CN103778592A - 一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法，将大容量彩色图像作为数字水印嵌入到彩色宿主图像，满足了基于彩色图像标识的版权保护需要。本发明提出了进制余码的定义，通过调整宿主图像像素数据的进制余码来嵌入非二进制水印信息；提取水印时，利用含水印图像的进制余码即可提取水印，不要原始水印或原始宿主图像的帮助，达到了盲检测的目的。该方法简单快捷，具有较高的水印嵌入量和水印不可见性，本发明适用于彩色数字图像作为数字水印的版权保护。

Description

一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及大容量彩色数字图像作为数字水印的版权保护。

背景技术

彩色数字图像作为网络信息的主要载体，很容易发生伪造、滥用、侵权等不良行为，面对多媒体版权保护的现实状况，需要加强对嵌入水印是高信息量彩色图像的数字水印技术研究。如今的图像数字水印方法多数是将二值或灰度图像作为数字水印，而将彩色数字图像作为数字水印的比较少，其主要原因是将彩色数字图像作为水印时，其含有的信息量是相同尺寸灰度图像的3倍，是二值图像的24倍，故增加了水印嵌入的难度，降低了水印不可见性，因此，如何将彩色数字图像作为数字水印成为亟待解决的问题之一。

在近几年的数字水印技术研究中，虽然盲检测数字水印方法逐渐成为数字水印技术发展的主流，但是由于彩色数字图像所包含的版权保护信息非常大，用非盲水印方法可以比较方便地嵌入或提取水印，现有的很多彩色图像数字水印方法研究的是非盲水印，因此，如何改变现状实现彩色水印图像的盲提取是当前图像数字水印技术的难点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法，包含具体的水印嵌入过程和提取过程，其水印嵌入的具体过程描述如下：

第一步：彩色水印图像的预处理：将大小为N×N的24位原始彩色水印图像W的R、G、B三个水印分量分别降维处理得到一维数据，同时将其每一数值型数据换为长度为3的等长字符型数据，并进行字符连接得到字符型水印信息Wr、Wg、Wb；

第二步：将彩色宿主图像I的R、G、B三个分量依次进行一级整数小波变换，获得各分量的小波低频系数Hr、Hg、Hb；

第三步：将小波低频系数Hr、Hg、Hb分成连续的小波系数单元，每一系数单元包含5个系数值，可表示为                                                

；

第四步：利用公式（1），计算该系数单元的初始进制余码s0；

                    (1)

其中，mod(.)表示求余函数，r表示数值a _i 所具有的进制数；

第五步：从字符型水印信息中截取当前水印信息w，并利用公式（2）计算w与初始进制余码s0的差值余数e；

                                  

                    (2)

第六步：按照下面的规则来嵌入水印w，并按公式（3）计算新的进制余码s1，直到新的进制余码s1与嵌入水印w一致，完成水印w嵌入；

规则一：如果e=0，则该系数单元的值不作任何修改；

规则二：如果1≤e≤5，则该系数单元中a _e 值加1，当a _e ＞255时，则令a _e =255；

规则三：如果e>5，则该系数单元中a _10-e 值减1，当a _10-e ＜0时，则令a _10-e =1；

                   (3)

其中，

表示修改之后的系数单元数据；

第七步：重复执行第四步到第六步，直到所有水印信息被嵌入到宿主图像；

第八步：对修改后的整型小波系数进行逆小波变换得到含水印的R、G、B分量，然后合并各分量图像得到含水印的图像。

本发明所述水印提取的具体过程如下：

第一步：将含水印的彩色图像按三原色分成R、G、B三个分量，并分别执行一级整数小波变换，获得低频系数Tr、Tg、Tb；

第二步：将每一低频系数中每5个系数值组成一个系数单元a _i ^* ；

第三步：依据公式（4）从系数单元a _i ^* 中提取水印信息w*；

                         (4)

第四步：重复执行第二步、第三步，直到提取所有的水印信息；

第五步：按先后顺序将提取的字符型水印信息w*进行3位组合，并进行数据类型转换，最终提取R、G、B分量中含有的水印；

第六步：组合分量水印形成最终水印W*。

该方法简单快捷，嵌入的高信息量水印具有较好的水印不可见性，本发明达到如下效果：将彩色数字图像作为数字水印并“毫无觉察”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中快速提取所嵌入的水印，该发明适用于彩色数字图像作为数字水印的版权保护。

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是一幅彩色水印图像。

图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）是将图2所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.99891、0.99962、0.99880、0.99874，其峰值信噪比PSNR值依次是55.8543dB、55.8482dB、55.8415dB、55.8774dB。

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）是依次从图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、1.00000、0.99998、1.00000。

图5（a）、图5（b）、图5（c）、图5（d）、图5（e）、图5（f）是将图3（a）所示的含水印图像依次进行JPEG压缩、加噪、中值滤波、巴特沃斯低通滤波、Mosaic 拼贴、旋转等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.89854、0.98491、0.90453、0.89365、0.89473、0.92016。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法，包含具体的水印嵌入过程和提取过程，通过实例描述其水印嵌入过程如下：

第一步：彩色水印图像的预处理：将大小为64×64的24位原始彩色水印图像W的R、G、B三个水印分量分别降维处理得到一维数据，同时将其每一数值型数据转换为长度为3的等长字符型数据，并进行字符连接得到字符型水印信息Wr、Wg、Wb；例如，将三个像素值206，66，5分别转换为“206”，“066”，“005”，依次连接后得到字符型水印信息“206066005”。

第二步：将512×512的彩色宿主图像I的R、G、B三个分量依次进行一级整数小波变换，获得各分量的小波低频系数Hr、Hg、Hb；

第三步：将小波低频系数Hr、Hg、Hb分成连续的小波系数单元，每一单元包含5个系数值，可表示为 

，设当前系数单元是{156,155,157,154,149}；

第四步：设r=10，利用公式（1），计算该系数单元的初始进制余码s0；

   (1)

第五步：从字符型水印信息中截取当前水印信息w=“2”，并利用公式（2）计算w与初始进制余码s0的差值余数e；

          (2)

第六步：因此时1≤e≤5，则按照规则二来嵌入水印w，将系数单元中的第4个元素修改为155，并利用公式（3）计算新的进制余码s1，此时新的进制余码s1与嵌入水印w一致，完成了水印嵌入；

             (3)

第七步：重复执行第四步到第六步，直到所有水印信息被嵌入到宿主图像；

第八步：对修改后的整型小波系数进行逆小波变换得到含水印的R、G、B分量，然后合并各分量图像得到含水印的图像。

通过实例描述其水印提取的具体过程如下：

第一步：将含水印的彩色图像按三原色分成R、G、B三个分量，并分别执行一级整数小波变换，获得低频系数Tr、Tg、Tb；

第二步：每一低频系数中每5个系数值组成一个系数单元a _i ^* ，设当前系数单元是{156,155,157,155,149}；

第三步：设r=10，利用公式（4），从系数单元a _i ^* 中提取水印信息w*；

           (4)

第四步：重复执行第二步、第三步，直到提取所有的水印信息；

第五步：按先后顺序将提取的字符型水印信息w*进行3位组合，并进行数据类型转换，最终提取R、G、B分量中含有的水印；

第六步：组合分量水印形成最终水印W*。

该方法简单快捷，具有较高的水印嵌入量和水印不可见性，适用于彩色图像作为数字水印的版权保护。

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所示的一幅大小为64×64的24位彩色图像作为数字水印进行验证。

图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）是将图2所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.99891、0.99962、0.99880、0.99874，其峰值信噪比PSNR值依次是55.8543dB、55.8482dB、55.8415dB、55.8774dB，可以看出所嵌入的水印具有良好的不可见性；

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）是依次从图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、1.00000、0.99998、1.00000。图5（a）、图5（b）、图5（c）、图5（d）、图5（e）、图5（f）是将图3（a）所示的含水印图像依次进行JPEG压缩、加噪、中值滤波、巴特沃斯低通滤波、Mosaic 拼贴、旋转等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.89854、0.98491、0.90453、0.89365、0.89473、0.92016，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彩色水印。 

Claims (1)

1.一种基于进制余码的双彩色图像盲水印方法，其特征在于：是通过具体的水印嵌入过程和提取过程的，其水印嵌入的具体过程描述如下：

第一步：彩色水印图像的预处理：将大小为N×N的24位原始彩色水印图像W的R、G、B三个水印分量分别降维处理得到一维数据，同时将其每一数值型数据换为长度为3的等长字符型数据，并进行字符连接得到字符型水印信息Wr、Wg、Wb；

第二步：将彩色宿主图像I的R、G、B三个分量依次进行一级整数小波变换，获得各分量的小波低频系数Hr、Hg、Hb；

第三步：将小波低频系数Hr、Hg、Hb分成连续的小波系数单元，每一系数单元包含5个系数值，可表示为                                                

；

第四步：利用公式（1），计算该系数单元的初始进制余码s0；

                    (1)

其中，mod(.)表示求余函数，r表示数值a _i 所具有的进制数；

第五步：从字符型水印信息中截取当前水印信息w，并利用公式（2）计算w与初始进制余码s0的差值余数e；

                                  

                    (2)

第六步：按照下面的规则来嵌入水印w，并按公式（3）计算新的进制余码s1，直到新的进制余码s1与嵌入水印w一致，完成水印w嵌入；

规则一：如果e=0，则该系数单元的值不作任何修改；

规则二：如果1≤e≤5，则该系数单元中a _e 值加1，当a _e ＞255时，则令a _e =255；

规则三：如果e>5，则该系数单元中a _10-e 值减1，当a _10-e ＜0时，则令a _10-e =1；

                   (3)

其中，

表示修改之后的系数单元数据；

第七步：重复执行第四步到第六步，直到所有水印信息被嵌入到宿主图像；

第八步：对修改后的整型小波系数进行逆小波变换得到含水印的R、G、B分量，然后合并各分量图像得到含水印的图像；

本发明所述水印提取的具体过程如下：

第一步：将含水印的彩色图像按三原色分成R、G、B三个分量，并分别执行一级整数小波变换，获得低频系数Tr、Tg、Tb；

第二步：将每一低频系数中每5个系数值组成一个系数单元a _i ^* ；

第三步：依据公式（4）从系数单元a _i ^* 中提取水印信息w*；

                         (4)

第四步：重复执行第二步、第三步，直到提取所有的水印信息；

第五步：按先后顺序将提取的字符型水印信息w*进行3位组合，并进行数据类型转换，最终提取R、G、B分量中含有的水印；

第六步：组合分量水印形成最终水印W*。

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