信息隐藏与数字水印技术 第七章 可逆水印

第七章可逆水印
2013年11月21日
陈真勇
北京航空航天大学计算机学院
先进计算机应用技术教育部工程研究中心
2014-6-242
第七章主要内容
•可逆水印概念
•典型可逆水印
2014-6-243
What is reversible watermarking
•可逆水印
Reversible/Invertible/Lossless
A simple method
•A simple method to make it reversible
Data compression
2014-6-244
2014-6-245
Why using it
•Military multimedia data
•Medical multimedia data
•Other important data
2014-6-246
Astro-images
•File header
•Visible watermark
•Non-reversible watermark •Reversible watermark
2014-6-247
Digital video watermarking for
metadata embedding in UAV video •US Air Force Research Laboratory, Rome, NY,
award #FA8750-04-1-0185
Global Hawk Predator
2014-6-24Digital video watermarking for
metadata embedding in UAV video
8
MetaData of
Properties
GPS coordinates
Camera angles
Altitude
Time
etc.
2014-6-249
Medical images •High fidelity •Much metadata •Automatic process
2014-6-2410第七章主要内容•可逆水印概念•典型可逆水印
2014-6-2411
典型可逆水印算法
Reversible watermarking methods can be divided into three categories as follows.
•Data compression （基于图像数据压缩）•Difference expansion （基于差值扩展）•Histogram bin shifting （基于直方图修改）
2014-6-2412
Data compression
•基于图像数据压缩的可逆水印
基于图像压缩的可逆水印策略一般采用无损压缩算法将图像对人眼不敏感的部分进行压缩以腾出空间来嵌入水印。

例如，将图像的最低有效位(Least Significant Bit, LSB)进行压缩，然后将压缩后的最低有效位数据和水印数据一起嵌入到新的图像的最低有效位。

第一个基于图像压缩的可逆水印正是对LSB 进行压缩的算法，是由Fridrich 等人提出的。

2014-6-2413
位平面Bit plane
1
1
1
1
0.Pixel
location 78 = Gray scale
value of 78
represented
by 8 bits
11..Lowest 3 of the 8 bit planes
2014-6-2414
Data compression
•Celik et al. in 2005
•4x4block, L=5
2014-6-2415
Data compression
•特点
基于图像数据压缩的可逆水印的嵌入容量主要取决于图像数据的压缩率。

图像数据的压缩率越高，可嵌入的容量越高。

但一般而言，为保证水印不可感知性，可进行压缩的只能是图像的一部分，因此，基于图像数据压缩算法的可逆水印的嵌入容量一般不是十分大。

并且，高效的图像数据压缩一般涉及复杂的运算，因此，该类可逆水印算法的计算复杂度也比较高。

2014-6-2416
Difference expansion
•基于差值扩展的可逆水印
差值扩展(Difference Expansion, DE)，最早由Tian 于2003年提出。

它扩展小波变换的高频部分，并将水印信息嵌入其中。

在Tian 的算法中，他首先按水平或垂直方向将图片分成不交迭的像素对。

求出像素对的平均值和差值，然后将差值乘以2然后加上要嵌入的bit 位以形成新的差值。

2014-6-2417
Difference expansion
•l 系数对均值
•h
系数对差值
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Difference expansion
•Tian: expand pixel pair difference 嵌入
提取
2014-6-2419
Difference expansion
•特点
差值扩展的嵌入容量取决于可以扩展的差值的多少，也取决于对Location Map 的处理。

其可扩展的差值越多，Location Map 所占的开销越小，水印的嵌入容量也就越大。

事实上，在Tian 的方法中，如果不对Location Map 进行压缩，Location Map 所占的空间大小和嵌入的容量是一样的，如果不对Location Map 进行压缩，可逆水印嵌入也就不可行。

当然，新提出一些的方法可以彻底消除
Location Map 的开销，大大提高了差值扩展算法的性能。

2014-6-2420Histogram bin shifting
•基于直方图修改的可逆水印
基于直方图修改的可逆水印方案是利用了图像像素的统计特性。

较早的基于直方图修改的可逆水印算法由
Vleeschouwer 等人于2003年提出的。

他将图像分为不交迭的像素块，然后随机地将每个像素块分成两个部分。

由于这两部分是随机地得到的，可以预知这两部分像素的直方图应该是比较接近的。

正是根据这一统计特性，
Vleeschouwer 等通过平移其中一部分的直方图来嵌入水印。

在抽取水印并还原图像时，只要将图像按同样的方式分块并划分成两部分就可以得到两个直方图，由于这两个直方图在水印嵌入前是相似的，我们就能以此为依据提取水印并还原图像。

2014-6-2421
Histogram bin shifting
•Vleeschouwer’s method
第七章可逆水印
2013年11月21日陈真勇
chzhyong@ 北京航空航天大学计算机学院先进计算机应用技术教育部工程研究中心。