一种基于变换域的图像水印添加方法

摘要

本发明公开了一种基于变换域的图像水印添加方法，包括将图像由RGB颜色空间转换到CIE-Lab颜色空间，计算图像像素的能量值，获取待添加水印的灰度图，以8×8的像素矩阵为一个单元，将待处理的图像分成若干个互不交叠的单元，按照单元中所有像素能量值之和的大小顺序，取与水印灰度图中元素个数相同的单元作为水印的添加区域，对所查找出的单元中像素在CIE-Lab颜色空间的亮度通道值做二维离散余弦变换，将水印灰度图中元素的灰度值叠加在所查找出的单元的二维离散余弦变换系数矩阵的低频分量系数上，将图像由CIE-Lab颜色空间转换回RGB颜色空间。本发明方法能提高添加水印的稳定性、鲁棒性及安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图像处理技术领域，尤其涉及一种基于变换域的图像水印添加方法。

背景技术

随着因特网的日益普及，多媒体信息的交流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。数字化形式的多媒体数据为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性，与此同时其版权保护也成为一个急需解决的问题。数字水印是在多媒体信息领域实现版权保护的直接而又有效的办法，该技术将具有特定意义的标记，利用数字技术嵌入并隐藏在需要保护的多媒体数据中，用以显示创作者对其作品的所有权。这种标记可以是文字、序列号、图像或其它有特殊标记作用的符号。嵌入到载体中的水印应以不破坏原数据欣赏价值、使用价值为原则，并尽可能保证其不被恶意破坏或破解。

传统基于变换域的离散余弦变换域数字水印方法首先把像素分成若干个不重叠的像素块，再经过离散余弦变换后，得到由离散余弦变换系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制的离散余弦变换系数中，通过选择特定的离散余弦变换系数进行微小变换以满足特定的关系，来表示一个比特的信息。这类方法隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中，但算法的隐藏和提取信息操作复杂。

发明内容

本发明提供了一种基于变换域的图像水印添加方法，该方法基于图像像素的视觉重要性检测，将水印添加在图像中视觉特征最重要的地方。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

(1)将待处理的图像由RGB颜色空间转换到CIE-Lab颜色空间；

(2)计算转换到CIE-Lab颜色空间后的图像各个像素的能量值；

由于CIE-Lab颜色空间分离了颜色亮度和色彩变化，因此在CIE-Lab颜色空间里计算图像像素的能量值比在RGB颜色空间里计算得更准确。

(3)获取待添加水印的灰度图；

(4)查找水印的添加区域；

以8×8的像素矩阵为一个单元，将待处理的图像分成若干个互不交叠的单元，计算每个单元中所有像素能量值之和，取能量值之和最大的前M×N个单元，作为水印的添加区域。

(5)将水印添加到查找出的区域内；

在所查找的区域上添加水印的过程为：将所查找出的M×N个单元中像素在CIE-Lab颜色空间的亮度通道值做二维离散余弦变换，将水印灰度图中元素的灰度值叠加在所查找出的M×N个单元的二维离散余弦变换系数矩阵的低频分量系数上。

(6)将添加水印后的图像由CIE-Lab颜色空间转换到RGB颜色空间。

与现有的添加方法相比，本发明方法能将水印添加在图像视觉最重要的地方，攻击者在破坏水印时，不可避免地会引起图像质量严重下降，从而提高添加水印的稳定性、鲁棒性以及安全性。

附图说明

图1是本发明方法的技术方案流程图；

图2是本发明计算像素能量值的算法示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于变换域的图像水印添加方法，包括：

(1)将待处理的图像由RGB颜色空间转换到CIE-Lab颜色空间；

RGB颜色空间转换到CIE-Lab颜色空间按照下面的公式进行转换：

$\left(\begin{array}{c}L=0.299\times R+0.587\times G+0.114\times B\\ a=0.713\times (R-L)\\ b=0.564\times (B-L)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)、(2)中，R、G、B分别表示图像在RGB颜色空间内的红、绿、蓝颜色值；L表示图像在CIE-Lab颜色空间内的亮度通道值，a和b表示图像在CIE-Lab颜色空间内的两个彩色通道值。计算机中的图像文件一般以RGB颜色空间的形式保存，将图像从RGB颜色空间转换到CIE-Lab颜色空间中处理，是因为CIE-Lab颜色空间分离了颜色亮度和色彩变化，更能描述和反映人们对颜色的感知，计算的视觉重要性值更精准。而且，两种颜色空间的相互转换是可逆的。

(2)计算变换到CIE-Lab颜色空间后的图像各个像素的能量值；

在CIE-Lab颜色空间里计算图像各个像素的能量值比在RGB颜色空间里更精确。如图2所示，用P_i，j表示图像中第(i，j)个元素，L_i，j表示该像素的亮度通道值，a_i，j、b_i，j表示该像素的两个彩色通道值，该像素能量值S_i，j的计算公式为：

S_i，j＝|L_i，j-L_i+1，j|+|a_i，j-a_i+1，j|+|b_i，j-b_i+1，j|

                                                              (2)

+|L_i，j-L_i，j+1|+|a_i，j-a_i，j+1|+|b_i，j-b_i，j+1|

其中，L_i+1，j、a_i+1，j、b_i+1，j表示像素P_i，j竖直方向上相邻像素P_i+1，j的亮度通道值和两个彩色通道值，L_i，j+1、a_i，j+1、b_i，j+1表示像素P_i，j水平方向上相邻像素P_i，j+1的亮度通道值和两个彩色通道值。由式(3)可以看出，一个像素的能量值为该像素与其相邻像素相应颜色通道值之差的绝对值之和。因此，像素的能量值越大，表明该像素与其相邻像素的各个颜色通道梯度变化越剧烈，则其边缘特征就越强，视觉重要性相应也就越大。

(3)获取待添加水印的灰度图；

待添加的水印可以是一段文字、一个图标、一幅图像或其他各种传达某种信息的符号。由于水印只是用作标志性信息，其亮度不能太大，否则会对原图像造成破坏。一般，水印灰度图的亮度值在0～50之间。

对于文字水印，对其进行光栅化处理，得到M×N的矩阵表示灰度图；

对于图像水印，同样得到M×N的矩阵表示灰度图，其灰度图即为该图像水印在CIE-Lab颜色空间中的亮度通道值L。

(4)查找水印的添加区域；

以8×8的像素矩阵为一个单元，将待处理的图像分成若干个互不交叠的单元，计算每个单元中所有像素能量值之和，取能量值之和最大的前M×N个单元，作为水印的添加区域。按照这M×N个单元的像素能量值之和从大到小依次标记为S₁、S₂...S_m×N。

由于像素的能量值反应了像素的视觉重要性，按照本发明方法查找出的水印添加区域为原图像中视觉重要性最大的区域，将水印添加在这个区域可以有效的保护水印不被破坏。

(5)将水印添加到查找出的区域内；

首先，对所查找出的M×N个单元中像素的亮度通道值L做二维离散余弦变换，然后按照水印灰度图矩阵中元素的排列顺序，将灰度图矩阵中每个元素的灰度值叠加在对应单元的二维离散余弦变换系数矩阵的低频分量系数上。水印灰度图矩阵中的元素与所查找出的M×N个单元的对应关系为：

用a_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)表示水印灰度图矩阵中第(i，j)个元素，则a₁₁对应单元S₁，a_1N对应单元S_N，a₂₁对应单元S_N+1......a_MN对应单元S_M×N，类似按照从左到右，从上到下的顺序与M×N个单元一一对应。按照这样的对应关系添加水印可以简化对图像提取水印的操作过程。

(6)将添加水印后的图像由CIE-Lab颜色空间转换到RGB颜色空间；

图像由CIE-Lab颜色空间转换到RGB颜色空间的转换方法如下：

$\left(\begin{array}{c}R=L+1.403\times a\\ G=L-0.714\times a-0.334\times b\\ B=L+1.773\times a\end{array}\right)---\left(3\right)$