CN117057971B - 一种基于亮度收缩校准的jpeg图像半脆弱水印算法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法及装置，涉及图像隐写与数字水印技术领域，首先将JPEG图像中亮度分量进行中部收缩；然后，对经过该处理的JPEG图像使用相同的量化表进行二次压缩得到校准图像；接着，将校准后的DCT系数与原始DCT系数进行比对，得到量化索引调制的量化方向；最后进行量化索引调制完成量化；提取时，对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化得到半脆弱水印。本发明采用亮度收缩校准方法和量化索引调整技术的结合创新地解决了传统水印技术的诸多问题，提升了数字水印技术在JPEG图像中的应用前景。在图像的版权保护、身份验证、图像防篡改、信息隐藏等领域都具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及图像隐写与数字水印技术领域，尤其是涉及一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法及装置。
背景技术
近年来，随着数字图像的广泛应用，在图像的可信度和内容的保护方面提出了越来越高的要求。
其中，数字水印技术作为一种重要的图像可信度保护方法，受到了广泛关注。JPEG图像作为最为常见的图像格式，在DCT系数上使用量化索引调制的方法进行信息嵌入时，其对DCT系数修改必然会导致空域像素可能超过0-255的区间范围遭受截断，进而造成JPEG图像在经历二次压缩后经过量化索引调制的DCT系数产生较大的扰动，造成嵌入信息的提取失败。这也会降低该半脆弱水印的鲁棒性。
发明内容
为了解决传统水印技术的不足，本发明提供一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法。采用如下的技术方案：
一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，用于对JPEG图像进行半脆弱水印的嵌入，半脆弱水印嵌入过程包括以下步骤：
步骤1，原始JPEG图像亮度收缩，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩，得到亮度分量为像素的亮度收缩JPEG图像，原始JPEG图像中的DCT系数为D；
步骤2，二次压缩得到校准图像，将像素所组成亮度收缩JPEG图像进行二次JPEG压缩，二次JPEG压缩后的图像为校准图像，DCT系数变为/>；
步骤3，计算量化方向，计算原始JPEG图像DCT系数D的量化方向；
步骤4，量化索引调制半脆弱水印，对原始JPEG图像的DCT系数D进行步长为q，水印比特为b的量化索引调制嵌入，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像。
通过采用上述技术方案，本算法主要针对JPEG图像的亮度分量进行处理，并利用量化索引调整技术实现半脆弱水印的嵌入。具体而言，首先对JPEG图像中的亮度分量进行中部收缩处理，通过将像素数值靠近数值0和255这样的极端取值避免掉，以提高水印嵌入的可靠性和可见性。接着，经过处理的图像使用相同的量化表进行二次压缩，得到校准图像。然后，将经过校准的亮度DCT系数与原始的DCT系数进行比对，通过比对结果得到量化索引调制的量化方向。最后，在量化索引调制的基础上进行量化操作，完成半脆弱水印的嵌入。
量化方向可以让修改DCT系数后造成亮度收缩，降低因亮度像素值超过0-255的取值范围而遭受截断的可能，从而阻止了该截断反作用于DCT系数使其变回原始数值的趋势，有利于提高水印鲁棒性。
可选的，步骤1中，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩过程表示如下：
；
其中为亮度收缩JPEG图像的亮度像素数值，F为收缩强度，取值为/>。
通过采用上述技术方案，F的值可以为，数值越大，收缩越显著，/>越接近中间值128。通过该操作，可以让像素远离0和255这样的极端取值。避免压缩像素时带来的数值截断。
可选的，步骤2中，对亮度收缩JPEG图像采用与原始JPEG图像相同的压缩强度进行二次JPEG压缩。
通过采用上述技术方案，将像素所组成的经过亮度收缩的图像进行二次相同压缩强度的JPEG压缩，即使用和原始JPEG图像相同的量化表进行量化。经过二次JPEG压缩后，原始的图像的亮度DCT系数由D变为了/>。
可选的，步骤3中，DCT系数D的量化方向计算方法如下：
。
通过采用上述技术方案，将经过校准的亮度DCT系数与原始的量化DCT系数进行比对，通过比对结果得到量化索引调制的量化方向。
可选的，步骤4中，量化索引调制嵌入过程如下：
；
其中为四舍五入取整，/>为完成量化索引调制嵌入后的DCT系数D，mod为取余数运算，/>为异或运算，b为嵌入的水印信息，取值为0或1。可选的，q的取值越大，水印强度越高。
通过采用上述技术方案，含有水印的JPEG图像当经过二次压缩时，若二次压缩强度不增大，即二次压缩JPEG所使用的量化表数值不增大时，该量化索引调制水印具有鲁棒性。反之水印具有脆弱性。水印嵌入者可以根据需要选择合适量化表的JPEG图像作为载体图像完成水印嵌入，以抵抗或检测可能遭受的JPEG二次压缩。
可选的，对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作实现对嵌入水印的提取。
可选的，对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作中对水印比特为b提取的计算公式为：
；
其中为四舍五入取整，mod为取余数运算。
通过采用上述技术方案，在水印提取阶段，只需要对JPEG图像的亮度DCT系数进行传统的解量化操作即可完成嵌入水印的提取。通过水印比特为b提取的计算公式计算，能够在保证图像质量的情况下实现水印的嵌入和提取，提高了水印的可靠性和鲁棒性。
一种JPEG图像半脆弱水印嵌入装置，包括图像输入模块、图像处理芯片、存储器和显示器，所述图像输入模块用于输入原始JPEG图像，所述存储器内预装有JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，所述图像处理芯片与存储器通信连接，运行JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，对原始JPEG图像嵌入水印，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像到存储器，并通过显示器显示。
通过采用上述技术方案，可以快速地实现图像的半脆弱水印的嵌入和提取，并可视化地输出嵌入和提取效果。
综上所述，本发明包括以下至少有益技术效果：
本发明能提供一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法及装置，首先，将JPEG图像中亮度分量进行中部收缩，避免像素数值靠近数值0和255这样的极端取值；然后，对经过该处理的JPEG图像使用相同的量化表进行二次压缩得到校准图像；接着，将行校准后的量化DCT系数与原始量化DCT系数进行比对，得到量化索引调制的量化方向；最后进行量化索引调制完成量化。提取时，对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化即可得到半脆弱水印；
采用亮度收缩校准方法和量化索引调整技术的结合创新地解决了传统水印技术的诸多问题，提升了数字水印技术在JPEG图像中的应用前景。在图像的版权保护、身份验证、图像防篡改、信息隐藏等领域都具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法的流程示意图；
图2是本发明一种JPEG图像半脆弱水印嵌入装置的连接示意图；
实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法及装置。
参照图1和图2，一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，用于对JPEG图像进行半脆弱水印的嵌入，半脆弱水印嵌入过程包括以下步骤：
步骤1，原始JPEG图像亮度收缩，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩，得到亮度分量为像素的亮度收缩图像，原始JPEG图像中的DCT系数为D；
步骤2，二次压缩得到校准图像，将像素所组成亮度收缩JPEG图像进行二次JPEG压缩，二次JPEG压缩后的图像为校准图像，DCT系数变为/>；
步骤3，计算量化方向，计算原始JPEG图像DCT系数D的量化方向；
步骤4，量化索引调制半脆弱水印，对原始JPEG图像的DCT系数D进行步长为q，水印比特为b的量化索引调制嵌入，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像。
本算法主要针对JPEG图像的亮度分量进行处理，并利用量化索引调整技术实现半脆弱水印的嵌入。具体而言，首先对JPEG图像中的亮度分量进行中部收缩处理，通过将像素数值靠近数值0和255这样的极端取值避免掉，以提高水印嵌入的可靠性和可见性。接着，经过处理的图像使用相同的量化表进行二次压缩，得到校准图像。然后，将经过校准的亮度DCT系数与原始的量化DCT系数进行比对，通过比对结果得到量化索引调制的量化方向。最后，在量化索引调制的基础上进行量化操作，完成半脆弱水印的嵌入。
量化方向可以让修改DCT系数后造成亮度收缩，降低因亮度像素值超过0-255的取值范围而遭受截断的可能，从而阻止了该截断反作用于DCT系数使其变回原始数值的趋势，有利于提高水印鲁棒性。
步骤1中，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩过程表示如下：
；
其中为亮度收缩JPEG图像的亮度像素数值，F为收缩强度，取值为/>。
F的值可以为，数值越大，收缩越显著，/>越接近中间值128。通过该操作，可以让像素远离0和255这样的极端取值。避免压缩像素时带来的数值截断。
步骤2中，对亮度收缩JPEG图像采用与原始JPEG图像相同的压缩强度进行二次JPEG压缩。
将像素所组成的经过亮度收缩的图像进行二次相同压缩强度的JPEG压缩，即使用和原始JPEG图像相同的量化表进行量化。经过二次JPEG压缩后，原始的图像的亮度DCT系数由D变为了/>。
步骤3中，DCT系数D的量化方向计算方法如下：
。
将经过校准的亮度DCT系数与原始的量化DCT系数进行比对，通过比对结果得到量化索引调制的量化方向。
步骤4中，量化索引调制嵌入过程如下：
；
其中为四舍五入取整，/>为完成量化索引调制嵌入后的DCT系数D，mod为取余数运算，/>为异或运算，b为嵌入的水印信息，取值为0或1。
q的取值越大，水印强度越高。
含有水印的JPEG图像当经过二次压缩时，若二次压缩强度不增大，即二次压缩JPEG所使用的量化表数值不增大时，该量化索引调制水印具有鲁棒性。反之水印具有脆弱性。水印嵌入者可以根据需要选择合适量化表的JPEG图像作为载体图像完成水印嵌入，以抵抗或检测可能遭受的JPEG二次压缩。
对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作实现对嵌入水印的提取。
对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作中对水印比特为b提取的计算公式为：
；
其中为四舍五入取整，mod为取余数运算。
在水印提取阶段，只需要对JPEG图像的亮度DCT系数进行传统的解量化操作即可完成嵌入水印的提取。通过水印比特为b提取的计算公式计算，能够在保证图像质量的情况下实现水印的嵌入和提取，提高了水印的可靠性和鲁棒性。
一种JPEG图像半脆弱水印嵌入装置，包括图像输入模块、图像处理芯片、存储器和显示器，图像输入模块用于输入原始JPEG图像，存储器内预装有JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，图像处理芯片与存储器通信连接，运行JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，对原始JPEG图像嵌入水印，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像到存储器，并通过显示器显示。
可以快速的实现图像的半脆弱水印的嵌入和提取，并可视化的输出嵌入和提取效果。
具体实施例，以JPEG图像一个DCT系数矩阵以q=2步长嵌入4比特0101水印信息进行说明。
JPEG图像亮度收缩：
原始JPEG图像的DCT系数矩阵如下：
| 5 | -7 | -57 | 13 | -11 | -11 | 17 | 16 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -52 | -3 | -20 | 5 | -4 | -8 | 14 | 10 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 19 | 1 | 8 | -4 | 5 | 6 | -11 | -7 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -7 | 0 | -7 | 2 | -3 | -3 | 6 | 4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
量化表为：
| 12 | 8 | 8 | 12 | 17 | 21 | 24 | 17 |
| 8 | 9 | 9 | 11 | 15 | 19 | 12 | 12 |
| 8 | 9 | 10 | 12 | 19 | 12 | 12 | 12 |
| 12 | 11 | 12 | 21 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 17 | 15 | 19 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 21 | 19 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 24 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 17 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
则原始JPEG图像对应的亮度像素矩阵如下：
| 1 | 0 | 255 | 0 | 255 | 254 | 0 | 3 |
| 0 | 0 | 251 | 0 | 255 | 255 | 0 | 4 |
| 4 | 0 | 255 | 0 | 254 | 255 | 0 | 0 |
| 255 | 254 | 255 | 248 | 255 | 255 | 253 | 255 |
| 255 | 254 | 255 | 248 | 255 | 255 | 253 | 255 |
| 4 | 0 | 255 | 0 | 254 | 255 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 251 | 0 | 255 | 255 | 0 | 4 |
| 1 | 0 | 255 | 0 | 255 | 254 | 0 | 3 |
该矩阵进行亮度分量像素使用F=0.1进行收缩，得到校准图像的像素矩阵：
| 14 | 13 | 242 | 13 | 242 | 241 | 13 | 16 |
| 13 | 13 | 239 | 13 | 242 | 242 | 13 | 16 |
| 16 | 13 | 242 | 13 | 241 | 242 | 13 | 13 |
| 242 | 241 | 242 | 236 | 242 | 242 | 241 | 242 |
| 242 | 241 | 242 | 236 | 242 | 242 | 241 | 242 |
| 16 | 13 | 242 | 13 | 241 | 242 | 13 | 13 |
| 13 | 13 | 239 | 13 | 242 | 242 | 13 | 16 |
| 14 | 13 | 242 | 13 | 242 | 241 | 13 | 16 |
经过收缩后，矩阵中每个亮度像素的值向128数值聚拢。
二次压缩得到校准图像：
将步骤1中得到的校准图像再次使用相同的量化表进行JPEG压缩，得到校准图像的DCT系数矩阵：
| 4 | -6 | -51 | 11 | -10 | -10 | 15 | 14 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -46 | -2 | -18 | 5 | -4 | -7 | 13 | 8 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 17 | 1 | 7 | -4 | 5 | 5 | -10 | -6 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -6 | 0 | -6 | 2 | -3 | -3 | 5 | 4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
计算量化方向：
通过比较步骤1中的原始的DCT系数矩阵和步骤2中校准后的DCT系数矩阵，可以得到每个DCT系数对应的量化方向：
| -1 | +1 | +1 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 |
| -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| +1 | +1 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | -1 |
| -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | +1 | +1 |
| -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 |
完成量化索引调制半脆弱水印调制。
该DCT系数矩阵要嵌入4个比特的信息，这里假设嵌入的位置为左上角四个系数，即：
| 5 | -7 | -57 | 13 | -11 | -11 | 17 | 16 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -52 | -3 | -20 | 5 | -4 | -8 | 14 | 10 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 19 | 1 | 8 | -4 | 5 | 6 | -11 | -7 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -7 | 0 | -7 | 2 | -3 | -3 | 6 | 4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
该嵌入需要操作如下：
对5嵌入比特0，量化方向-1；
对-7嵌入比特1，量化方向+1；
对0嵌入比特0，量化方向-1；
对0嵌入比特1，量化方向-1；
根据嵌入公式，嵌入计算依次如下：
嵌入后D由5变为；
嵌入后D由-7变为；
嵌入后D由0不变，即；
嵌入后D由0变为；
因此，嵌入后的JPEG图像DCT系数矩阵变为：
| 4 | -6 | -57 | 13 | -11 | -11 | 17 | 16 |
| 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -52 | -3 | -20 | 5 | -4 | -8 | 14 | 10 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 19 | 1 | 8 | -4 | 5 | 6 | -11 | -7 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -7 | 0 | -7 | 2 | -3 | -3 | 6 | 4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
提取步骤如下：
取出含有水印的DCT系数，分别为7，-1，2，3依次进行信息提取：
；
；
；
；
即提取水印的比特信息0101。
以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：用于对JPEG图像进行半脆弱水印的嵌入，半脆弱水印嵌入过程包括以下步骤：
步骤1，原始JPEG图像亮度收缩，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩，得到亮度分量为像素的亮度收缩图像，原始JPEG图像中的DCT系数为D；
步骤2，二次压缩得到校准图像，将像素所组成亮度收缩JPEG图像进行二次JPEG压缩，二次JPEG压缩后的图像为校准图像，DCT系数变为/>；
步骤3，计算量化方向，计算原始JPEG图像DCT系数D的量化方向；
步骤4，量化索引调制半脆弱水印，对原始JPEG图像的DCT系数D进行步长为q，水印比特为b的量化索引调制嵌入，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像；
步骤1中，对原始JPEG图像的亮度分量像素Y进行收缩过程表示如下：
；
其中为亮度收缩JPEG图像的亮度像素数值，F为收缩强度，取值为/>；
步骤4中，量化索引调制嵌入过程如下：
；
其中为四舍五入取整，/>为完成量化索引调制嵌入后的DCT系数D，mod为取余数运算，/>为异或运算，b为嵌入的水印信息，取值为0或1，可选的，q的取值越大，水印强度越高。
2.根据权利要求1所述的一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：步骤2中，对亮度收缩JPEG图像采用与原始JPEG图像相同的压缩强度进行二次JPEG压缩。
3.根据权利要求2所述的一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：步骤3中，DCT系数D的量化方向计算方法如下：
。
4.根据权利要求3所述的一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：q的取值越大，水印强度越高。
5.根据权利要求1所述的一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作实现对嵌入水印的提取。
6.根据权利要求5所述的一种基于亮度收缩校准的JPEG图像半脆弱水印算法，其特征在于：对JPEG图像的亮度DCT系数进行解量化操作中对水印比特为b提取的计算公式为：
，其中/>为四舍五入取整，mod为取余数运算。
7.一种JPEG图像半脆弱水印嵌入装置，其特征在于：包括图像输入模块、图像处理芯片、存储器和显示器，所述图像输入模块用于输入原始JPEG图像，所述存储器内预装有采用权利要求6所述算法设计的JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，所述图像处理芯片与存储器通信连接，运行JPEG图像半脆弱水印嵌入程序，对原始JPEG图像嵌入水印，输出嵌入了半脆弱水印的JPEG图像到存储器，并通过显示器显示。
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