CN104050622A - 基于三进制编码的彩色图像盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色图像盲水印方法，将用于版权保护的彩色图像进行三进制编码并作为数字水印嵌入到彩色宿主图像中，所嵌入的彩色图像水印具有较好的不可见性，满足了基于彩色图像标识的版权保护需要。本发明将4×4像素块进行QR分解，通过修改其正交矩阵Q中第一列第二行元素与第一列第三行元素的值来嵌入水印；含水印图像受到攻击后，根据其正交矩阵Q中被修改元素的关系来提取所嵌入的水印，并达到盲检测目的。本发明具有较好的水印算法性能，适用于彩色数字图像作为数字水印的版权保护。

Description

基于三进制编码的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

随着人们版权保护意识的提高，用于版权保护的标识正由传统的伪随机序列、二值图像、灰度图像变为有意义的彩色图像；但是，目前已提出的水印方法多数上是针对灰度图像的，对彩色图像数字水印方法研究要少一些，这主要是因为灰度图像较彩色图像便于处理，且灰度图像仅含有亮度信息而不含色度信息，在其中嵌入水印不会产生新的颜色分量；而当嵌入较多信息量的彩色图像数字水印时，水印编码、嵌入和提取将存在较大的难度，降低了水印不可见性。因此，如何以高不可见性方式将彩色图像数字水印嵌入彩色宿主图像成为亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种用三进制表示版权信息的彩色图像盲水印方法，包含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：通过降维处理将三维彩色图像数字水印W分成红、绿、蓝3个二维分层水印图像；为了提高水印的安全性，将分层水印图像进行基于Ka的Arnold 变换，并将每个十进制表示的像素用6位三进制数表示，并依次组合形成分层水印序列W _i ，i=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：将原始宿主图像H也分成3个分层宿主图像H _i  ，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；同时，把每一个分层宿主图像H _i 进行4×4的非重叠分块，并利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层宿主图像H _i 中选择像素块，以便嵌入分层水印序列W _i ；

第三步：选取一个像素块                                                并按照公式（1）进行QR分解获得正交矩阵和上三角矩阵,此处i,j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                                                          (1)

第四步：根据公式（2）、（3）、（4），将正交矩阵第一列第二个元素和第一列第三个元素分别修改为、来嵌入水印，得到嵌入水印后的正交矩阵；

if                                    (2)

if                       (3)

if                     (4)

其中，，|x|表示x的绝对值，T为水印嵌入阈值，为水印嵌入强度；

第五步：利用公式（5）计算得到嵌入水印后的像素块；

                                                                                  (5)

第六步：重复执行步骤第三步到第五步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止；最后，将含水印的红、绿、蓝分层图像重新组合并获得含水印的图像。

其水印提取的具体过程描述如下： 

第一步：将含水印图像分成3个分层含水印图像，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每一分层含水印图像进一步分成4×4的非重叠像素块；

第二步：利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层图像中选择像素块；

第三步：将含有水印的像素块按照公式（6）进行QR分解，得到其正交矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                   (6)

第四步：根据公式(7)，用正交矩阵中第一列的第二个元素和第三个元素来提取三进制水印信息；

                                        (7)

第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，并将所提取的三进制水印信息每6位一组转换成十进制的像素值；

第六步：执行基于密钥Ka的逆Arnold变换并获得分层水印；

第七步：组合分层水印形成最终的提取水印。

该方法简单快捷，通过三进制信息表示法将高信息量的彩色图像数字水印进行压缩编码，减少了宿主图像被修改数据的数量，具有较好的水印不可见性；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）是两幅原始彩色宿主图像。

图2（a）、图2（b）是两幅彩色水印图像。

图3（a）、图3（b）是将图2（a）所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.96061、0.90495，其峰值信噪比PSNR值依次是36.5433dB、33.5054dB。

图4（a）、图4（b）是依次从图3（a）、图3（b）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、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JPEG2000压缩、加噪、低通滤波、锐化、缩放、剪切等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.96209、0.90924、0.76278、0.99994、0.93317、0.83351。

图6（a）、图6（b）是将图2（b）所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.96146、0.91088，其峰值信噪比PSNR值依次是36.4881dB、34.9266dB。

图7（a）、图7（b）是依次从图6（a）、图6（b）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、1.00000。

图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）、图8（e）、图8（f）是将图6（a）所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩、加噪、低通滤波、锐化、缩放、剪切等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.90924、0.98836、0.92622、0.99978、0.96628、0.87061。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种用三进制表示版权信息的彩色图像盲水印方法，包含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：通过降维处理将32×32的24位三维彩色图像数字水印W分成红、绿、蓝3个二维分层水印图像；为了提高水印的安全性，将分层水印图像进行基于Ka的Arnold 变换，并将每个十进制表示的像素用6位三进制数表示，并依次组合形成分层水印序列W _i ，i=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层，例如可将像素值188，63，9分别转换成三进制数020222，002100，000100；

第二步：将512×512的24位原始宿主图像H分成3个分层宿主图像H _i  ，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；同时，把每一个分层宿主图像H _i 进行4×4的非重叠分块，并利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层宿主图像H _i 中选择像素块，以便嵌入分层水印序列W _i ；

第三步：选取一个像素块按照公式（1）进行QR分解获得正交矩阵和上三角矩阵,此处i,j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                                                          (1)

此处，设选取的像素块为，则按照公式（1）进行QR分解获得正交矩阵和上三角矩阵分别为： ，

；

第四步：根据公式（2）、（3）、（4），将正交矩阵中第一列第二个元素和第一列第三个元素分别修改为、来嵌入水印，得到嵌入水印后的正交矩阵为；

if                                    (2)

if                         (3)

if                      (4)

其中，，|x|表示x的绝对值，T为水印嵌入阈值，为水印嵌入强度；

此处，设水印嵌入阈值T=0.0400，水印嵌入强度=1.2，根据公式（2）、（3）、（4），修改正交矩阵第一列第二个元素和第一列第三个元素来嵌入水印，得到嵌入水印后的正交矩阵为：

； 

第五步：利用公式（5）求出嵌入水印后的像素块为：

；

                                                                           (5)

第六步：重复执行步骤第三步到第五步，直到所有的水印信息都嵌入完成为止；最后，将含水印的分层图像红、绿、蓝重新组合并获得含水印的图像。

本发明所述水印提取的具体过程如下：

第一步：将含水印图像分成3个分层含水印图像，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每一分层含水印图像进一步分成4×4的非重叠像素块；

第二步：利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层图像中选择嵌入块；

第三步：将含有水印的像素块按照公式（6）进行QR分解，得到其正交矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                                                          (6)

此处，设含有水印的像素块为，

则按照公式（6）进行QR分解，得其正交矩阵为

；

第四步：根据公式（7）,利用正交矩阵中第一列的第二个元素0.4944和第三个元素0.4944来提取三进制水印信息；

                         (7)

 第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，并将所提取的三进制水印信息每6位一组转换成十进制的像素值；

第六步：执行基于密钥Ka的逆Arnold变换并获得分层水印；

第七步：组合分层水印形成最终的提取水印。

该方法简单快捷，具有较高的水印不可见性和鲁棒性，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）所示的两幅大小为512×512的24位标准图像作为宿主图像，并分别用如图2（a）、图2（b）所示的两幅大小为32×32的24位彩色图像作为数字水印进行验证。

图3（a）、图3（b）是将图2（a）所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.96061、0.90495，其峰值信噪比PSNR值依次是36.5433dB、33.5054dB；图4（a）、图4（b）是依次从图3（a）、图3（b）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、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JPEG2000压缩、加噪、低通滤波、锐化、缩放、剪切等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.96209、0.90924、0.76278、0.99994、0.93317、0.83351。

图6（a）、图6（b）是将图2（b）所示的水印依次嵌入到宿主图像图1（a）、图1（b）后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.94186、0.91088，其峰值信噪比PSNR值依次是36.4881dB、34.9266dB；图7（a）、图7（b）是依次从图6（a）、图6（b）中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.00000、1.00000；图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）、图8（e）、图8（f）是将图6（a）所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩、加噪、低通滤波、锐化、缩放、剪切等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.90924、0.98836、0.92622、0.99978、0.96628、0.87061。

由此可见，所嵌入的彩色图像数字水印具有良好的不可见性；同时，从各种受攻击图像中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)

1.一种用三进制表示版权信息的彩色图像盲水印方法，包含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：通过降维处理将三维彩色图像数字水印W分成红、绿、蓝3个二维分层水印图像；为了提高水印的安全性，将分层水印图像进行基于Ka的Arnold 变换，并将每个十进制表示的像素用6位三进制数表示，并依次组合形成分层水印序列W _i ，i=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：将原始宿主图像H也分成3个分层宿主图像H _i  ，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；同时，把每一个分层宿主图像H _i 进行4×4的非重叠分块，并利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层宿主图像H _i 中选择像素块，以便嵌入分层水印序列W _i ；

第三步：选取一个像素块                                                并按照公式（1）进行QR分解获得正交矩阵和上三角矩阵,此处i,j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                     (1)

第四步：根据公式（2）、（3）、（4），将正交矩阵第一列第二个元素和第一列第三个元素分别修改为、来嵌入水印，得到嵌入水印后的正交矩阵；

if                       (2)

if               (3)

if            (4)

其中，，|x|表示x的绝对值，T为水印嵌入阈值，为水印嵌入强度；

第五步：利用公式（5）计算得到嵌入水印后的像素块；

                                                           (5)

第六步：重复执行步骤第三步到第五步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止；最后，将含水印的红、绿、蓝分层图像重新组合并获得含水印的图像；

其水印提取的具体过程描述如下：

第一步：将含水印图像分成3个分层含水印图像，i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每一分层含水印图像进一步分成4×4的非重叠像素块；

第二步：利用基于密钥K _b 的伪随机序列在分层图像中选择像素块；

第三步：将含有水印的像素块按照公式（6）进行QR分解，得到其正交矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                            (6)

第四步：根据公式(7)，用正交矩阵中第一列的第二个元素和第三个元素来提取三进制水印信息；

                      (7)

第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，并将所提取的三进制水印信息每6位一组转换成十进制的像素值；

第六步：执行基于密钥Ka的逆Arnold变换并获得分层水印；

第七步：组合分层水印形成最终的提取水印。