CN102930497A - 基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,具体步骤包括:(1)图像分色处理;(2)水印图像预处理;(3)计算像素块的奇偶校验值;(4)确定水印嵌入强度;(5)嵌入水印;(6)图像矫正;(7)水印提取。本发明解决了现有技术中在提取水印时要求将扫描后的待检测图像二值化,水印的鲁棒性差,难以真正抵抗打印扫描攻击的问题。本发明具有良好的鲁棒性、能够有效的抵抗打印扫描、随机涂改和裁剪等攻击、容易提取水印的优点。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域,更进一步涉及信息隐藏技术领域中的一种基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法。本发明可用于在打印/印刷输出图像的同时,将水印信息嵌入图像,并通过扫描打印后的图像提取嵌入的水印信息,实现对打印、印刷品的版权保护。
背景技术
近几年来,在许多打印和出版应用中,日益猖獗的假冒伪劣行为给打印/印刷输出品的防伪带来了新的挑战。数字水印技术作为数字产品版权保护的技术措施被国内外广泛使用。针对打印输出、书籍、杂志等印刷品的水印为半调图像水印,主要有直接嵌入法、间接嵌入法和可视加密三类方法。
Weina J等人在“A novel least distortion linear gain model for halftone imagewatermarking incorporating perceptual quality metrics”(Data Hiding and MultimediaSecurity,2009,4:65~83)中提出一种直接嵌入法,该方法通过修改固定位置上的像素嵌入水印,尽管含水印半调图有很好的视觉效果,但是该方法存在的不足是,经打印、扫描攻击后,像素值发生很大变化,因此水印的鲁棒性差。
Jing-Ming G等人在“Watermarking in halftone images with parity-matched errordiffusion”,Signal Processing,2011,91:126-135中提出一种间接嵌入法,该方法基于区域的统计特性,在对图像进行半调的同时通过添加噪声来嵌入水印,在一定程度上提高了水印的鲁棒性,但该方法的缺点是,在提取水印前必须首先将扫描的嵌水印图像二值化,区域的统计特性取决于像素值和量化阈值,像素值在打印、扫描前后不稳定,并且当打印机、扫描仪型号不同时,量化阈值选择困难,增加了水印提取的难度。
S.C.Pei等人在“Data hiding in halftone images with noise-balanced error diffusion”(IEEESignalProcess.Lett.10,(12)(2003)349-351)中提出一种可视加密方法,该方法是在两幅或多幅图像中,通过修改像素值嵌入水印。该类方法的缺点是,需将多幅含水印图像叠加在一起提取水印,而且叠加含水印图像时要求多幅图像严格对齐,提取水印比较困难。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足,提供一种基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,本发明方法以像素块为基本处理单元,采用了自适应的水印嵌入方法,通过构造奇偶校验模型,在块误差分散过程中完成水印图像的嵌入。并且在提取水印时,利用像素块的均值不易发生变化的特性,减少了水印提取的难度。
本发明包括水印嵌入和水印提取两个过程;
本发明水印嵌入过程的具体步骤为:
(1)图像分色处理:
1a)判断载体图像是否是彩色图像,若载体是彩色图像,将载体图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间;若载体图像是灰度图像,执行步骤(2)。
(2)水印图像预处理:
2b)判断水印图像的像素值是否大于设定阈值,如果大于或等于阈值,将该像素设置为白色,反之设置为黑色,得到二值水印图像;
2c)对二值水印图像进行Arnold置乱,得到待嵌入的水印图像。
(3)计算像素块的奇偶校验值:
3a)根据水印嵌入窗口大小,设定载体图像中像素块的大小;
3b)在载体图像中选取一个包含当前像素块以及与其相邻像素块的矩形区域,作为当前像素块邻域;
3c)扫描当前像素块邻域中所有的像素块,判断每个像素块的均值是否大于邻域中所有像素块的均值,若是,则将每个像素块的均值大于或等于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“odd”,否则将每个像素块的均值小于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“even”;
3d)统计当前像素块邻域内所有标记为“odd”的像素块的个数,如果为奇数,则当前像素块的奇偶校验值为“1”,否则奇偶校验值为“0”。
(4)确定水印嵌入强度:
4a)按照下式计算自适应水印嵌入强度:
其中,F(x,σ)表示自适应水印嵌入强度,x表示以熵表示的载体图像中像素块纹理特性的物理量,σ表示控制水印嵌入强度递增快慢的参数,N0表示最大水印嵌入强度的一个常量。
(5)嵌入水印:
5a)在载体图像中从左至右、从上至下逐个选取载体图像的像素块,同时从左至右、从上至下逐位读入待嵌入的水印图像,每个水印嵌入窗口中的所有像素块对应一个水印位;
5b)对选取的载体图像像素块中包含所有像素的像素值取平均值,将该平均值作为所选取的载体图像像素块的均值;
5c)判断所选取载体图像像素块是否满足下述水印嵌入条件之一:
5cl)所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和大于或者等于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相同;
5c2)所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和小于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相异;
5d)如果选取的载体图像像素块满足步骤5cl),则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中减去水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中加上水印嵌入强度;如果选取的载体图像像素块满足步骤5c2),则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中加上水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中减去水印嵌入强度;
5e)如果选取的载体图像像素块均不满足步骤5cl)、步骤5c2)的条件,则按照块误差分散方法进行半调。
本发明水印提取过程的具体步骤为:
(6)图像矫正:
6a)利用Photoshop软件对扫描后的图像进行裁剪,得到含水印的图像;
6b)利用线性插值方法将含水印的图像缩放到与原始的载体图像相同的大小,得到待检测的图像。
(7)水印提取:
7a)判断待检测的图像是否是彩色图像,若是彩色图像,将待检测的图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间;若是灰度图像,则执行步骤7b);
7b)对待检测的图像中每个水印嵌入窗口内所有像素块的奇偶校验值取平均值,若平均值大于0.5,则水印位为1,否则水印位为0;
7c)进行逆Arnold置乱,得到与步骤(2)类似的水印图像。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
第一,本发明选择以像素块为处理单元,并引入反映局部结构特征的局部二值模式构造奇偶校验模型,克服了现有技术中单个像素在打印扫描过程中其像素值易发生变化的缺点,使得本发明具有更强鲁棒性的优点。
第二,本发明不需要在提取水印前对扫描的半调图进行二值化处理,克服了现有技术的选择二值化阈值困难的缺点,使得本发明具有更容易提取水印图像的优点。
第三,本发明构造了自适应水印嵌入强度函数,实现了不可见性和鲁棒性的折衷,克服了现有技术中水印嵌入强度单一的缺点,使得本发明具有在保证水印鲁棒性的同时,提高了图像的视觉效果的优点。
第四,本发明在处理彩色图像之前,对彩色图像进行分色处理,在各个通道分别嵌入水印图像,并利用投票方式提取水印图像,克服了现有技术不适用彩色图像的缺点,使得本发明具有不仅适用灰度图像,而且也适用彩色图像的优点。
附图说明:
图1为本发明的流程图;
图2为本发明中像素块、像素块邻域和水印嵌入窗口的关系图;
图3为现有技术的Floyd-Steinberg块误差分散方法示意图;
图4为通过本发明构造的自适应水印嵌入强度函数的曲线图;
图5为本发明实施例中使用的水印图像;
图6为本发明实施例中使用的载体图像;
图7为本发明仿真1的示意图;
图8为本发明仿真2的示意图;
具体实施方式:
下面结合附图1对本发明做详细的描述。
步骤1,图像分色:
本发明不仅适用灰度图像,而且也适用彩色图像,因此,对彩色图像和灰度图像的操作也不同。在嵌入水印之前,首先要判断载体图像是否是彩色图像,若载体图像是彩色图像,则利用下式将载体图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间,使其符合打印机中的颜色模型,以便在青色C、品红M和黄色Y三个颜色通道分别进行嵌入操作;若载体图像是灰度图像,执行步骤2。
其中,K表示黑色,R表示红色,G表示绿色,B表示蓝色,C表示青色,M表示品红,Y表示黄色。
步骤2,水印图像预处理:
第一步,采用线性插值方法,将原始水印图像缩放至大小,得到水印图像I,其中P、Q分别表示载体图像的宽度和高度值,M、N分别表示水印嵌入窗口的宽度和高度值,缩放能将任意大小的水印图像转换为满足要求大小的水印图像。其中,线性插值方法是根据图像的缩放比例和图像中相邻像素的像素值,计算得出要插入像素的像素值,在图像中的相邻像素之间插入计算得出的像素,完成对图像的缩放。
第二步,由于本发明中适用的水印图像是二值图像,因此,需要对水印图像进行二值化处理。在二值化处理过程中,首先要判断水印图像像素值是否大于设定阈值,如果大于或等于阈值,则将该像素设置为白色,反之设置为黑色,得到二值水印图像II,以便在后续操作中,可以把水印图像看成0和1序列。阈值取原始水印图像中最大像素值和最小像素值的平均值。
第三步,对二值水印图像II进行Arnold置乱处理,得到待嵌入的水印图像,置乱能增强水印抵抗各种攻击的鲁棒性。首先确定水印图像的Arnold置乱周期,置乱参数可以选择大于零并小于置乱周期的任意整数,本发明实施例中使用的水印图像大小为64×64个像素,其Arnold置乱周期是48,本发明实例中选择置乱参数为20。
步骤3,计算像素块的奇偶校验值:
第一步,根据水印嵌入窗口大小,设定载体图像中像素块的大小,像素块较单个像素不易受打印、扫描攻击的影响,因此将其作为最基本的处理单元。像素块的大小应与块误差分散半调中的分块大小一致,分块过大,图像颗粒变大,图像质量下降。本发明实施例中设定水印嵌入窗口大小为8×8个像素,即M=8,N=8,设定像素块大小为2×2个像素。
第二步,在载体图像中选取一个包含当前像素块以及与其相邻像素块的矩形区域,作为当前像素块邻域,像素块、像素块邻域和水印嵌入窗口的关系如附图2,图2中阴影的小方块部分表示像素块,Cell箭头指向的区域表示当前像素块,G箭头指向的区域表示像素块邻域,W箭头指向的区域表示水印嵌入窗口。本发明实施例中设定像素块的邻域大小为12×12个像素。
第三步,扫描当前像素块邻域中所有的像素块,判断每个像素块的均值是否大于邻域中所有像素块的均值,若是,则将每个像素块的均值大于或等于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“odd”,否则将每个像素块的均值小于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“even”。其中,像素块的均值是该像素块所包含像素的像素值的平均值。
第四步,统计当前像素块邻域内所有标记为“odd”的像素块的个数,如果为奇数,则当前像素块的奇偶校验值为“1”,否则奇偶校验值为“0”。
步骤4,确定水印嵌入强度:按照下式计算自适应水印嵌入强度:
其中,F(x,σ)表示自适应水印嵌入强度,x表示以熵表示的载体图像中像素块纹理特性的物理量,σ表示控制水印嵌入强度递增快慢的参数,N0是一个常量,表示最大水印嵌入强度。
利用上式,可以得出自适应水印嵌入强度随着载体图像纹理的物理量x和控制水印嵌入强度递增快慢的参数σ变化曲线图,如附图3。图3中横坐标轴表示图像纹理x,纵坐标轴表示自适应水印嵌入强度。当σ=0.5时,水印嵌入强度曲线变化比较迅速,然后趋于平稳;当σ=1.5时,水印嵌入强度曲线变化比较平缓,然后趋于平稳;当σ=2.5时,水印嵌入强度曲线变化更加平缓,然后趋于平稳;本发明实施例中选择σ=0.5;
另外,N0值若选则过大,则含水印的图像中会出现人眼敏感的噪声,但水印的鲁棒性很强;N0值若选择过小,含水印图像的视觉效果会明显提高,但水印的鲁棒性会降低,为达到鲁棒性和含水印图像视觉效果的折衷,本发明实施例中选择N0=40。
步骤5,嵌入水印:
第一步,在载体图像中从左至右从上至下逐个选取载体图像的像素块,同时从左至右从上至下逐位读入待嵌入的水印图像,确保每个水印嵌入窗口中的所有像素块对应一个水印位。
第二步,对选取的载体图像像素块中包含所有像素的像素值取平均值,将该平均值作为所选取的载体图像像素块的均值。
第三步,本发明是在块误差分散过程中有选择性的添加和减少水印嵌入强度来嵌入水印的,因此,嵌入水印之前要判断所选取载体图像像素块是否满足下述水印嵌入条件之一:
条件1,所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和,大于或者等于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相同。
条件2,所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和,小于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相异。
第四步,如果选取的载体图像像素块满足上述条件1,则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中减去水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中加上水印嵌入强度。如果选取的载体图像像素块满足上述条件2,则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中加上水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中减去水印嵌入强度。本发明中使用经典的Floyd-Steinberg误差分散核进行块误差分散,分散形式详见附图4,图4中的方格表示一个像素块,方格内的圆圈表示一个像素,含有一个黑点的方格表示当前正在处理的像素块,当前正在处理的像素块接受图4中其它像素块的分散误差。量化是指判断所选取像素块中像素的像素值是否大于128,如果大于或者等于128,则使所选像素块中像素的像素值等于255,如果小于128,则使所选像素块中像素的像素值等于0。
第五步,如果选取的载体图像像素块均不满足第三步中所述的条件,则按照Floyd-Steinberg块误差分散方法进行半调。
第五步结束后,完成水印嵌入过程,把含水印图像经过打印、扫描,得到扫描后的图像。
步骤6,图像矫正:
第一步,利用Photoshop软件的自动裁剪功能对扫描后的图像进行裁剪,剪去扫描得到的图像上面的白边,得到含水印的图像。
第二步,利用线性插值方法将含水印的图像缩放到与原始的载体图像相同的大小,得到待检测的图像。其中,线性插值方法是根据图像的缩放比例和图像中相邻像素的像素值,计算得出要插入像素的像素值,在图像中的相邻像素之间插入计算得出的像素,完成对图像的缩放。
步骤7,水印提取:
第一步,由于本发明中对彩色图像和灰度图像提取操作不同,在提取水印之前,要判断待检测的图像是否是彩色图像,若是彩色图像,将待检测的图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间,以便在青色C、品红M和黄色Y三个颜色通道分别进行操作;若是灰度图像,则执行第二步。
第二步,对待检测的图像中每个水印嵌入窗口内所有像素块的奇偶校验值取平均值,若平均值大于0.5,则水印位为1,否则水印位为0。
第三步,进行逆Arnold置乱得到嵌入的水印图像。本发明实施例中使用的水印图像大小为64×64个像素,其Arnold置乱周期是48,本发明实施例中选择置乱参数为20,所以逆Arnold置乱参数为28。
下面通过仿真对本发明效果做进一步描述。
本发明仿真中选择的打印机型号为HP Color LaserJet CP2025,扫描仪型号为EPSON Perfection 1200U,打印和扫描的分辨率均是300dpi。用峰值信噪比PSNR评价含水印图像的质量,用归一化互相关系数NC评价提取水印图像的质量。使用本发明针方法对灰度图像和彩色图像的水印嵌入、提取和攻击仿真如下:
仿真1,仿真中使用型号为HP Color LaserJet CP2025打印机和型号为EPSONPerfection 1200U扫描仪,图6(a)为载体图像,大小为512×512,图5(a)为水印图像,大小为64×64。使用本发明方法,采用固定的水印嵌入强度,得到的含水印图像如图7(a),PSNR=6.76,提取的水印图像如图7(b),NC=0.97669;使用本发明方法,采用自适应水印嵌入强度,得到的嵌水印图像如图7(c),PSNR=6.7608,提取的水印图像如图7(d),NC=0.97466;含水印的图像图7(c)经打印、扫描得到的图像如图7(e),提取的水印图像如图7(f),NC=0.89474;对扫描后的图像图7(e)进行涂改攻击后得到的图像如图7(g),提取的水印图像如图7(h),NC=0.84246。
仿真1的结果分析,从图7(a)可以看出,载体图像中嵌入水印后,图像的质量有所下降,但采用自适应水印嵌入强度的含水印图像的PSNR值比固定水印嵌入强度含水印图像的高。从图7(f)可以看出,含水印图像经过打印、扫描仍后能提取出清晰的水印;从图7(h)可以看出,扫描后的图像再经过涂改攻击,提取的水印图像仍然清晰,NC均超过0.8,说明本发明方法的鲁棒性很强。
仿真2,仿真中使用型号为HP Color LaserJet CP2025打印机和型号为EPSONPerfection 1200U扫描仪,图6(b)作为载体图像,大小为512×512,图5(b)作为水印图像,大小为64×64。使用本发明方法,采用固定水印嵌入强度,得到的含水印图像如图8(a),PSNR=7.2688,提取的水印图像如图8(b),NC=0.97669;使用本发明方法,采用自适应水印嵌入强度,得到的含水印图像如图8(c),PSNR=7.2983,提取的水印图像如图8(d),NC=0.97466;含水印的图像8(c)经打印、扫描后得到的图像如图8(e),提取的水印图像如图8(f),NC=0.89474;对扫描后的图像8(e)进行裁剪攻击得到图8(g),提取的水印如图8(h),NC=0.84246。
仿真2的结果分析,从图8(f)可以看出,含水印图像经过打印扫描后,仍能提取出清晰的水印图像;从图8(h)可以看出,对扫描后的图像进行裁剪攻击后,提取出的水印图像依然清晰,说明本发明方法具有很强的鲁棒性。
通过仿真1和仿真2的结果可以得出,使用本发明方法得到的含水印图像经过打印扫描、涂改和裁剪攻击后,仍能提取出清晰的水印图像。说明本发明方法能够抵抗打印扫描、涂改、裁剪等攻击,具有很强的鲁棒性。
Claims (4)
1.一种基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,包括水印嵌入和水印提取两个过程;
所述水印嵌入过程的具体步骤为:
(1)图像分色处理:
1a)判断载体图像是否是彩色图像,若载体是彩色图像,将载体图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间;若载体图像是灰度图像,执行步骤(2);
(2)水印图像预处理:
2b)判断水印图像的像素值是否大于设定阈值,如果大于或等于阈值,将该像素设置为白色,反之设置为黑色,得到二值水印图像;
2c)对二值水印图像进行Arnold置乱,得到待嵌入的水印图像;
(3)计算像素块的奇偶校验值:
3a)根据水印嵌入窗口大小,设定载体图像中像素块的大小;
3b)在载体图像中选取一个包含当前像素块以及与其相邻像素块的矩形区域,作为当前像素块邻域;
3c)扫描当前像素块邻域中所有的像素块,判断每个像素块的均值是否大于邻域中所有像素块的均值,若是,则将每个像素块的均值大于或等于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“odd”,否则将每个像素块的均值小于邻域中所有像素块均值的像素块标记为“even”;
3d)统计当前像素块邻域内所有标记为“odd”的像素块的个数,如果为奇数,则当前像素块的奇偶校验值为“1”,否则奇偶校验值为“0”;
(4)确定水印嵌入强度:
4a)按照下式计算自适应水印嵌入强度:
其中,F(x,σ)表示自适应水印嵌入强度,x表示以熵表示的载体图像中像素块纹理特性的物理量,σ表示控制水印嵌入强度递增快慢的参数,N0表示最大水印嵌入强度的一个常量;
(5)嵌入水印:
5a)在载体图像中从左至右、从上至下逐个选取载体图像的像素块,同时从左至右、从上至下逐位读入待嵌入的水印图像,每个水印嵌入窗口中的所有像素块对应一个水印位;
5b)对选取的载体图像像素块中包含所有像素的像素值取平均值,将该平均值作为所选取的载体图像像素块的均值;
5c)判断所选取载体图像像素块是否满足下述水印嵌入条件之一:
5c1)所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和大于或者等于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相同;
5c2)所选取载体图像像素块的均值,与其周围像素块分散到当前像素块上误差的和小于选取的像素块邻域内所有像素块的均值,且读入的水印位与所选取像素块的奇偶校验值相异;
5d)如果选取的载体图像像素块满足步骤5c1),则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中减去水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中加上水印嵌入强度;如果选取的载体图像像素块满足步骤5c2),则在该像素块进行块误差分散过程中,在该像素块得到的分散误差中加上水印嵌入强度,而在该像素块的量化误差中减去水印嵌入强度;
5e)如果选取的载体图像像素块均不满足步骤5c1)、步骤5c2)的条件,则按照块误差分散方法进行半调;
步骤5e)结束后,完成水印嵌入过程,将嵌入水印后的图像打印、扫描,得到扫描后的图像;
所述水印提取过程的具体步骤如下:
(6)图像矫正:
6a)利用Photoshop软件对扫描后的图像进行裁剪,得到含水印的图像;
6b)利用线性插值方法将含水印的图像缩放到与原始的载体图像相同的大小,得到待检测的图像;
(7)水印提取:
7a)判断待检测的图像是否是彩色图像,若是彩色图像,将待检测的图像从红绿蓝RGB颜色空间转换到青品红黄黑CMYK颜色空间;若是灰度图像,则执行步骤7b);
7b)对待检测的图像中每个水印嵌入窗口内所有像素块的奇偶校验值取平均值,若平均值大于0.5,则水印位为1,否则水印位为0;
7c)进行逆Arnold置乱,得到与步骤(2)类似的水印图像。
2.根据权利要求1所述的基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,其特征在于:步骤2b)中所述的阈值是指,原始水印图像中最大像素值和最小像素值的平均值。
3.根据权利要求1所述的基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,其特征在于:步骤3c)中所述的像素块的均值是指,该像素块包含的所有像素的像素值的平均值。
4.根据权利要求1所述的基于像素块奇偶校验和块误差分散的半调水印方法,其特征在于:步骤6b)中所述的线性插值方法为,根据图像的缩放比例和图像中相邻像素的像素值,计算得出要插入像素的像素值,在图像中的相邻像素之间插入计算得出的像素,完成图像缩放。
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