一种基于组合域的鲁棒彩色图像水印方法

摘要

本发明公开了一种强鲁棒的彩色图像水印算法，结合空域水印方法和频域水印方法的优点，旨在提高数字水印方法的实时性和鲁棒性，满足彩色数字图像版权保护的需要。其技术要点是，将彩色宿主图像的蓝色分量进行分块，根据DCT域中直流系数的形成原理，在空域中求得分块内每一个8×8像素子块的直流系数及其修改量，然后在空域中通过直接修改像素的大小来实现在DCT域中修改直流系数来嵌入水印的目；在原始水印分块的基础上先后重复4次将子水印嵌入到图像分块；水印的提取不需要原始水印或原始宿主图像，采用多数原则决定最优提取子水印，并组合形成完整的提取水印，该方法简单快捷，具有较高的鲁棒性，适用于彩色图像作为宿主图像的版权保护。

说明书

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，用快速而鲁棒的数字水印方法进行数字图像的版权保护。

背景技术

随着Internet和多媒体技术的快速发展，数字作品的非法拷贝、恶意篡改版权等已越来越成为一个迫切解决的严重问题，用于数字版权保护的数字水印技术越来越受到人们的重视。按数字水印嵌入位置的不同，可将其分为变换域数字水印和空域数字水印。变换域数字水印一般是将图像进行变换域变换，通过修改其变换系数来嵌入水印，其主要优点是具有较强的鲁棒性；而空域数字水印通常是将水印嵌入到像素的不重要比特位上，其具有计算简单、计算复杂度低等优点。由于变换域和空域各自具有不同的优点，因而在数字水印中都得到广泛的应用；但是，现有的数字水印方法多是在单一的变换域或空域中实现的，没有将二者的优点有机结合起来。因此，如何设计一种快速高效、强鲁棒性的彩色图像数字水印方法成为亟待解决的信息安全问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于组合域的鲁棒彩色图像水印方法，包含具体的水印预处理、水印嵌入和水印提取过程，其水印预处理过程描述如下：

第一步：将尺寸大小为M×M的原始水印W分割成4个尺寸大小为M×(M/4)的嵌入子水印，其中，；

第二步：将每一个嵌入子水印进行基于密钥K_p的哈希伪随机置乱以提高水印的安全性；

水印嵌入的具体过程描述如下：

第一步：获得尺寸大小为N×N的宿主图像I的蓝色分量B，并基于密钥Key1把蓝色分量B分割成尺寸大小为(N/4)×(N/4)的非重叠的图像分块，其中，；

第二步：把每一个图像分块分割成尺寸大小为8×8的非重叠的像素子块，其中i，j分别表示该像素子块在图像分块中的行位置与列位置，；

第三步：根据公式(1)，在空域中直接计算每一个像素子块的直流系数；

(1)

其中，表示像素子块中坐标位置上的像素，；

第四步：根据公式(2)和(3)，建立基于密钥K2的量化步长T的量化表和；

(2)

(3)

其中，

，round(.)为取整函数，、分别为求最小值、最大值函数；

第五步：根据公式(4)和(5)，计算像素子块的直流系数修改量；

(4)

(5)

其中，表示包含在嵌入子水印中而将在像素子块中嵌入的位水印信息，abs(.)为取绝对值函数，是嵌入水印后该块直流系数的修改结果；

第六步：利用公式(6)，将像素子块所有像素的值加上，即在空域中将一位水印信息嵌入到这个像素子块内；

(6)

其中，表示被嵌入水印的像素子块中坐标位置上的像素，；

第七步：重复执行本过程第五步至第六步，直到嵌入子水印的所有水印信息都嵌入到图像分块；

第八步：重复执行本过程第三步至第七步，直到嵌入子水印被重复嵌入到4个不同位置的图像分块；

第九步：重复执行本过程第二步至第八步，直到所有的嵌入子水印嵌入到所有的图像分块，至此，得到嵌入水印的蓝色分量，然后将之与红、绿分量组合得到含水印的图像；

水印提取的具体过程描述如下：

在不需要原始宿主图像或原始水印图像的前提下，执行下列步骤提取水印：

第一步：从尺寸大小为N×N的含水印图像中获得其含水印的蓝色分量，并基于密钥Key1把蓝色分量分割成尺寸大小为(N/4)×(N/4)的非重叠的图像分块，其中，；

第二步：把每一个图像分块分割尺寸大小为8×8的非重叠的像素子块，其中，i，j分别表示该像素子块在图像分块的行位置、列位置，；

第三步：根据公式(7)，在空域中直接计算图像分块中每一个像素子块的直流系数；

(7)

第四步：根据公式(8)，利用密钥K2的量化步长T来决定提取水印；

(8)

其中，mod(.)为求余函数，ceil(x)是取不小于x的最小整数；

第五步：重复执行本过程第四步，得到提取子水印，其中，；

第六步：因嵌入时将每一个嵌入子水印重复嵌入4次，所以重复执行本过程第三步至第五步将在4个不同的位置上得到提取子水印，其中，；

第七步：根据公式(9)所示的多数原则形成提取子水印的最优提取子水印；

(9)

其中，sum(.)是求和函数，是提取子水印中水印信息所在的位置，，；

第八步：重复执行本过程第三步至第七步，得到4个嵌入子水印的最优提取子水印；

第九步：对每个最优提取子水印进行基于密钥K_p的哈希伪随机逆置乱，并组合获得最终提取水印。

该方法简单快捷，具有较高的水印不可见性和较强的鲁棒性，本发明达到如下效果：将数字水印并“毫无察觉”地嵌入到宿主图像，提取水印时不需要原始宿主图像或原始水印图像的帮助，能从各种受攻击图像快速提取所嵌入的水印，该方法适用于快速而鲁棒的彩色图像版权保护。

附图说明

图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）是四幅原始彩色宿主图像。

图2（a）是原始数字水印图像，图2（b）是将原始水印图2（a）分块的效果图，图2（c）是将图2（b）所示分块子水印置乱后的效果图。

图3（a）宿主图像的分块示意图，图3（b）是子水印嵌入位置的示意图。

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）所示的是将图2（a）所示的水印图像经过分块、置乱后嵌入到图1（a）、图1（b）、图1(c)、图1(d)所得的含水印图像，其PSNR（峰值信噪比）值分别为49.9898dB、49.8901dB、49.8664dB、50.0839dB。

图5（a）、图5（b）、图5（c）、图5（d）表示在未受攻击的情况下从图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）依次提取的水印结果，其NC（归一化互相关系数）值分别为1.0000，1.0000，1.0000，1.0000。

图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）、图6（e）、图6（f）、图6（g）是将图4（a）依次进行JPEG压缩（60）、加椒盐噪声（0.002）、加高斯噪声（0，10%）、中值滤波（3×3）、旋转（30）、缩放（0.25）、剪切（1/4）后所提取的数字水印图像，其NC值分别是0.9124、0.9724、0.9816、0.9670、0.9966、0.9954、1.0000。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于组合域的鲁棒彩色图像水印方法，包含具体的水印预处理、水印嵌入和水印提取过程，其水印预处理过程描述如下：

第一步：将尺寸大小为32×32的原始水印W分割成4个尺寸大小为32×8的嵌入子水印,其中；

第二步：将每一个嵌入子水印进行基于密钥K_p的哈希伪随机置乱以提高水印的安全性；

水印嵌入的具体过程描述如下：

第一步：获得尺寸大小为512×512的宿主图像I的蓝色分量B，并基于密钥Key1把蓝色分量B分割成尺寸大小为128×128的非重叠的图像分块，其中，；

第二步：把每一个图像分块分割成尺寸大小为8×8的非重叠的像素子块，其中i，j分别表示该像素子块在图像分块中的行位置与列位置，其中，；

第三步：根据公式(1)，在空域中直接计算每一个像素子块的直流系数；

(1)

其中，表示像素子块中坐标位置上的像素，；

设一像素块是，则利用公式(1)求得其直流系数为384；

第四步：根据公式(2)和(3)，建立基于密钥K2的量化步长T的量化表和；

(2)

(3)

其中，

，round(.)为取整函数，、分别为求最小值、最大值函数；当量化步长为20，且最小的直流系数为0.875，最大的直流系数为1758.5时，根据公式(2)和(3)，分别建立量化表=[-30,10,50,90,….,1770,1810]，=[-50,-10,30,70,…,1750,1790],此时；

第五步：根据公式(4)和(5)，计算像素子块的直流系数修改量；

(4)

(5)

其中，表示包含在嵌入子水印中而将在像素子块中嵌入的位水印信息，abs(.)为取绝对值函数，是嵌入水印后该块直流系数的修改结果；当嵌入的位水印信息是0时，则根据公式(4)知，将位水印信息嵌入后直流系数应修改为390；根据公式(5)，得出直流系数修改量是390-384=6；

第六步：利用公式(6)，将像素子块所有像素的值加上，即在空域中将一位水印信息嵌入到这个像素子块内；

(6)

其中，表示被嵌入水印的像素子块中坐标位置上的像素，；

利用公式(6)，将像素子块所有像素的值加上6/8，即0.75，得到嵌入水印后的像素子块为；

第七步：重复执行本过程第五步至第六步，直到嵌入子水印的所有水印信息都嵌入到图像分块；

第八步：重复执行本过程第三步至第七步，直到嵌入子水印被重复嵌入到4个不同位置的图像分块；

第九步：重复执行本过程第二步至第八步，直到所有的嵌入子水印嵌入到所有的图像分块，至此，得到嵌入水印的蓝色分量，然后将之与红、绿分量组合得到含水印的图像；

水印提取的具体过程描述如下：

在不需要原始宿主图像或原始水印图像的前提下，执行下列步骤提取水印：

第一步：从尺寸大小为512×512的含水印图像中获得其含水印的蓝色分量，并基于密钥Key1把蓝色分量分割成尺寸大小为128×128的非重叠的图像分块，其中，；

第二步：把每一个图像分块分割尺寸大小为8×8的非重叠的像素子块，其中i，j分别表示该像素子块在图像分块的行位置、列位置，；

第三步：根据公式(7)，在空域中直接计算图像分块中每一个像素子块的直流系数；

(7)

设当前的像素子块为，根据公式(7)，得出其直流系数为392；

第四步：根据公式(8)，利用密钥K2的量化步长T来决定提取水印；

(8)

其中，mod(.)为求余函数，ceil(x)是取不小于x的最小整数；当T=20时，根据公式(8)，得出提取水印是0；

第五步：重复执行本过程第四步，得到提取子水印，其中，；

第六步：因嵌入时将每一个嵌入子水印重复嵌入4次，所以重复执行本过程第三步至第五步将在4个不同的位置上得到提取子水印，其中，；

第七步：根据公式(9)所示的多数原则形成提取子水印的最优提取子水印；

(9)

其中，sum(.)是求和函数，是提取子水印中水印信息所在的位置，，；

第八步：重复执行本过程第三步至第七步，得到4个嵌入子水印的最优提取子水印；

第九步：对每个最优提取子水印进行基于密钥K_p的哈希伪随机逆置乱，并组合获得最终提取水印。

该方法简单快捷，具有较高的水印不可见性和强鲁棒性，非常适用于快速而鲁棒的彩色图像版权保护。

本发明有效性验证

为了证明本发明的有效性，选择如图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）所示的四幅大小为512×512的24位标准图像作为宿主图像，并将如图2（a）所示的大小为32×32的二值图像作为原始数字水印图像，图2（b）是将原始水印图2（a）分块的效果图，图2（c）是将图2（b）所示分块子水印置乱后的效果图；同时，设定量化步长T=20进行验证。

图3（a）所示的是将宿主图像的蓝色分量进行128×128分块的示意图，图3（b）所示的是将4个不同的子水印嵌入4个不同位置的示意图。

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）所示的是将图2（a）所示的水印经过分块、置乱后嵌入到图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）所得的含水印图像，其PSNR（峰值信噪比）值分别为49.9898dB、49.8901dB、49.8664dB、50.0839dB，可以看出所嵌入的水印具有良好的不可见性；在未受攻击的情况下，从图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）依次提取水印是图5（a）、图5（b）、图5（c）、图5（d），其NC（归一化互相关系数）值分别为1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，可以看出水印提取方法具有较好的有效性。

同时，图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）、图6（e）、图6（f）、图6（g）是将图4（a）依次进行JPEG压缩（60）、加椒盐噪声（0.002）、加高斯噪声（0，10%）、中值滤波（3×3）、旋转（30）、缩放（0.25）、剪切（1/4）后所提取的数字水印图像，其NC值分别是0.9124、0.9724、0.9816、0.9670、0.9966、0.9954、1.0000。

由此可见，所提取的数字水印图像具有良好的可鉴别性，说明该方法具有较强的鲁棒性，能够很好地提取所嵌入的水印进行版权保护。