些原始数字图像数据的完整性和作品的版权等方面问题，必将是多媒体信息检索和信息安全技术领域的共同发展方向。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种水印鲁棒性好，能够有效提高数字图像检索过程中作品的安全性的数字水印嵌入方法，及一种能够有效提高数字图像检索的准确性，且能够有效解决存储空间问题的数字水印提取方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入方法，其特征在于它的处理过程为：首先，对待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像进行归一化处理；其次，对归一化处理后得到的数字图像进行二维离散
小波变换，得到一个第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图；将第一小波逼近子图分解为一个小数部分第一小波逼近子图和一个整数部分第一小波逼近子图；再次，根据待嵌入的二值数字水印中的每个像素的像素值，结合小数部分第一小波逼近子图中的每个系数的系数取值范围，对小数部分第一小波逼近子图中的每个系数的系数值进行二值量化处理，实现二值数字水印的嵌入，并返回一个二值逻辑表；然后，将二值量化处理后得到的新的小数部分第一小波逼近子图和整数部分第一小波逼近子图组合成新的第一小波逼近子图；将新的第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图一起进行二维离散小波逆变换，得到嵌入有二值数字水印的数字图像；最后，将二值数字水印及在二值数字水印嵌入过程中返回的逻辑表传输给数字水印提取端。
[0008] 本发明的一种用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入方法，它具体包括以下步骤：
[0009] ①-1、在数字水印嵌入端，假设有K个待嵌入的二值数字水印和K幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像，将第k个二值数字水印记为Wk，Wk={wk|wk(mk,nk)=0或1,1≤mk≤Mk,1≤nk≤Nk}，将第k幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像记为Fk，Fk={fk|0≤fk(ik,jk)≤255,1≤ik≤Ik,1≤jk≤Jk}，其中，1≤k≤K，K≥1，Wk的
分辨率为Mk×Nk，在此假设Mk=Nk，wk(mk,nk)表示Wk中坐标
位置为(mk,nk)的像素的像素值，Fk的分辨率为Ik×Jk，在此假设Ik=Jk，fk(ik,jk)表示Fk中坐标位置为(ik,jk)的像素的像素值；
[0010] ①-2、假设当前正在处理的待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像为第k幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像Fk；
[0011] ①-3、对Fk进行归一化处理，将Fk经归一化处理后得到的数字图像F′k中坐标位置为(ik,jk)的像素的像素值记为f′k(ik,jk)，f′k(ik,jk)=fk(ik,jk)/255，其中，1≤ik≤Ik,1≤jk≤Jk；
[0012] ①-4、对F′k进行Lk级二维
离散小波变换，得到一个第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图，将F′k对应的第一小波逼近子图记为FAk，其中，Lk=log2(Ik/Mk)=log2(Jk/NK)，FAk的分辨率为
[0013] ①-5、将FAk分解为小数部分和整数部分两部分数据子图，得到一个小数部分第一小波逼近子图和一个整数部分第一小波逼近子图，分别记为FADk和FAIk；
[0014] ①-6、根据Wk中的每个像素的像素值，对FADk中的每个系数的系数值进行二值量化处理，实现二值数字水印Wk的嵌入，并返回一个大小为Mk×Nk的二值逻辑表，将经二值量化处理后得到的小数部分第一小波逼近子图记为FAD′k，将返回的二值逻辑表记为Lgk；
[0015] ①-7、将FAD′k和FAIk组合成F′k对应的新的第一小波逼近子图，记为FA′k；
[0016] ①-8、将FA′k和F′k对应的多个第一小波细节子图一起再进行Lk级二维离散小波逆变换，得到嵌入有二值数字水印Wk的数字图像，记为F″k；
[0017] ①-9、令k=k+1，然后返回步骤①-2继续对下一幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像进行处理，直至K幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像均处理完毕，其中，k＝k+1中的“=”为赋值符号；
[0018] ①-10、将K个二值数字水印W1、W2、…、Wk、…、WK以及在二值数字水印嵌入过程中返回的二值逻辑表Lg1、Lg2、…、Lgk、…、LgK传输给数字水印提取端，其中，W1表示第1个二值数字水印，W2表示第2个二值数字水印，WK表示第K个二值数字水印，Lg1表示在二值数字水印W1嵌入过程中返回的二值逻辑表，Lg2表示在二值数字水印W2嵌入过程中返回的二值逻辑表，LgK表示在二值数字水印WK嵌入过程中返回的二值逻辑表。
[0019] 所述的步骤①-5中令 表示FAk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示FADk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示
FAIk中坐标位置为 的系数的系数值，则有
其中，符号 表示 取小于 其自 身的最 大整 数，
[0020] 所述的步骤①-6的具体过程为：a1、将FADk中当前正在处理的系数定义为当前系数；a2、假设当前系数的坐标位置为(mk,nk)，则将当前系数的系数值记为fadk(mk,nk)，其中，1≤mk≤Mk,1≤nk≤Nk；a3、根据fadk(mk,nk)和Wk中坐标位置为(mk,nk)的像素的像素值wk(mk,nk)，计算FAD′k中坐标位置为(mk,nk)的系数的系数值，记为fad′k(mk,nk)，并返回二值逻辑表Lgk中坐标位置为(mk,nk)的元素的逻辑值lgk(mk,nk)，具体如下：当wk(mk,nk)=0且fadk(mk,nk)∈[0,0.5)时，将fadk(mk,nk)量化为0.25，即fad′k(mk,nk)=0.25，lgk(mk,nk)=0；当wk(mk,nk)=0且fadk(mk,nk)∈[0.5,1)，将fadk(mk,nk)量 化 为 0.75，即 fad ′ k(mk,nk)=0.75，lgk(mk,nk)=1；当wk(mk,nk) ＝1且 fadk(mk,nk) ∈ [0,0.5)，将 fadk(mk,nk) 量 化 为 0.25，即 fad ′ k(mk,nk)=0.25，lgk(mk,nk)=1，当wk(mk,nk)=1且fadk(mk,nk)∈[0.5,1)，将fadk(mk,nk)量化为0.75，即fad′k(mk,nk)=0.75，lgk(mk,nk)=0；a4、将FADk中下一个待处理的系数作为当前系数，然后返回步骤a2继续执行，直至FADk中的所有系数处理完毕，实现二值数字水印Wk的嵌入，得到经二值量化处理后得到的小数部分第一小波逼近子图FAD′k。
[0021] 所述的步骤①-7的具体过程为：b1、将FAD′k中当前正在处理的系数定义为当前第一系数，将FAIk中当前正在处理的系数定义为当前第二系数；b2、假设当前第一系数的坐标位置为 则将当前第一系数的系数值记为 假设当前第二系数的坐标位置为 则将当前第二系数的系数值记为 其中，
b3、根据 和 计算FA′k中坐标位置为 的系数的
系数值，记为 b4、将FAD′k中下一个待处理
的系数作为当前第一系数，将FAIk中下一个待处理的系数作为当前第二系数，然后返回步骤b2继续执行，直至FAD′k和FAIk中的所有系数处理完毕，得到F′k对应的新的第一小波逼近子图FA′k。
[0022] 一种用于图像检索和版权保护的数字水印提取方法，其特征在于它的处理过程为：首先，对待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像进行归一化处理；其次，对归一化处理后得到的数字图像进行二维离散小波变换，得到一个第二小波逼近子图和多个第二小波细节子图；将第二小波逼近子图分解为一个小数部分第二小波逼近子图和一个整数部分第二小波逼近子图；再次，根据数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值逻辑表，以及小数部分第二小波逼近子图中的每个系数的系数取值范围，进行二值判别，提取出二值数字水印；然后，通过计算数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值数字水印与提取出的二值数字水印的相关系数，确定提取出的二值数字水印是否为数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印；最后，利用相关系数实现数字图像的检索。
[0023] 本发明的一种用于图像检索和版权保护的数字水印提取方法，它具体包括以下步骤：
[0024] ②-1、在数字水印提取端，假设有K个待提取的二值数字水印和K幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像，将第k个二值数字水印记为W′k，W′k={w′k|w′k(m′k,n′k)=0或1,1≤m′k≤M′k,1≤n′k≤N′k}，将第k幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像记为TFk，TFk={tfk|0≤tfk(i′k,j′k)≤255,1≤i′k≤I′k,1≤j′k≤J′k}，其中，1≤k≤K，K≥1，W′k的分辨率为M′k×N′k，在此假设M′k=N′k，且W′k的分辨率与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印的分辨率相同，w′k(m′k,n′k)表示W′k中坐标位置为(m′k,n′k)的像素的像素值，TFk的分辨率为I′k×J′k，在此假设I′k=J′k，且TFk的分辨率与数字水印嵌入端待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像的分辨率相同，tfk(i′k,j′k)表示TFk中坐标位置为(i′k,j′k)的像素的像素值；
[0025] ②-2、假设当前正在处理的待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像为第k幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像TFk；
[0026] ②-3、对TFk进行归一化处理，将TFk经归一化处理后得到的数字图像TF′k中坐标位置为(i′k,j′k)的像素的像素值记为tf′k(i′k,j′k)，tf′k(i′k,j′k)=tfk(i′k,j′k)/255，其中，1≤i′k≤I′k,1≤j′k≤J′k；
[0027] ②-4、对TF′k进行L′k级二维离散小波变换，得到一个第二小波逼近子图和多个第二小波细节子图，将TF′k对应的第二小波逼近子图记为TFAk，其中，L′k=log2(I′k/M′k)=log2(J′k/N′k)，TFAk的分辨率为
[0028] ②-5、将TFAk分解为小数部分和整数部分两部分数据子图，得到一个小数部分第二小波逼近子图和一个整数部分第二小波逼近子图，分别记为TFADk和TFAIk；
[0029] ②-6、根据数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值逻辑表Lgk及TFADk中的每个系数的系数值，提取出二值数字水印W′k；
[0030] ②-7、计算数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值数字水印Wk与提取出的二值数字水印W′k的归一化相关系数，记为r，r=corr(Wk,W′k)，然后根据r的大小确定数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印Wk是否被成功提取，其中，corr()表示归一化相关系数的计算函数；
[0031] ②-8、令k=k+1，然后返回步骤②-2继续对下一幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像进行处理，直至K幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像均处理完毕，其中，k=k+1中的“=”为赋值符号；
[0032] ②-9、从数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的K个二值数字水印W1、W2、…、Wk、…、WK中任意选择一个二值数字水印作为查询信息，将该任意选择的二值数字水印记为Wz，然后分别计算Wz与K个提取出的二值数字水印W′1、W′2、…、W′k、…、W′K的归一化相关系数，对应记为r1、r2、…、rk、…、rK，r1=corr(Wz,W′1)，r2=corr(Wz,W′2)，rk=corr(Wz,W′k)，rK=corr(Wz,W′k)，最后根据K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK由大及小的顺序返回对应的K幅嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像，实现数字图像的检索，其中，1≤z≤K，W′1表示提取出的第1个二值数字水印，W′2表示提取出的第2个二值数字水印，W′k表示提取出的第k个二值数字水印，W′k表示提取出的第K个二值数字水印。
[0033] 所述的步骤②-5中令 表示TFAk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示TFADk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示
TFAIk中坐标位置为 的系数的系数值，则有
其中，符号 表 示取小于 其自身 的最大整 数，
[0034] 所述的步骤②-6的具体过程为：c1、将TFADk中当前正在处理的系数定义为当前系数，将Lgk中当前正在处理的元素定义为当前元素；c2、假设当前系数的坐标位置为(m′k,n′k)，则将当前系数的系数值记为tfadk(m′k,n′k)，假设当前元素的坐标位置为(m′k,n′k)，则将当前元素的逻辑值记为lgk(m′k,n′k)，其中，1≤m′k≤M′k,1≤n′k≤N′k；c3、根据tfadk(m′k,n′k)和lgk(m′k,n′k)，提取出二值数字水印W′k中坐标位置为(m′k,n′k)的像素的像素值，记为w′k(m′k,n′k)，具体如下：当lgk(m′k,n′k)=0且tfadk(m′k,n′k)∈[0,0.5)时，置w′k(m′k,n′k)=0；
当lgk(m′k,n′k)=0且tfadk(m′k,n′k)∈[0.5,1)时，置w′k(m′k,n′k)=1；
当lgk(m′k,n′k)=1且tfadk(m′k,n′k)∈[0,0.5)时，置w′k(m′k,n′k)=1；当lgk(m′k,n′k)=1且tfadk(m′k,n′k)∈[0.5,1)时，置w′k(m′k,n′k)=0；c4、将TFADk中下一个待处理的系数作为当前系数，将Lgk中下一个待处理的元素作为当前元素，然后返回步骤c2继续执行，直至TFADk中的所有系数和Lgk中的所有元素处理完毕，实现二值数字水印W′k的提取。
[0035] 所述的步骤②-7中根据r的大小确定数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印Wk是否被成功提取的具体过程为：如果r的值为1，则确定提取出的二值数字水印w′k与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk完全一致，表明数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk被无损地提取出，可用于版权保护；如果r的值介于1～δT之间，则确定提取出的二值数字水印W′k与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk的相似性很大，此时能够从提取出的二值数字水印W′k中辨认出数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk，表明数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk被成功提取出，可用于版权保护，其中，δT为设定的水印提取
门限；如果r的值小于δT，则确定提取出的二值数字水印W′k与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk的相似性很小，此时无法从提取出的二值数字水印W′k中辨认出数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk，表明数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk提取失败。
[0036] 所述的步骤②-9中根据K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK由大及小的顺序返回对应的K幅嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像的具体过程为：d1、找出K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中值最大的一个归一化相关系数，记为maxr1，假设maxr1为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k′个归一化相关系数，则返回嵌入有第k′个二值数字水印Wk′的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第1幅图像，其中，1≤k′≤K；d2、找出剩余的K-1个归一化相关系数中值最大的一个归一化相关系数，记为maxr2，假设maxr2为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k″个归一化相关系数，则返回嵌入有第k″个二值数字水印Wk″的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第2幅图像，其中，1≤k″≤K；d3、找出剩余的K-2个归一化相关系数中值最大的一个归一化相关系数，记为maxr3，假设maxr2为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k′″个归一化相关系数，则返回嵌入有第k′″个二值数字水印Wk′″的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第3幅图像，其中，1≤k′″≤K；d4、按照步骤d3的操作，以相同的方式继续找出每次剩余的归一化相关系数中值最大的一个归一化相关系数，以此返回对应的嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像，直至剩下最后一个归一化相关系数，将最后一个归一化相关系数记为maxrK，假设maxrK为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k*个归一化相关系数，则返回嵌入有第k*个二值数字水印Wk*的数字8bit灰度图像，作为用户检索到的最后一幅图像，其中，1≤k*≤K。
[0038] 1）与现有基于文本的和内容的数字图像检索技术相比，本发明的数字水印嵌入方法将数字水印技术引入到图像检索过程中，在数字图像作品入库环节对检索对象（即入库的数字图像作品）嵌入二值数字水印，使其处于版权保护之下，提高了数字图像检索过程中作品的安全性，保护了版权所有者的利益。
[0039] 2）与现有的基于文本的和内容的数字图像检索技术相比，本发明的数字水印提取方法将数字水印技术引入到图像检索过程中，将嵌入的二值数字水印作为数字图像检索时的查询信息，而将提取出的二值数字水印作为数字图像检索时的特征信息，保证了检索的针对性，同时避免了大容量索引数据库的建立，有效解决了存储空间的问题。
[0040] 3）与现有基于文本的和内容的数字图像检索技术相比，由于嵌入的二值数字水印具有很好的鲁棒性，水印的鲁棒性保证了嵌入信息的稳健性，因此在数字图像作品经受常规
图像处理或外来攻击之后，仍可有效地提取出嵌入的二值数字水印信息（特征信息），从而保证了图像检索的准确性。
[0041] 4）与现有的用于版权保护和内容完整性认证的数字水印技术相比，本发明的数字水印嵌入和提取方法将数字水印技术引入到图像检索过程中，不仅使数字水印保持了传统的版权保护等方面功能，而且将其用于图像检索过程中的查询信息和特征信息，进一步拓展了数字水印技术的应用范围。
附图说明
[0042] 图1a为原始Bird数字图像；
[0043] 图1b为原始Aimi数字图像；
[0044] 图1c为原始Flower数字图像；
[0045] 图1d为原始Scenery数字图像；
[0046] 图2a为原始二值数字水印W1；
[0047] 图2b为原始二值数字水印W2；
[0048] 图2c为原始二值数字水印W3；
[0049] 图2d为原始二值数字水印W4；
[0050] 图3a为嵌入二值数字水印W1后的Bird数字图像；
[0051] 图3b为嵌入二值数字水印W2后的Aimi数字图像；
[0052] 图3c为嵌入二值数字水印W3后的Flower数字图像；
[0053] 图3d为嵌入二值数字水印W4后的Scenerv数字图像；
[0054] 图4a为从图3a所示的数字图像中提取出的二值数字水印；
[0055] 图4b为从图3b所示的数字图像中提取出的二值数字水印；
[0056] 图4c为从图3c所示的数字图像中提取出的二值数字水印；
[0057] 图4d为从图3d所示的数字图像中提取出的二值数字水印；
[0058] 图5a为查询信息（原始二值数字水印W1）；
[0059] 图5b为以图5a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0060] 图5c为以图5a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0061] 图5d为以图5a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0062] 图5e为以图5a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0063] 图6a为查询信息（原始二值数字水印W2）；
[0064] 图6b为以图6a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0065] 图6c为以图6a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0066] 图6d为以图6a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0067] 图6e为以图6a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0068] 图7a为查询信息（原始二值数字水印W3）；
[0069] 图7b为以图7a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0070] 图7c为以图7a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0071] 图7d为以图7a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0072] 图7e为以图7a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0073] 图8a为查询信息（原始二值数字水印W4）；
[0074] 图8b为以图8a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0075] 图8c为以图8a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0076] 图8d为以图8a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0077] 图8e为以图8a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0078] 图9a为图3a经[9×9]窗口中值滤波后的数字图像；
[0079] 图9b为图3b经[9×9]窗口中值滤波后的数字图像；
[0080] 图9c为图3c经[9×9]窗口中值滤波后的数字图像；
[0081] 图9d为图3d经[9×9]窗口中值滤波后的数字图像；
[0082] 图10a为从图9a中提取出的二值数字水印；
[0083] 图10b为从图9b中提取出的二值数字水印；
[0084] 图10c为从图9c中提取出的二值数字水印；
[0085] 图10d为从图9d中提取出的二值数字水印；
[0086] 图11a为查询信息（原始二值数字水印W2）；
[0087] 图11b为以图11a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0088] 图11c为以图11a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0089] 图11d为以图11a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0090] 图11e为以图11a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0091] 图12a为图3a经JPEG压缩（8%质量因子）后的数字图像；
[0092] 图12b为图3b经JPEG压缩（8%质量因子）后的数字图像；
[0093] 图12c为图3c经JPEG压缩（8%质量因子）后的数字图像；
[0094] 图12d为图3d经JPEG压缩（8%质量因子）后的数字图像；
[0095] 图13a为从图12a中提取出的二值数字水印；
[0096] 图13b为从图12b中提取出的二值数字水印；
[0097] 图13c为从图12c中提取出的二值数字水印；
[0098] 图13d为从图12d中提取出的二值数字水印；
[0099] 图14a为查询信息（原始二值数字水印W3）；
[0100] 图14b为以图14a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0101] 图14c为以图14a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0102] 图14d为以图14a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0103] 图14e为以图14a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0104] 图15a为图3a经
叠加均值为0方差为0.05高斯噪声后的数字图像；
[0105] 图15b为图3b经叠加均值为0方差为0.05高斯噪声后的数字图像；
[0106] 图15c为图3c经叠加均值为0方差为0.05高斯噪声后的数字图像；
[0107] 图15d为图3d经叠加均值为0方差为0.05高斯噪声后的数字图像；
[0108] 图16a为从图15a中提取出的二值数字水印；
[0109] 图16b为从图15b中提取出的二值数字水印；
[0110] 图16c为从图15c中提取出的二值数字水印；
[0111] 图16d为从图15d中提取出的二值数字水印；
[0112] 图17a为查询信息（原始二值数字水印W4）；
[0113] 图17b为以图17a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0114] 图17c为以图17a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0115] 图17d为以图17a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0116] 图17e为以图17a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像；
[0117] 图18a为图3a经切去右上
角256×256像素点后的数字图像；
[0118] 图18b为图3b经切去右上角256×256像素点后的数字图像；
[0119] 图18c为图3c经切去右上角256×256像素点后的数字图像；
[0120] 图18d为图3d经切去右上角256×256像素点后的数字图像；
[0121] 图19a为从图18a中提取出的二值数字水印；
[0122] 图19b为从图18b中提取出的二值数字水印；
[0123] 图19c为从图18c中提取出的二值数字水印；
[0124] 图19d为从图18d中提取出的二值数字水印；
[0125] 图20a为查询信息（原始二值数字水印W1）；
[0126] 图20b为以图20a为查询信息进行检索的检索结果中的第一幅数字图像；
[0127] 图20c为以图20a为查询信息进行检索的检索结果中的第二幅数字图像；
[0128] 图20d为以图20a为查询信息进行检索的检索结果中的第三幅数字图像；
[0129] 图20e为以图20a为查询信息进行检索的检索结果中的第四幅数字图像。
具体实施方式
[0130] 以下结合附图
实施例对本发明作进一步详细描述。
[0131] 针对现有的数字图像检索技术中所需存贮空间较大、安全性较差的局限性，本发明提出了一种用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入和提取方法，本发明在数字水印嵌入（图像作品入库）过程中是将数字水印技术引入到数字图像检索过程中，具体是通过构造与原始数字图像内容相关的二值图像（如作者签名、版权标志、序列号、日期或图标等）作为二值数字水印嵌入到原始数字图像作品中，同时在数字水印提取过程（图像作品检索环节）中又作为数字图像检索时的查询信息，而将提取到的二值数字水印一方面用于数字图像检索过程中的特征信息，通过计算与查询信息之间的相关度来达到快速、准确的数字图像检索目的，另一方面用于数字图像安全领域的版权信息，起到数字图像版权保护等目的，这样有效地提高了数字图像作品的安全性。本发明的数字水印嵌入和提取方法不仅避免了大容量特征索引数据库的建立，有效解决了存储空间的问题，而且在经受常规图像处理和外来攻击之后也可快速、准确地检索出所需的数字图像。进一步，在检索过程中，数字图像始终处于版权保护之下，提高了作品的安全性，保护了版权所有者的利益。
[0132] 本发明提出的一种用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入方法，它的处理过程为：首先，对待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像进行归一化处理；其次，对归一化处理后得到的数字图像进行二维离散小波变换，得到一个第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图；将第一小波逼近子图分解为一个小数部分第一小波逼近子图和一个整数部分第一小波逼近子图；再次，根据待嵌入的二值数字水印中的每个像素的像素值，结合小数部分第一小波逼近子图中的每个系数的系数取值范围，对小数部分第一小波逼近子图中的每个系数的系数值进行二值量化处理，实现二值数字水印的嵌入，并返回一个二值逻辑表；然后，将二值量化处理后得到的新的小数部分第一小波逼近子图和整数部分第一小波逼近子图组合成新的第一小波逼近子图；将新的第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图一起进行二维离散小波逆变换，得到嵌入有二值数字水印的数字图像；最后，将二值数字水印及在二值数字水印嵌入过程中返回的逻辑表传输给数字水印提取端。
[0133] 本发明的数字水印嵌入方法，它具体包括以下步骤：
[0134] ①-1、在数字水印嵌入端，假设有K个待嵌入的二值数字水印和K幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像，将第k个二值数字水印记为Wk，Wk={wk|wk(mk,nk)=0或1,1≤mk≤Mk,1≤nk≤Nk}，将第k幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像记为Fk，Fk={fk|0≤fk(ik,jk)≤255,1≤ik≤Ik,1≤jk≤Jk}，其中，1≤k≤K，K≥1，Wk的分辨率为Mk×Nk，wk(mk,nk)表示Wk中坐标位置为(mk,nk)的像素的像素值，Fk的分辨率为Ik×Jk，fk(ik,jk)表示Fk中坐标位置为(ik,jk)的像素的像素值。不失一般性，为处理方便，在此假设第k个二值数字水印Wk的竖直分辨率Mk与水平分辨率Nk相等，即Mk=Nk，同时假设第k幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像Fk的竖直分辨率Ik与水平分辨率Jk相等，即Ik=Jk，且满足 Lk≥1。
[0135] 在此，K个待嵌入的二值数字水印均为二值图像，分别选自于与各自原始数字图像内容相关的二值图像，可以是图像作者签名、图标、版权标志、序列号和创建日期等，既包含了原始数字图像的某些内容特征，可用于图像检索时的查询信息，又反映了原始数字图像的版权信息，可用于图像版权保护等目的。
[0136] 在此，图像库里待嵌入二值数字水印的原始数字图像皆为8bit灰度图像。
[0137] ①-2、假设当前正在处理的待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像为第k幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像Fk。
[0138] ①-3、对Fk进行归一化处理，将Fk经归一化处理后得到的数字图像F′k中坐标位置为(ik,jk)的像素的像素值记为f′k(ik,jk)，f′k(ik,jk)=fk(ik,jk)/255，其中，1≤ik≤Ik,1≤jk≤Jk。
[0139] ①-4、对F′k进行Lk级二维离散小波变换，得到一个第一小波逼近子图和多个第一小波细节子图，将F′k对应的第一小波逼近子图记为FAk，其中，Lk=log2(Ik/Mk)=log2(Jk/Nk)，FAk的分辨率为
[0140] ①-5、将FAk分解为小数部分和整数部分两部分数据子图，得到一个小数部分第一小波逼近子图和一个整数部分第一小波逼近子图，分别记为FADk和FAIk，在此假设令表示FAk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示FADk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示FAIk中坐标位置为 的系数的系数值，则有
其中，符号 表示取小
于其自身的最大整数，
[0141] ①-6、根据Wk中的每个像素的像素值，对FADk中的每个系数的系数值进行二值量化处理，实现二值数字水印Wk的嵌入，并返回一个二值逻辑表，将经二值量化处理后得到的小数部分第一小波逼近子图记为FAD′k，将返回的二值逻辑表记为Lgk。
[0142] 在此具体实施例中，步骤①-6的具体过程为：a1、将FADk中当前正在处理的系数定义为当前系数；a2、假设当前系数的坐标位置为(mk,nk)，则将当前系数的系数值记为fadk(mk,nk)，其中，1≤mk≤Mk,1≤nk≤Nk；a3、根据fadk(mk,nk)和Wk中坐标位置为(mk,nk)的像素的像素值wk(mk,nk)，计算FAD′k中坐标位置为(mk,nk)的系数的系数值，记为fad′k(mk,nk)，并返回二值逻辑表Lgk中坐标位置为(mk,nk)的元素的逻辑值lgk(mk,nk)，具体如下：当wk(mk,nk)=0且fadk(mk,nk)∈[0,0.5)时，将fadk(mk,nk)量化为0.25，即fad′k(mk,nk)=0.25，lgk(mk,nk)=0；当wk(mk,nk)=0且fadk(mk,nk)∈[0.5,1)，将fadk(mk,nk)量 化 为 0.75，即 fad ′ k(mk,nk)=0.75，lgk(mk,nk)=1；当wk(mk,nk) ＝1且 fadk(mk,nk) ∈ [0,0.5)，将 fadk(mk,nk) 量 化 为 0.25，即 fad ′ k(mk,nk)=0.25，lgk(mk,nk)=1，当wk(mk,nk)＝1且fadk(mk,nk)∈[0.5,1)，将fadk(mk,nk)量化为0.75，即fad′k(mk,nk)=0.75，lgk(mk,nk)=0；a4、将FADk中下一个待处理的系数作为当前系数，然后返回步骤a2继续执行，直至FADk中的所有系数处理完毕，实现二值数字水印Wk的嵌入，得到经二值量化处理后得到的小数部分第一小波逼近子图FAD′k。在实际处理过程中，如果FADk的分辨率与Wk的分辨率不一致，即两者图像大小不一致，则可先对Wk进行预处理使其分辨率与FADk的分辨率一致，再进行二值数字水印Wk的嵌入。
[0143] ①-7、将FAD′k和FAIk组合成F′k对应的新的第一小波逼近子图，记为FA′k。
[0144] 在此具体实施例中，步骤①-7的具体过程为：b1、将FAD′k中当前正在处理的系数定义为当前第一系数，将FAIk中当前正在处理的系数定义为当前第二系数；b2、假设当前第一系数的坐标位置为 则将当前第一系数的系数值记为 假设当前第二系数的坐标位置为 则将当前第二系数的系数值记为 其中，
b3、根据 和 计算FA′k中坐标位置为
的系数的系数值，记为 b4、将FAD′k
中下一个待处理的系数作为当前第一系数，将FAIk中下一个待处理的系数作为当前第二系数，然后返回步骤b2继续执行，直至FAD′k和FAIk中的所有系数处理完毕，得到F′k对应的新的第一小波逼近子图FA′k。
[0145] ①-8、将FA′k和F′k对应的多个第一小波细节子图一起再进行Lk级二维离散小波逆变换，得到嵌入有二值数字水印Wk的数字图像，记为F″k，由此完成了二值数字水印Wk的嵌入即原始数字8bit灰度图像作品Fk的入库过程。
[0146] ①-9、令k=k+1，然后返回步骤①-2继续对下一幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像进行处理，直至K幅待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像均处理完毕，其中，k=k+1中的“=”为赋值符号。
[0147] ①-10、将K个二值数字水印W1、W2、…、Wk、…、WK以及在二值数字水印嵌入过程中返回的二值逻辑表Lg1、Lg2、…、Lgk、…、LgK传输给数字水印提取端，其中，W1表示第1个二值数字水印，W2表示第2个二值数字水印，WK表示第K个二值数字水印，Lg1表示在二值数字水印W1嵌入过程中返回的二值逻辑表，Lg2表示在二值数字水印W2嵌入过程中返回的二值逻辑表，LgK表示在二值数字水印WK嵌入过程中返回的二值逻辑表。
[0148] 本发明提出的一种用于图像检索和版权保护的数字水印提取方法，它的处理过程为：首先，对待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像进行归一化处理；其次，对归一化处理后得到的数字图像进行二维离散小波变换，得到一个第二小波逼近子图和多个第二小波细节子图；将第二小波逼近子图分解为一个小数部分第二小波逼近子图和一个整数部分第二小波逼近子图；再次，根据数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值逻辑表，以及小数部分第二小波逼近子图中的每个系数的系数取值范围，进行二值判别，提取出二值数字水印；然后，通过计算数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值数字水印与提取出的二值数字水印的相关系数，确定提取出的二值数字水印是否为数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印；最后，利用相关系数实现数字图像的检索。
[0149] 本发明的数字水印提取方法，它具体包括以下步骤：
[0150] ②-1、在数字水印提取端，假设有K个待提取的二值数字水印和K幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像，将第k个二值数字水印记为W′k，W′k={w′k|w′k(m′k,n′k)=0或1,1≤m′k≤M′k,1≤n′k≤N′k}，将第k幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像记为TFk，TFk={tfk|0≤tfk(i′k,j′k)≤255,1≤i′k≤I′k,1≤j′k≤J′k}，其中，1≤k≤K，K≥1，W′k的分辨率为M′k×N′k，在此假设M′k=N′k，且W′k的分辨率与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印的分辨率相同，w′k(m′k,n′k)表示W′k中坐标位置为(m′k,n′k)的像素的像素值，TFk的分辨率为I′k×J′k，在此假设I′k=J′k，且TFk的分辨率与数字水印嵌入端待嵌入二值数字水印的原始数字8bit灰度图像的分辨率相同，tfk(i′k,j′k)表示TFk中坐标位置为(i′k,j′k)的像素的像素值。
[0151] 在此，图像库里待提取二值数字水印的数字图像（或待检索图像）皆为8bit灰度图像。
[0152] ②-2、假设当前正在处理的待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像为第k幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像TFk。
[0153] ②-3、对TFk进行归一化处理，将TFk经归一化处理后得到的数字图像TF′k中坐标位置为(i′k,j′k)的像素的像素值记为tf′k(i′k,j′k)，tf′k(i′k,j′k)=tfk(i′k,j′k)/255，其中，1≤i′k≤I′k,1≤j′k≤J′k。
[0154] ②-4、对TF′k进行L′k级二维离散小波变换，得到一个第二小波逼近子图和多个第二小波细节子图，将TF′k对应的第二小波逼近子图记为TFAk，其中，L′k=log2(I′k/M′k)=log2(J′k/N′k)，TFAk的分辨率为
[0155] ②-5、将TFAk分解为小数部分和整数部分两部分数据子图，得到一个小数部分第二小波逼近子图和一个整数部分第二小波逼近子图，分别记为TFADk和TFAIk，在此假设令表示TFAk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示TFADk中坐标位置为 的系数的系数值，令 表示TFAIk中坐标位置为 的系数的系数
值，则有 其中，符号
表示取小于其自身的最大整数，
[0156] ②-6、根据数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值逻辑表Lgk及TFADk中的每个系数的系数值，提取出二值数字水印W′k。
[0157] 在此具体实施例中，步骤②-6的具体过程为：c1、将TFADk中当前正在处理的系数定义为当前系数，将Lgk中当前正在处理的元素定义为当前元素；c2、假设当前系数的坐标位置为(m′k,n′k)，则将当前系数的系数值记为tfadk(m′k,n′k)，假设当前元素的坐标位置为(m′k,n′k)，则将当前元素的逻辑值记为lgk(m′k,n′k)，其中，1≤m′k≤Mk,1≤n′k≤N′k；c3、根据tfadk(m′k,n′k)和lgk(m′k,n′k)，提取出二值数字水印W′k中坐标位置为(m′k,n′k)的像素的像素值，记为w′k(m′k,n′k)，具体如下：当lgk(m′k,n′k)=0且tfadk(m′k,n′k)∈[0,0.5)时，置w′k(m′k,n′k)=0；
当lgk(m′k,n′k)=0且tfadk(m′k,n′k)∈[0.5,1)时，置w′k(m′k,n′k)=1；
当lgk(m′k,n′k)=1且tfadk(m′k,n′k)∈[0,0.5)时，置w′k(m′k,n′k)=1；当lgk(m′k,n′k)=1且tfadk(m′k,n′k)∈[0.5,1)时，置w′k(m′k,n′k)=0；c4、将TFADk中下一个待处理的系数作为当前系数，将Lgk中下一个待处理的元素作为当前元素，然后返回步骤c2继续执行，直至TFADk中的所有系数和Lgk中的所有元素处理完毕，实现二值数字水印W′k的提取。
[0158] ②-7、计算数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的二值数字水印Wk与提取出的二值数字水印W′k的归一化相关系数，记为r，r=corr(Wk,W′k)，然后根据r的大小确定数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印Wk是否被成功提取出，提取出的二值数字水印可用于各个原始数字图像的版权保护等目的，其中，corr()表示归一化相关系数的计算函数。
[0159] 在此具体实施例中，步骤②-7中根据r的大小确定数字水印嵌入端嵌入的用于版权保护的二值数字水印Wk是否被成功提取的具体过程为：如果r的值为1，则确定提取出的二值数字水印W′k与数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk完全一致，表明数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk被无损地提取出，可用于版权保护。如果r的值介于1～δT之间，则说明提取出的二值数字水印W′k与嵌入端嵌入的二值数字水印Wk存在一定差异，但两者间具有很大的相似性，此时能够从提取结果即提取出的二值数字水印W′k中辨认出数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk，表明数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印Wk被成功提取出，可用于版权保护。归一化相关系数的值越接近于1，表明提取出的二值数字水印W′k与嵌入端嵌入的二值数字水印Wk越相似，越容易辨认出嵌入的二值数字水印Wk，提取效果越好。其中，δT为水印提取门限，一般可取值为0.5。如果r的值小于δT，则说明提取出的二值数字水印W′k与嵌入端嵌入的二值数字水印Wk相关性很小，这时已无法从提取结果即提取出的二值数字水印W′k中辨认出嵌入的二值数字水印Wk，提取失败。
[0160] ②-8、令k=k+1，然后返回步骤②-2继续对下一幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像进行处理，直至K幅待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像均处理完毕，其中，k=k+1中的“=”为赋值符号。
[0161] ②-9、从数字水印嵌入端传输给数字水印提取端的K个二值数字水印W1、W2、…、Wk、…、WK中任意选择一个二值数字水印作为查询信息，将该任意选择的二值数字水印记为Wz，然后分别计算Wz与K个提取出的二值数字水印W′1、W′2、…、W′k、…、W′k的归一化相关系数，对应记为r1、r2、…、rk、…、rK，r1=corr(Wz,W′1)，r2=corr(Wz,W′2)，rk=corr(Wz,W′k)，rK=corr(Wz,W′K)，最后根据K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK由大及小的顺序返回对应的K幅嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像，实现数字图像的检索，其中，1≤z≤K，W′1表示提取出的第1个二值数字水印，W′2表示提取出的第2个二值数字水印，W′k表示提取出的第k个二值数字水印，W′K表示提取出的第K个二值数字水印。
[0162] 在此具体实施例中，步骤②-9中根据K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK由大及小的顺序返回对应的K幅嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像的具体过程为：d1、比较这K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK，找出值最大的一个归一化相关系数，记为maxr1，假设maxr1为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k′个归一化相关系数，则返回嵌入有第k′个二值数字水印Wk′的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第1幅图像，其中，1≤k′≤K；d2、对于剩下的K-1个归一化相关系数，继续比较它们的大小，找出值最大的一个归一化相关系数，记为maxr2，假设maxr2为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k″个归一化相关系数，则返回嵌入有第k″个二值数字水印Wk″的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第2幅图像，其中，1≤k″≤K；d3、找出剩余的K-2个归一化相关系数中值最大的一个归一化相关系数，记为maxr2，假设maxr2为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k′″个归一化相关系数，则返回嵌入有第k′″个二值数字水印Wk′″的数字8bit灰度图像，作为符合用户检索要求的第3幅图像，其中，1≤k′″≤K；d4、以此类推，即按照步骤d3的操作，以相同的方式继续找出每次剩余的归一化相关系数中值最大的一个归一化相关系数，以此返回对应的嵌入有二值数字水印的数字8bit灰度图像，直至剩下最后一个归一化相关系数，将最后一个归一化相关系数记为maxrK，假设maxrK为K个归一化相关系数r1、r2、…、rk、…、rK中的第k*个归一化相关系数，则返回嵌入有第k*个二值数字水印Wk*的数字8bit灰度图像，作为用户检索到的最后一幅图像，排列在用户检索结果的最后，其中，1≤k*≤K。
[0163] 为更好地说明本发明用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入和提取方法的可行性和有效性，以图像库中的4幅数字图像为例进行实验验证。
[0164] 实验验证是在Matlab7.5平台上进行的，待嵌入二值数字水印的原始数字图像选用8bit的灰度图像：Bird、Aimi、Flower和Scenery，分辨率皆为512×512，分别如图1a、图1b、图1c和图1d所示。待嵌入的二值数字水印W1、W2、W3和W4选为二值图像，分辨率皆为32×32，分别如图2a、图2b、图2c和图2d所示。
[0165] 嵌入二值数字水印后数字图像质量的客观评价采用峰值
信噪比（PSNR），其中，f(i,j)表示待嵌入二值数字水印的原始数字图像F中坐标位置为(i,j)的像素的像素值，f′(i,j)表示嵌入二值数字水印后的数字图像F′中坐标位置为(i,j)的像素的像素值，fmax表示原始数字图像F的最大像素值，I×J表示待嵌入二值数字水印的原始数字图像F和嵌入二值数字水印后的数字图像F′的分辨率。
[0166] 二值 数字 水印 提取 结果 的客 观评 价采 用归 一化 相关 系数（r）：其中，w(m,n)表示原始的二值数字
水印W中坐标位置为(m,n)的像素的像素值，w′(m,n)表示提取出的二值数字水印W′中坐标位置为(m,n)的像素的像素值，和 分别表示W和W′中的所有像素的均值，M表示W和W′的水平分辨率，N表示W和W′的竖直分辨率。在版权保护中，可以根据相关系数的大小来确定提取出的二值数字水印是否为数字水印嵌入端嵌入的二值数字水印，而在数字图像检索中，可以根据相关系数的大小来排列检索结果的返回顺序。
[0167] 图3a是在图1a所示的原始Bird数字图像中嵌入图2a所示的二值数字水印W1后的水印Bird数字图像，图3b是在图1b所示的原始Aimi数字图像中嵌入图2b所示的二值数字水印W2后的水印Aimi数字图像，图3c是在图1c所示的原始Flower数字图像中嵌入图2c所示的二值数字水印W3后的水印Flower数字图像，图3d是在图1d所示的原始Scenery数字图像中嵌入图2d所示的二值数字水印W4后的水印Scenery数字图像。由图3a、图3b、图3c和图3d可见，相比于图1a、图1b、图1c和图1d的各个原始数字图像，嵌入二值数字水印后的水印数字图像的主、客观质量都非常理想。主观上，人眼视觉观察不到有任何变化，客观上，
峰值信噪比（PSNR）都很高，分别达到了40.25dB、41.23dB、41.43dB和
40.76dB。说明本发明提出的数字水印嵌入方法是可行的，完全满足了水印不可觉察性要求，因此不会影响到原始数字图像的后续应用。
[0168] 图4a为从图3a水印Bird数字图像中提取出的二值数字水印W′1，图4b为从图3b水印Aimi数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图4c为从图3c水印Flower数字图像中提取出的二值数字水印W′3，图4d为从图3d水印Scenery数字图像中提取出的二值数字水印W′4。从图4a、图4b、图4c和图4d中可以看出，在图3a、图3b、图3c和图3d所示的水印数字图像未受任何影响或外来攻击时，可以完全无损地从水印数字图像中分别提取出嵌入的二值数字水印，原始的二值数字水印与提取出的二值数字水印的归一化相关系数r都为1。说明本发明提出的数字水印提取方法是可行的，提取出的数字水印完全可用于各自数字图像的版权保护等方面目的。
[0169] 图5a为以原始二值数字水印W1作为查询信息，图5b、图5c、图5d和图5e是以原始二值数字水印W1作为查询信息时返回的检索结果，图6a为以原始二值数字水印W2作为查询信息，图6b、图6c、图6d和图6e是以原始二值数字水印W2作为查询信息时返回的检索结果，图7a为以原始二值数字水印W3作为查询信息，图7b、图7c、图7d和图7e是以原始二值数字水印W3作为查询信息时返回的检索结果，图8a为以原始二值数字水印W4作为查询信息，图8b、图8c、图8d和图8e是以原始二值数字水印W4作为查询信息时返回的检索结果。检索是通过提取图像库里待检索数字图像中的二值数字水印作为特征信息，比较查询信息与特征信息的相关性，然后根据相关系数由大及小顺序返回的。从图5a至图8e可以看出，检索结果揭示了本发明提出的基于数字水印技术进行图像检索的可行性以及针对性，可以快速、准确地检索出用户所需的数字图像。例如，每一次检索返回的第1幅数字图像正是用户最需要的查询结果，其归一化相关系数远大于后面几幅数字图像。
[0170] 下面对图像库里待提取二值数字水印的数字8bit灰度图像进行多种攻击处理，来验证本发明提出的用于图像检索和版权保护的数字水印嵌入和提取方法的可行性和鲁棒性。
[0171] （1）中值滤波
[0172] 对图3a、图3b、图3c和图3d所示的各幅水印数字图像进行中值滤波处理，
滤波器窗口大小选择为[9×9]，得到滤波后的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像分别如图9a、图9b、图9c和图9d所示。图10a为从图9a所示的水印Bird数字图像中提取出的二值数字水印W′1，图10b为从图9b所示的水印Aimi数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图10c为从图9c所示的水印Flower数字图像中提取出的二值数字水印W′3，图10d为从图9d所示的水印Scenery数字图像中提取出的二值数字水印W′4。对于[9×9]大窗口的中值滤波处理，相对于图3a、图3b、图3c和图3d所示的原始水印数字图像，图9a、图9b、图9c和图9d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像的细节信息已比较模糊，峰值信噪比PSNR分别下降至30.22dB、29.97dB、28.76dB和24.58dB，但由水印提取结果可知，本发明嵌入的二值数字水印具有比较理想的抗滤波处理能
力，归一化相关系数r分别达到了0.941、0.853、0.854和0.641，可以起到版权保护作用。
[0173] 以图11a所示的原始二值数字水印W2作为查询信息，对图9a、图9b、图9c和图9d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像进行检索，返回的检索结果如图11b、图11c、图11d和图11e所示。可见，图像库中水印数字图像经过大窗口中值滤波处理以后，尽管图像质量退化明显，但仍可快速、准确地检索出用户所需结果。
[0175] 对图3a、图3b、图3c和图3d所示的水印数字图像进行JPEG有损压缩处理，压缩质量因子选择为8%，得到的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像如图12a、图12b、图12c和图12d所示。图13a为从图12a所示的水印Bird数字图像中提取出的二值数字水印W′1，图13b为从图12b所示的水印Aimi数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图13c为从图12c所示的水印Flower数字图像中提取出的二值数字水印W′3，图13d为从图
12d所示的水印Scenery数字图像中提取出的二值数字水印W′4。对于压缩质量因子为8%的JPEG有损压缩处理，图12a、图12b、图12c和图12d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像都呈现出比较明显的
方块效应，视觉质量发生了退化，峰值信噪比PSNR分别下降至31.97dB、31.17dB、31.09dB和28.91dB，但由水印提取结果可知，本发明嵌入的二值数字水印具有很理想的抗JPEG有损压缩处理能力，归一化相关系数r分别达到了
0.885、0.866、0.653和0.920，可以起到版权保护作用。
[0176] 以图14a所示的原始二值数字水印W3作为查询信息，对图12a、图12b、图12c和图12d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像进行检索，返回的检索结果如图14b、图14c、图14d和图14e所示。可见，图像库中水印数字图像经过JPEG有损压缩处理以后，尽管图像质量退化明显，但仍可快速、准确地检索出用户所需结果。
[0177] （3）叠加高斯噪声
[0178] 对图3a、图3b、图3c和图3d所示的水印数字图像进行噪声干扰，噪声选用均值为0方差为0.05的高斯噪声，得到的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像如图15a、图15b、图15c和图15d所示。图16a为从图15a所示的水印Bird数字图像中提取出的二值数字水印W′1，图16b为从图15b所示的水印Aimi数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图16c为从图15c所示的水印Flower数字图像中提取出的二值数字水印W′3，图16d为从图15d所示的水印Scenery数字图像中提取出的二值数字水印W′4。对于均值为0方差为0.05的高斯噪声干扰，图15a、图15b、图15c和图15d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像的视觉质量发生严重退化，峰值信噪比PSNR分别下降至20.0dB、
20.59dB、20.07dB和20.04dB，但由水印提取结果可知，本发明嵌入的二值数字水印具有很好的抗噪声干扰能力，归一化相关系数r分别达到了0.969、0.839、0.977和0.967，可以起到版权保护作用。
[0179] 以图17a所示的原始二值数字水印W4作为查询信息，对图15a、图15b、图15c和图15d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像进行检索，返回的检索结果如图17b、图17c、图17d和图17e所示。可见，图像库中水印数字图像经过高斯噪声干扰以后，尽管图像质量退化明显，但仍可快速、准确地检索出用户所需结果。
[0180] （4）几何切割
[0181] 对图3a、图3b、图3c和图3d所示的水印数字图像进行几何切割，切去右上角256×256个像素点，得到如图18a、图18b、图18c和图18d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像。图19a为从图18a所示的水印Bird数字图像中提取出的二值数字水印W′1，图19b为从图18b所示的水印Aimi数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图
19c为从图18c所示的水印Flower数字图像中提取出的二值数字水印W′2，图19d为从图
18d所示的水印Scenery数字图像中提取出的二值数字水印W′4。由水印提取结果可知，尽管水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像受到较大程度的破坏，峰值信噪比PSNR下降至12.37dB、10.63dB、13.28dB和11.68dB，但本发明方法对于几何切割具有比较好的鲁棒性，嵌入的二值数字水印仍能被很好地提取出来，归一化相关系数r分别达到了0.794、
0.631、0.730和0.719，可以起到版权保护作用。
[0182] 以图20a所示的原始二值数字水印W1作为查询信息，对图18a、图18b、图18c和图18d所示的水印Bird、Aimi、Flower和Scenery数字图像进行检索，返回的检索结果如图20b、图20c、图20d和图20e所示。可见，尽管这时水印数字图像几何失真严重，但仍可快速、准确地检索出用户所需结果。
