CN101739657A - 基于dct域的彩色图像数字水印的嵌入及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于DCT域的彩色图像数字水印的嵌入及提取方法，该方法在彩色水印图像嵌入前利用Logistic映射对其R，G，B各分量的坐标进行置乱。置乱后的彩色水印图像的各分量作为水印序列嵌入到宿主图像。根据亮度，对比度和纹理复杂度对宿主图像的图像块进行分类。利用人眼视觉特性，可以让不同强度的水印分量嵌入到不同分类的图像块DCT系数中去。本方法生成的水印图像具有感知效果好和鲁棒性强的特点，对一些常见的攻击具有良好的抵抗性。

Description

基于DCT域的彩色图像数字水印的嵌入及提取方法

技术领域：

本发明涉及数字水印技术，特别涉及一种将彩色水印图像嵌入到原始彩色图像的方法以及相应的水印提取方法。

背景技术：

随着互联网和多媒体技术的迅猛发展，数字媒体盗版问题也变得非常严重。数字水印作为传统加密方法的补充手段，可以有效地保护数字产品的版权。数字水印分为可见水印和不可见水印。对于不可见水印而言，不可感知性和鲁棒性是其两个重要特性。不可感知性是指经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法被人感知到。鲁棒性是指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。不可感知性和鲁棒性有时却是相互矛盾的，一个特性的改进往往是以牺牲另一种特性为代价的，这就需要水印设计者做出折中。

目前已有的水印方法很多是针对灰度图像的，彩色图像数字水印方法尚未得到广泛研究。绝大部分的水印嵌入技术采用的是一维ID序列和二维二值数字水印技术，这两种水印所包含的知识产权的信息量少，保密性差，而彩色图像数字水印可以弥补这些不足。色彩感知是人类视觉的一个重要特性，彩色空间可用于表示色彩之间的相互关系。彩色空间有RGB、YCrCb、CMY、HIS等，其中RGB彩色空间主要用于计算机显示。

发明内容：

本发明针对现有水印嵌入技术所存在的不足，而提供一种基于RGB彩色空间将彩色数字水印嵌入到彩色宿主图像中的方法以及相应的水印提取方法。该方法充分利用人眼视觉特性，实现了数字水印图像的自适应嵌入，有效地平衡了水印的鲁棒性和不可感知性。由于彩色数字水印所包含的版权保护信息量非常大，可以将知识产权拥有者的信息更多地嵌入到其数字产品中。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于DCT域的彩色图像数字水印的嵌入方法，该方法包括如下步骤：

(100)置乱彩色水印图像：利用混沌系统对彩色水印图像进行加密和置乱操作；

(200)生成水印序列：将经步骤(1)置乱加密的彩色水印图像的R、G、B分量进行分离，形成相应的分量灰度图，并以每个灰度图上各个像素点的灰度值的二进制数与图像象素形成相应分量灰度图的二进制的水印序列；

(300)水印嵌入：包括以下步骤：

(301)宿主图像分块的DCT变换：将宿主图像的R、G、B分量灰度图分别分成相应的互不覆盖的图像块，并对每个图像块分别进行DCT变换；

(302)水印序列的嵌入：将由步骤(200)得到的水印序列，分别嵌入到相应的经步骤(301)DCT变换后的宿主图像块中；

(303)DCT反变换：对宿主图像R、G、B分量每个加入水印后的图像块进行DCT反变换，得到含彩色水印的图像。

基于DCT域的嵌入彩色图像数字水印的提取方法，该方法包括以下步骤：

(1)对原始宿主图像和待提取图像分别进行R、G、B三个分量的分离；

(2)分别把原始宿主图像和待提取图像的R、G、B分量分成相应块，对每个分块进行DCT变换，计算得到水印图像相应分量的二进制水印序列

(3)将二进制水印序列转化为十进制数，并分别作为水印图像R、G、B分量的灰度值，形成相应的图像；

(4)利用水印图像置乱时使用的密钥对步骤(3)得到的图像进行逆置乱，将提取到相应的水印图像。

本发明提供了一种基于RGB彩色空间将彩色数字水印嵌入到彩色宿主图像中的方法，其包括嵌入方法和相应的提取方法。整个方法充分利用人眼视觉特性，实现了数字水印图像的自适应嵌入，有效地平衡了水印的鲁棒性和不可感知性。由于彩色数字水印所包含的版权保护信息量非常大，可以将知识产权拥有者的信息更多地嵌入到其数字产品中。本发明提出的方法具有很强的现实意义，对诸如高斯噪声，椒盐噪声和JPEG压缩的攻击具有较好的鲁棒性。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明嵌入水印的流程图。

图2为本发明提取水印的流程图

图3a为宿主图像。

图3b为宿主图像R分量分类图。

图3c为宿主图像G分量分类图。

图3d为宿主图像B分量分类图。

图4a为原始宿主图像。

图4b为作为水印的彩色图像。

图4c为图4b置乱后的图像。

图4d为嵌入水印后的图像。

图4e为提取出的水印图像。

图5a为图4d在高斯噪声攻击后提取的水印图像。

图5b为图4d在椒盐噪声攻击后提取的水印图像。

图5c为图4d在JPEG压缩攻击后提取的水印图像。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的彩色图像数字水印的嵌入方法是在彩色水印图像嵌入前利用Logistic映射对其R，G，B各分量的坐标进行置乱，置乱后的彩色水印图像的各分量作为水印序列嵌入到宿主图像，根据亮度，对比度和纹理复杂度对宿主图像的图像块进行分类，利用人眼视觉特性，可以让不同强度的水印分量嵌入到不同分类的图像块DCT系数中去。

基于上述的原理，本发明提供的基于DCT域的彩色图像数字水印的嵌入方法，该方法包括如下步骤(如图1所示)：

(100)彩色水印图像置乱

为了使嵌入的彩色水印图像有更好的隐秘性，首先利用混沌序列来对彩色水印图像进行置乱加密，使用的混沌系统是Logistic映射，定义如下：xi+1＝μxi(1-xi)，其中xi∈(0，1)，μ∈(3.5699456，4]，i＝0，1，2，...n.(1)

利用一个初值x0可以生成一个混沌序列，利用这个序列进行图像的加密操作，初值x0可以作为密钥。混沌系统具有初值敏感性，如果不知道密钥就很难破译加密的水印序列，这样可以使水印有较好的保密性，即使盗版者提取出水印也无法恢复。

对彩色水印图像置乱时，首先对彩色水印图像的R、G、B分量进行分离。利用Logistic映射生成的两组混沌序列进行R、G、B分量各像素坐标位置的置乱，再将置乱所得的R、G、B分量图进行组合，最后得到了置乱后的彩色水印图像。置乱后的彩色水印图像较之原始水印图像已经完全不同，只有掌握初始密钥才能恢复成置乱前的图像。

(200)水印序列的生成

对置乱后彩色水印图像的R、G、B分量进行分离。R、G、B三个分量都是以灰度形式表示，它们分别代表图像中像素点在R、G、B三个颜色通道上的原色信息。以R分量为例，依次取R分量灰度图各个像素点的灰度值，然后将每个灰度值转化为r位二进制数。设图像的尺寸是M×N像素，则由R分量灰度图可以得到r×M×N的二进制数序列。此序列作为水印序列，留待嵌入宿主图像的红色颜色通道上。对于水印图像的G、B分量也是同理，它们生成的水印序列将会分别嵌入到宿主图像的绿色和蓝色颜色通道上。本发明中水印图像R、G、B三个颜色通道上灰度值取值范围是[0，255]，可以用8位二进制数来表示。

(300)水印的嵌入

人类视觉系统HVS具有这样的特点：①亮度敏感性：在均匀背景中，人眼对很亮或者很暗的部分的敏感性较低；②对比度掩码：它体现了当两个信号有相同的空间频率特性和方向时，一个信号在另一个信号当中的可检测性。对比度强的地方(通常体现在边缘)，人眼的视觉门限较高；③纹理掩码：在纹理复杂的地方，视觉门限也会明显高于图像中的平坦区域。亮度敏感性可以用灰度值的高低来衡量。灰度值很高或很低则说明人眼的视觉门限高，适合加入较强的水印。图像块的边缘点密度可以用来衡量对比度和纹理复杂度。边缘点密度越高，说明对比度越高，纹理越复杂，就适合加入较强的水印。根据上述原理，将宿主图像分成R、G、B三个颜色分量的灰度图，每幅灰度图又划分成8×8像素的块，这些块被分为三类：亮度很高或很暗，图像块内边缘点较多的块为第一类(C1)，嵌入强水印；亮度较低，或图像块内边缘点较少的块为第三类(C3)，嵌入最弱的水印；余下的为第二类(C2)，嵌入中等强度的水印。利用Canny算子来进行图像边缘检测，然后根据每个图像块内的边缘点数目来判断纹理和对比度的复杂度。由于图像块为8×8像素，如果一条直线穿过，那么最少得要8个像素点来表示该直线。设L表示图像块亮度，Edge表示图像块内边缘点数目。块分类器可以描述如下：①L＞T1或L＜T2或Edge＞8的块为C1；②T2≤L≤T3或Edge＝0的块属于C3；③除此之外的块为C2。上述T1，T2，T3都是阈值，由实验获得。

水印的鲁棒性既跟水印的嵌入强度有关，也跟水印嵌入位置有关。通常来说，人眼对于低频系数敏感度较高，而对高频系数较不敏感。如果将水印嵌入到低频系数，可能会导致不可见性的降低，容易引起图像的失真；如果将水印嵌入到高频系数，鲁棒性不够理想。所以，在DCT变换后对每个8×8块按照JPEG的Zigzag排序，选择顺序号为3～10的8个AC系数来嵌入水印，设每个块中的这些顺序号的系数构成了集合S。

根据人眼对颜色不同的敏感性，可以调整嵌入水印的强度。人眼对绿色(G)最敏感，对红色(R)其次，对蓝色(B)最不敏感。亮度方程为y＝0.299R+0.587G+0.144B，由0.299∶0.587∶0.144≈2∶4∶1，可以为R、G、B分量设定嵌入水印时的加权系数分别为Mr＝2，Mg＝1，Mb＝4。

基于上述原理，本发明中的水印嵌入包括如下步骤：

(301)宿主图像分块的DCT变换：将宿主图像的R、G、B分量灰度图分别分成8×8的互不覆盖的图像块fkr(x，y)，fkg(x，y)，fkb(x，y)，0≤x，y＜8，k＝0，1，...，K-1。K是图像块的数目。对fkr(x，y)，fkg(x，y)，fkb(x，y)分别进行DCT变换，得到宿主图像相应分量的DCT系数：Fkr(u，v)，Fkg(u，v)，Fkb(u，v)，(u，v)表示DCT变换域内的坐标。

(302)水印序列的嵌入：将由彩色水印图像R、G、B分量置乱后生成的二进制序列作为水印序列(即步骤200中得到的水印序列)，分别记为Wr，Wg，Wb。Wr，Wg，Wb分别可用{xi＝0或1，i＝8×M×N}表示，其中M，N是水印图像长与宽。Wr，Wg，Wb分别对应地嵌入到宿主图像的Fkr(u，v)，Fkg(u，v)，Fkb(u，v)中。设F′kr(u，v)为嵌入水印后R分量的DCT系数。Wr采用下式嵌入到宿主图像R分量的DCT系数Fkr(u，v)中：

$F_{\mathrm{kr}}^{\&prime;}(u,v)=\left\{\begin{array}{cc}{F}_{\mathrm{kr}}(u,v)(1+\frac{{\mathrm{bmx}}_i}{a}),& (u,v)\&Element;S,8k\&le;i<8(k+1)\\ F_{\mathrm{kr}}(u,v),& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

Wg与Wb分别嵌入到宿主图像G与B分量的方法也与Wr同理。a是调节因子，实验中a＝30。b的取值是：当图像块是C1，b＝9；当图像块是C2，b＝6；当图像块是C3，b＝2。m的取值是：当水印嵌入到红色分量，m＝Mr；当水印嵌入到绿色分量，m＝Mg；当水印嵌入到蓝色分量，m＝Mb。故根据b和m取值的不同，共有9种嵌入水印的情况。

(303)DCT反变换：对宿主图像R、G、B分量每个加入水印后的图像块进行DCT反变换，最后得到含彩色水印的图像。

通过上述方法能够得到的嵌入彩色水印的图像，为对此类图像进行检测，本发明还提供了相应的水印提取方法。

水印提取过程是水印嵌入的逆过程，需要用到原始宿主图像，提取过程如下(参见图2，)：

步骤1，对原始宿主图像和待检测图像分别进行R、G、B三个分量的分离。

步骤2，分别把原始宿主图像和待检测图像的R、G、B分量分成8×8像素的块，对每个分块进行DCT变换，计算得到相应水印图像相应分量的水印序列。

设水印图像R分量的水印序列Wr＝{xi＝0或1，i＝8×M×N}，其计算公式如下(b，m取值同上)：

xi＝a·(F′kr(u，v)/Fkr(u，v)-1)/b/m，(u，v)∈S，8k≤i＜8(k+1)，k＝0，1，...，K-1(3)

水印图像G分量的水印序列Wg与B分量的水印序列Wb同理可得。

步骤3，将二进制水印序列Wr，Wg与Wb每8位转化为十进制数，分别作为图像R、G、B分量的灰度值，得到相应的图像，设该图像为Ichaos；

步骤4，利用水印图像置乱时使用的密钥对Ichaos做逆置乱，得到检测图像的水印图像。

基于上述方法，本发明的优选实施例如下：

该实施例中使用的原始宿主图像是512×512的24位的真彩“Lena”图像，水印图像是64×64的24位真彩图像。

参见图3a-3d，以512×512像素的24位真彩色图像“Lena”作为宿主图像，根据块分类器分别对R、G、B分量进行块分类，结果如图1所示。图1a为宿主图像“Lena”。图1b，图1c和图1d中最明亮处代表C1，黑暗处代表C3，稍暗处代表C2。

参见附图4a-4e，其为本发明的实验结果。其中图4a是原始的宿主图像，图4b是作为水印的彩色图像，对图4b进行置乱后得到图4c，图4d是嵌入水印后的图像，它的PSNR＝37.68dB，说明含水印图像的图像质量没有明显下降。图4e是提取出的水印图像，它的NC＝1.0000，说明提取出的水印图像与原始水印图像(图4b)相同。

参见图5a-5c，其所示为对含水印宿主图像(图4d)分别进行高斯噪声(均值为0，方差为0.05)，椒盐噪声(方差为0.1)和JPEG压缩(压缩率为66％)攻击后提取的水印图。

对于此类图像处理结果的判别可采用主观评价，归一化相关系数NC和峰值信噪比PSNR综合作为判别标准。主观评价是指是否可以在视觉上辨别出水印图像。归一化相关系数NC可从客观上判别原始水印图像和提取出的水印图像的相似度。如果NC值越接近1，表明提取的水印越接近初始水印。峰值信噪比PSNR在本发明中是用来判断含水印的宿主图像在遭到攻击后的图像质量，它的值越大，说明图像质量越好。由图5a-5c可见，本发明处理得到的结果只有JPEG压缩后提取的水印图像效果较差，但是其NC值较高，说明提取出的水印信号仍然较强。即通过本发明提供的方法得到的图像对这三种攻击的鲁棒性较强。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.基于DCT域的彩色图像数字水印的嵌入方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(100)置乱彩色水印图像：利用混沌系统对彩色水印图像进行加密和置乱操作；

(200)生成水印序列：将经步骤(1)置乱加密的彩色水印图像的R、G、B分量进行分离，形成相应的分量灰度图，并以每个灰度图上各个像素点的灰度值的二进制数与图像象素形成相应分量灰度图的二进制的水印序列；

(300)水印嵌入：包括以下步骤：

(301)宿主图像分块的DCT变换：将宿主图像的R、G、B分量灰度图分别分成相应的互不覆盖的图像块，并对每个图像块分别进行DCT变换；

(302)水印序列的嵌入：将由步骤(200)得到的水印序列，分别嵌入到相应的经步骤(301)DCT变换后的宿主图像块中；

(303)DCT反变换：对宿主图像R、G、B分量每个加入水印后的图像块进行DCT反变换，得到含彩色水印的图像。

2.基于DCT域的嵌入彩色图像数字水印的提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)对原始宿主图像和待提取图像分别进行R、G、B三个分量的分离；

(2)分别把原始宿主图像和待提取图像的R、G、B分量分成相应块，对每个分块进行DCT变换，计算得到水印图像相应分量的二进制水印序列

(3)将二进制水印序列转化为十进制数，并分别作为水印图像R、G、B分量的灰度值，形成相应的图像；

(4)利用水印图像置乱时使用的密钥对步骤(3)得到的图像进行逆置乱，将提取到相应的水印图像。

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