CN102314668A - 一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，包括嵌入前预处理和嵌入过程两大部分；嵌入前预处指计算图像平滑度；计算图像平滑度包括计算0度方向平滑度、45度方向平滑度、90度方向平滑度和135度方向平滑度，并计算获得最大平滑度的方向；嵌入过程包括选取最优像素配对方向，附加信息处理和信息嵌入，选取最优像素配对方向是根据图像最大平滑度所在方向选取差值扩展嵌入方法中像素配对方向，附加信息处理指对于方向选择这部分附加信息的编码和处理，信息嵌入即为包括附加信息和原始信息在内的全部信息的嵌入过程。本发明针对现有的差值扩展信息嵌入方法，通过改进嵌入过程中的像素配对方式，在相同嵌入容量下提高图像质量。

Description

一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法

技术领域

本发明属于信息隐藏中的数字水印领域，特别是涉及一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法。

背景技术

随着信息技术的发展，数字作品的拷贝、修改、传播变得极其容易，这给数字多媒体带来极大的便利的同时，其内容保护和认证也成为急需解决的问题。数字水印技术则提供了一个可行的解决方案。

数字水印具有以下优点：首先，数字水印是不可感知的，除可见水印以外，水印是不希望被察觉到的，它不会影响到宿主媒体的艺术效果，不容易引起蓄意攻击者的特别注意；其次，数字水印能够实现与宿主数据的无缝结合，当宿主数据的存储和显示格式发生变化时，水印依然存在，并且水印可以和宿主数据一起传播并可在解密后依然存在，能够作为版权证明；最后，数字水印和宿主数据遭受相同的变换，水印始终存在于宿主媒体中直到宿主媒体的价值被破坏为止。数字水印的上述优点使得其在多媒体版权保护和认证方面的应用日益广泛，也引起了学术界的广泛关注并掀起了研究高潮。近年来数字水印技术取得了很大的发展，但研究方向主要集中于不可逆的水印技术。在可逆水印研究方面，由于要在嵌入水印后做到人眼不可感知，这要求水印嵌入算法引入尽量少的失真；而同时可逆水印要求能精确还原载体信号，这意味着必须将还原载体信号所需的信息也作为水印嵌入，这就要求更大的嵌入容量。

在数字图像可逆数字水印技术中，差值扩展是其中一个重要技术，其扩展相邻像素之间的差值，并在低位嵌入水印信息。而在提取方，可以在提取水印信息后，恢复原始差值并回复出原始载体，从而达到可逆的目的。差值扩展技术首次由Tian(J.Tian，“Reversible dataembedding using a difference expansion，”IEEE Trans.Circuits Syst.Video Technol.，vol.13，no.8，pp.890-896，Aug.2003.)提出，其后经过多人多次改进已发展成为一个较成熟的技术，其主要思想为通过扩展相邻像素间的差值来嵌入水印信息，且提取方提取水印后可以恢复原始差值并恢复出原始载体信息。

差值扩展在每一对像素中嵌入一位水印信息，例如：x，y为两个相邻像素，其差值h＝x-y，均值

通过扩展差值来嵌入水印信息b：h＝2×h+b，嵌入信息后，再通过逆变换计算出嵌入信息后的像素值，

嵌入信息后的像素值被改动，改动量为

可以看出，差值d_x和d_v主要跟h有关，h越小，嵌入操作对图像的改变量越小。对于整个图像的所有嵌入操作来说，如果h都比较小，那么嵌入操作对图像的改动就比较小，图像整体质量则较高。在选取像素对时，选取方向可以为0度、45度、90度和135度，不同的像素对选取方向，像素对的差值h是不同的，嵌入后图像质量也就不同。

目前差值扩展类方法采用固定方向选取像素对或用密钥按随机方式选取像素对，未讨论怎样选取像素对以获得较小的差值h，并获得较高的图像质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，通过改进嵌入过程中像素配对方式，在嵌入容量相容的情况下，提高嵌入水印后图像质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，包括对图像进行嵌入前预处理和嵌入过程两大部分；嵌入前预处理指计算图像平滑度；计算图像平滑度包括计算0度方向平滑度、45度方向平滑度、90度方向平滑度和135度方向平滑度，其中：

0度方向图像平滑度计算方法为：

(a1)按行方向逐行扫描整个灰度图像，获得以为数组H₀；

(a2)对H₀进行游程编码；

(a3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₀；

(a4)计算长码字所占比例，即为图像0度方向平滑度S₀。

45度方向图像平滑度计算方法为：

(b1)按45度方向Z形扫描整个灰度图像，获得一维数组H₄₅；

(b2)对H₄₅进行游程编码；

(b3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₄₅；

(b4)计算长码字所占比例，即为图像45度方向平滑度S₄₅。

90度方向图像平滑度计算方法为：

(c1)按列方向逐列扫描整个灰度图像，获得以为数组H₉₀；

(c2)对H₉₀进行游程编码；

(c3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₉₀；

(c4)计算长码字所占比例，即为图像90度方向平滑度S₉₀。

135度方向图像平滑度计算方法为：

(d1)按135度方向反向Z形扫描整个灰度图像，获得一维数组H₁₃₅；

(d2)对H₁₃₅进行游程编码；

(d3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₁₃₅；

(d4)计算长码字所占比例，即为图像135度方向平滑度S₁₃₅。

在获得图像0度平滑度、45度平滑度、90度平滑度和135度平滑度之后，计算获得图像最大平滑度的方向。

所述嵌入过程包括选取最优像素配对方向，附加信息处理和信息嵌入，其中：

选取最优像素配对方向方法为：

选取最优像素配对方向是根据图像最大平滑所在方向选取差值扩展嵌入方法中像素配对方向；具体的为比较图像0度方向平滑度，45度方向平滑度，90度方向平滑度和135度方向平滑度，取图像最大的平滑度所在方向为最优像素配对方向。

附加信息处理方法为：

附加信息处理指对于方向选择这部分附加信息的处理；具体的对最优像素配对方向进行编码，获得方向信息Mod，占两bit信息，编码分别为00(0度方向)，01(45度方向)，10(90度方向)，11(135度方向)。将方向信息Mod加到原始信息头部，合并在一起作为全部待嵌入信息。

信息嵌入方法为：

信息嵌入即将包括附加信息和原始信息在内的全部信息的嵌入过程；具体的信息嵌入方法为按照改进后的像素配对方式选取像素对后，再按原方法中的信息嵌入方法进行嵌入；这是由于本发明针对的是多种需要选取像素对的差值扩展方法，不同的方法，其嵌入过程是不同的，本发明只改进了选取像素配对方式，所以信息嵌入方法为按照改进后的像素配对方式选取像素对后，再按原方法中的信息嵌入方法进行嵌入。

最后通过改进嵌入过程中的像素配对方式，在相同嵌入容量下提高图像质量。

进一步的，0度方向平滑度、45度方向平滑度、90度方向平滑度和135度方向平滑度计算公式为：

K＝3，4，5，dir＝0，45，90，135，其中dir为平滑度所在方向，具体为0、45、90或135，S_dir为在dir方向上的平滑度，K为阈值，用于区分长码字，t_dir为dir方向上码字最大值，f_dir为dir方向上不同码字的频数。

进一步的，所述的方向信息Mod编码方式为：

$\mathrm{Mod}=\left\{\begin{array}{ccc}00,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_0\\ 01,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{45}\\ 10,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{90}\\ 11,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{135}\end{array}\right.,$

其中Mod为方向信息，为二进制编码，占2bit，S_max为图像在四个方向上平滑度的最大值，S₀，S₄₅，S₉₀，S₁₃₅分别为图像0度方向平滑度，45度方向平滑度，90度方向平滑度和135度方向平滑度。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明提出差值扩展嵌入改进方法适用于数字图像可逆水印中的采用差值扩展技术的方法，而不是只针对某单一水印方法的改进，适用范围广；

(2)本发明提出的差值扩展改进方法与原方法相比，在相同容量下具有更高的图像保真度；

(3)本发明提出的差值扩展改进方法额外增加的附加信息少，只有2bit；

(4)本发明提出的差值扩展改进方法为改变信息嵌入方法，在原方法上的改进容易实现。

附图说明

图1为本发明中的一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法框架示意图；

图2为本发明中的45度Z形扫描示意图；

图3为本发明中的135度反向Z形扫描示意图；

图4为本发明中的差值扩展中4种像素配对方式；

图5为本发明中的改进后方法与Lin方法实验对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙。

本发明的一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法的框架如图1：首先对图像进行嵌入前预处理，计算图像在0度方向，45度方向，90度方向和135度方向的平滑度。通过比较计算出的4个平滑度，计算出平滑度最大的方向；其次，对图像进行嵌入过程，包括选取最优像素配对方向，附加信息处理和信息嵌入；选取平滑度最大的方向作为差值扩展方法中的像素配对方向，将配对方向编码，并作为附加信息加到原信息头部，最后再将所有待嵌入信息按原方法中的信息嵌入方法嵌入到原始图像中。本发明注意到，采用差值扩展技术的水印方法首先需要选取像素对，不同的选取方式下的像素对会有不同的差值，在嵌入信息后则会有不同的图像保真度。另外，图像在各个方向上相邻像素的差值是不同的，平滑度越大的方向上的差值越小。因此本发明提出，首先计算图像在四个方向上的平滑度，按照平滑度最大的方向选取像素对，再嵌入信息。下面进一步结合附图对具体实施方式进行详细说明。

一、嵌入前预处理

首先对待嵌水印的原始图像进行预处理，分别计算图像在0度方向、45度方向、90度方向和135度方向上的平滑度，再选取最优像素配对方向。

0度方向平滑度计算方法为：

步骤a1.按0度方向逐行扫描整个图像，获得以为像素数组H₀，H₀长度len为图像像素个数，如灰度图像二位数组为IMG[m][n]，m为图像行数，n为图像列数，len＝m×n，则H₀：

H₀[i]＝IMG[j][k]，i＝1...len

其中，k＝i-(j-1)×n；

步骤a2.对数组H₀进行游程编码，编码后获得码字数组RL₀，其长度为lenRL₀，设最大的码字为t₀；

步骤a3.统计各码字的频数，获得频数数组f₀，f₀的长度即为t₀，f₀[i]表示码字i出现的次数，计算公式为：

$f_0\left[i\right]=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{len}{\mathrm{RL}}_0}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(i,R{L}_0[j\left]\right)$

其中， $\mathrm{\δ}(i,R{L}_0[j\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{ifi}=R{L}_0\left[j\right]\\ 0,& \mathrm{ifi}\≠{\mathrm{RL}}_0\left[j\right]\end{array}\right.;$

步骤a4.计算长码字所占的比例，计算比例时候，乘以码字作为权重，计算公式为： $S_0\left(K\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=K}^{t_0}{f}_0\left[i\right]\×i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{t_0}{f}_0\left[i\right]\×i},$ K＝3，4，5

其中，K为阈值，码字大于K的为长码字，S₀(K)即为图像0度方向平滑度。

45度方向平滑度计算方法为：

步骤b1.如图2所示，按45度方向Z形扫描整个图像，获得以为像素数组H₄₅，H₄₅长度len为图像像素个数，如灰度图像二位数组为IMG[m][n]，m为图像行数，n为图像列数，len＝m×n，则H₄₅：

H₄₅[i]＝IMG[j][k]，i＝1...len

其中，k＝i-(j-1)×n；

步骤b2.对数组H₄₅进行游程编码，编码后获得码字数组RL₄₅，其长度为lenRL₄₅，设最大的码字为t₄₅；

步骤b3.统计各码字的频数，获得频数数组f₄₅，f₄₅的长度即为t₄₅，f₄₅[i]表示码字i出现的次数，计算公式为：

$f_{45}\left[i\right]=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{len}{\mathrm{RL}}_{45}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(i,R{L}_{45}[j\left]\right)$

其中， $\mathrm{\δ}(i,R{L}_{45}[j\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{ifi}=R{L}_{45}\left[j\right]\\ 0,& \mathrm{ifi}\≠{\mathrm{RL}}_{45}\left[j\right]\end{array}\right.;$

步骤b4.计算长码字所占的比例，计算比例时候，乘以码字作为权重，计算公式为： $S_{45}\left(K\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=K}^{t_{45}}{f}_{45}\left[i\right]\×i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{t_{45}}{f}_{45}\left[i\right]\×i},$ K＝3，4，5

其中，K为阈值，码字大于K的为长码字，S₄₅(K)即为图像45度方向平滑度。

90度方向平滑度计算方法为：

步骤c1.按列方向逐列形扫描整个图像，获得以为像素数组H₉₀，H₉₀长度len为图像像素个数，如灰度图像二位数组为IMG[m][n]，m为图像行数，n为图像列数，len＝m×n，则H₉₀：

H₉₀[i]＝IMG[j][k]，i＝1...len

其中，

k＝i-(j-1)×n；

步骤c2.对数组H₉₀进行游程编码，编码后获得码字数组RL₉₀，其长度为lenRL₉₀，设最大的码字为t₉₀；

步骤c3.统计各码字的频数，获得频数数组f₉₀，f₉₀的长度即为t₉₀，f₉₀[i]表示码字i出现的次数，计算公式为：

$f_{90}\left[i\right]=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{len}{\mathrm{RL}}_{90}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(i,R{L}_{45}[j\left]\right)$

其中， $\mathrm{\δ}(i,R{L}_{90}[j\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{ifi}=R{L}_{90}\left[j\right]\\ 0,& \mathrm{ifi}\≠{\mathrm{RL}}_{90}\left[j\right]\end{array}\right.;$

步骤c4.计算长码字所占的比例，计算比例时候，乘以码字作为权重，计算公式为： $S_{90}\left(K\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=K}^{t_{90}}{f}_{45}\left[i\right]\×i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{t_{90}}{f}_{45}\left[i\right]\×i},$ K＝3，4，5

其中，K为阈值，码字大于K的为长码字，S₉₀(K)即为图像90度方向平滑度。

135度方向平滑度计算方法为：

步骤d1.如图3所示，按135度方向反向Z形扫描整个图像，获得以为像素数组H₁₃₅，H₁₃₅长度len为图像像素个数，如灰度图像二位数组为IMG[m][n]，m为图像行数，n为图像列数，len＝m×n，则H₁₃₅；

H₁₃₅[i]＝IMG[j][k]，i＝1...len

其中，

k＝i-(j-1)×n；

步骤d2.对数组H₁₃₅进行游程编码，编码后获得码字数组RL₁₃₅，其长度为lenRL₁₃₅，设最大的码字为t₁₃₅；

步骤d3.统计各码字的频数，获得频数数组f₁₃₅，f₁₃₅的长度即为t₁₃₅，f₁₃₅[i]表示码字i出现的次数，计算公式为：

$f_{135}\left[i\right]=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{len}{\mathrm{RL}}_{135}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(i,R{L}_{135}[j\left]\right)$

其中， $\mathrm{\δ}(i,R{L}_{135}[j\left]\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{ifi}=R{L}_{135}\left[j\right]\\ 0,& \mathrm{ifi}\≠{\mathrm{RL}}_{135}\left[j\right]\end{array}\right.;$

步骤d4.计算长码字所占的比例，计算比例时候，乘以码字作为权重，计算公式为： $S_{135}\left(K\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=K}^{t_{135}}{f}_{135}\left[i\right]\×i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{t_{135}}{f}_{135}\left[i\right]\×i},K=\mathrm{3,4,5}$

其中，K为阈值，码字大于K的为长码字，S₁₃₅(K)即为图像135度方向平滑度。

二、嵌入过程

选取最优像素配对方向方法为：

如图4所示，大部分差值扩展方法的像素配对方式有四种，分别为0度、45度、90度和135度。比较图像0度方向平滑度，45度方向平滑度，90度方向平滑度和135度方向平滑度，获得最大值S_max：

S_max＝max(S₀，S₄₅，S₉₀，S₁₃₅)，

对于只有0度方向和90度方向配对方式的部分基于差值扩展的水印方法，则S_max：

S_max＝max(S₀，S₉₀)，

最大的平滑度S_max所在方向为最优像素配对方向。

附加信息处理方法为：

本发明提出的改进方法由于选择了不同的配对方式，嵌入信息时候，需要将像素配对方式信息嵌入到载体图像中，以保证检测端能正确提取出水印信息。像素配对方式信息Mod为：

$\mathrm{Mod}=\left\{\begin{array}{ccc}00,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_0\\ 01,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{45}\\ 10,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{90}\\ 11,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{135}\end{array}\right.,$ 其中Mod为二进制，占2bit。

再将像素配对方式信息Mod添加到原方法待嵌入信息B(B包括水印信息和Location-map等其它附加信息)头部，形成新的待嵌入信息B′＝[Mod，B]。

信息嵌入方法为：

本发明针对的是多种需要选取像素对的差值扩展方法，不同的方法，其嵌入过程是不同的，本发明只改进了选取像素配对方式，未对信息嵌入的具体方法有所改动，所以按照改进后的像素配对方式选取像素对后，再按原方法中的信息嵌入方法进行嵌入，主要采用差值扩展技术嵌入信息，其中差值扩展技术属于已有公知技术。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

本发明针对多种差值扩展算法进行了对比实验，包括首次提出差值扩展的Tian的方法、2008年Lin提出的改进后的不需要Location-map的方法(C.C.Lin，S.P.Yang，and N.L Hsueh，“Lossless data hiding based on difference expansion without a location map”，in Proc.2008Congress on Image and Signal Processing，vol.2，May 2008，pp.8-12.)和2010年Azzoni提出的一种基于差值扩展的方法(M.Azzoni，G.Boato，M.Carli，and K.Egiazarian，“Reversiblewatermarking using prediction and difference expansion”，in Visual Information Processing(EUVIP)，20102nd European Workshop on，Jul.2010，pp.71-76.)。相对与原方法，改进后方法在相同容量下图像质量都有所提高，其中图5为改进后方法与Lin的方法在baboon测试图像上的实验结果，可以看出，采用改进方法后，相同容量下图像保真度明显提高。

Claims (3)

1.一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，包括对图像进行嵌入前预处理和嵌入过程两大部分；其特征在于：所述嵌入前预处理指计算图像平滑度，计算图像平滑度包括计算0度方向平滑度、45度方向平滑度、90度方向平滑度和135度方向平滑度，其中：

0度方向图像平滑度计算方法为：

(a1)按行方向逐行扫描整个灰度图像，获得以为数组H₀；

(a2)对H₀进行游程编码；

(a3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₀；

(a4)计算长码字所占比例，即为图像0度方向平滑度S₀；

45度方向图像平滑度计算方法为：

(b1)按45度方向Z形扫描整个灰度图像，获得一维数组H₄₅；

(b2)对H₄₅进行游程编码；

(b3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₄₅；

(b4)计算长码字所占比例，即为图像45度方向平滑度S₄₅；

90度方向图像平滑度计算方法为：

(c1)按列方向逐列扫描整个灰度图像，获得以为数组H₉₀；

(c2)对H₉₀进行游程编码；

(c3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₉₀；

(c4)计算长码字所占比例，即为图像90度方向平滑度S₉₀；

135度方向图像平滑度计算方法为：

(d1)按135度方向反向Z形扫描整个灰度图像，获得一维数组H₁₃₅；

(d2)对H₁₃₅进行游程编码；

(d3)统计不同码字的频数，获得频数数组f₁₃₅；

(d4)计算长码字所占比例，即为图像135度方向平滑度S₁₃₅；

在获得图像0度平滑度、45度平滑度、90度平滑度和135度平滑度之后，计算获得最大平滑度方向；

所述嵌入过程包括选取最优像素配对方向，附加信息处理和信息嵌入，其中：

选取最优像素配对方向方法为：

选取最优像素配对方向是根据图像最大平滑度所在方向选取差值扩展嵌入方法中像素配对方向；具体的为比较图像0度方向平滑度，45度方向平滑度，90度方向平滑度和135度方向平滑度，取图像最大的平滑度所在方向为最优像素配对方向；

附加信息处理方法为：

附加信息处理指对于方向选择这部分附加信息的处理，包括方向信息编码和将方向信息加入原始信息；具体的对最优像素配对方向进行编码，获得方向信息Mod，占2bit信息，编码分别为00，对应0度方向，01，对应45度方向，10，对应90度方向，11，对应135度方向；将方向信息Mod同其它原方法中待嵌入信息合并在一起作为全部待嵌入信息；

信息嵌入方法为：

信息嵌入即为包括附加方向信息和原始信息在内的全部信息的嵌入过程；具体的信息嵌入方法为按照改进后的像素配对方式选取像素对后，再按原方法中的信息嵌入方法进行嵌入；

最后通过改进嵌入过程中的像素配对方式，在相同嵌入容量下提高图像质量。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，其特征在于：0度方向平滑度、45度方向平滑度、90度方向平滑度和135度方向平滑度计算公式为：

K＝3，4，5，dir＝0，45，90，135，其中dir为平滑度所在方向，具体为0、45、90或135，S_dir为在dir方向上的平滑度，K为阈值，用于区分长码字，t_dir为dir方向上码字最大值，f_dir为dir方向上不同码字的频数。

3.根据权利要求1所述的一种用于提高嵌入水印后图像质量的差值扩展嵌入数字水印改进方法，其特征在于：所述的方向信息Mod的编码方式为：

$\mathrm{Mod}=\left\{\begin{array}{ccc}00,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_0\\ 01,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{45}\\ 10,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{90}\\ 11,& \mathrm{if}& S_{\max }=S_{135}\end{array}\right.,$

其中Mod为方向信息，为二进制编码，占2bit，S_max为图像在四个方向上平滑度的最大值，S₀，S₄₅，S₉₀，S₁₃₅分别为图像0度方向平滑度，45度方向平滑度，90度方向平滑度和135度方向平滑度。

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