CN105023236A - 一种基于矩阵lu分解的双彩色图像盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双彩色图像盲水印算法，旨在改变当前数字水印多为二值或灰度图像的现状，满足彩色数字图像作为版权保护的需要。其技术要点是，将4×4像素块进行矩阵LU分解，通过微调其下三角矩阵的第二行一列元素和第三行一列元素之间的大小关系，将彩色数字图像水印嵌入到彩色宿主图像中；同时，提取水印是不需要原始水印或原始宿主图像的帮助，达到盲提取的目的。该方法简单快捷，具有较高的水印不可见性、强鲁棒性，适用于彩色图像作为数字水印的版权保护。

Description

一种基于矩阵LU分解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

随着Internet和多媒体技术的快速发展，数字作品的非法拷贝、恶意篡改版权保护标识等已越来越成为一个迫切解决的严重问题。目前的图像数字水印算法多数是将二值或灰度图像作为数字水印，而将彩色图像作为数字水印的比较少。一个最重要的原因是将彩色图像作为数字水印时，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，因此增加了水印嵌入的难度，现有的将二值图像嵌入灰度图像的数字水印技术并不能很好地满足当前以彩色数字图像为主的版权保护，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。

另外，现有的彩色图像水印算法主要研究的是非盲数字水印技术，这主要是因为彩色图像所包含的版权保护信息非常大，用非盲数字水印技术可以比较方便地嵌入。但是，该类技术需要借助于原始宿主图像或原始水印图像的帮助才能进行水印的检测或提取，在现实生活中有些累赘、很不方便。因此，在近几年的数字水印技术研究中，盲检测数字水印算法逐渐成为数字水印技术发展的主流，如何实现彩色水印图像的盲提取是当前图像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矩阵LU分解的双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：彩色数字水印图像的预处理：将大小为N×N的24位原始彩色图像水印图像W通过降维处理，分成三个二维水印分量R，G，B；然后，将每个二维水印分量进行基于私钥KA _c  (c=1,2,3)的Arnold变换置乱；随后，把每个像素值转换为8位二进制数，并将所有的8位二进制数组合成二值序列W _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：彩色宿主图像的预处理：将宿主图像H也分成R，G和B三个分量图像H _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每个分量图像H _c 进一步划分为4×4大小的非重叠的像素块；同时，用基于私钥为KB _c (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法随机选择嵌入块；

第三步：选取一个嵌入块H _i,j 并按照公式（1）进行LU分解获得其下三角矩阵L _i,j 和上三角矩阵U _i,j ,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）修改下三角矩阵L _i,j 中的第二行一列元素和第三行一列元素以嵌入水印w；

                                       （2）

                                       （3）

其中，，T是水印嵌入强度；

第五步：利用公式（4）进行逆LU变换，得到嵌入水印后的像素块；

                                                                 （4）

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H ^* ；

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H ^* 分成三个分层含水印图像，c=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：利用基于私钥为KB _c  (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法选取含水印的图像块；

第三步：根据公式（5），将含有水印的像素块进行LU分解，得其下三角矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                                 （5）

第四步：根据公式（6），利用下三角矩阵中的第二行一列元素和第三行一列元素，提取水印信息；

                            （6）

第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，把这些提取的信息按照每8位一组进行分解，并转换为十进制的像素值，然后形成分量水印，c=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：将每个分量水印进行基于私钥KA _c (c=1,2,3)的逆Arnold变换，并结合成最终提取的水印W ^*。

该方法简单快捷，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，具有较强的鲁棒性，该方法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0.9816、0.9794，其峰值信噪比PSNR值依次是39.4428dB、40.1228dB。

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1.0000、1.0000。

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(5:1)、椒盐噪声(0.02)、低通滤波(100,1)、锐化(1.0)、缩放(4:1)、剪切(50%)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9988、0.9904、0.9577、0.9998、0.9949、0.8488。

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0.9818、0.9792，其峰值信噪比PSNR值依次是39.5054dB、40.2063dB。

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1.0000、1.0000。

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(5:1)、椒盐噪声(0.02)、低通滤波(100,1)、锐化(1.0)、缩放(4:1)、剪切(50%)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9998、0.9928、0.9788、0.9971、0.9978、0.9604。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于矩阵LU分解的双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：彩色数字水印图像的预处理：将大小为32×32的24位原始彩色图像水印图像W通过降维处理，分成三个二维水印分量R，G，B；然后，将每个二维水印分量进行基于私钥KA _c  (c=1,2,3)的Arnold变换置乱；随后，把每个像素值转换为8位二进制数，并将所有的8位二进制数组合成二值序列W _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；例如：可将241，198，201转换成二进制数分别为11110001，11000110，11001001，将三者依次组合的二值序列为111100011100011011001001；

第二步：彩色宿主图像的预处理：将512×512的24位原始宿主图像H也分成R，G和B三个分量图像H _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每个分量图像H _c 进一步划分为4×4大小的非重叠的像素块；同时，用基于私钥为KB _c (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法随机选择嵌入块；

第三步：选取一个嵌入块H _i,j 并按照公式（1）进行LU分解获得其下三角矩阵L _i,j 和上三角矩阵U _i,j ,此处i,j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                                               （1）

此处，设选取的嵌入块为，则按照公式（1）进行LU分解获得其下三角矩阵和上三角矩阵分别为：，

；

第四步：根据公式（2）、（3）修改下三角矩阵L _i,j 中的第二行一列元素和第三行一列元素以嵌入水印w；

                                       （2）

                                       （3）

其中，，T是水印嵌入强度；

从下三角矩阵中第二行一列元素和第三行一列元素分别为：0.9021，0.9021，当将水印信息为“1”且以嵌入强度T=0.0275嵌入时，按照公式（3）求得新的第二行一列元素和第三行一列元素分别为0.9296，0.8746，替换原相应位置的元素得到新的下三角矩阵为，此时水印已经嵌入；

第五步：利用公式（4）进行逆LU变换，得到嵌入水印后的像素块；

                                                                 （4）

此时，利用公式（4）获得嵌入水印后的像素块为

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H ^* ；

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H ^* 分成三个分层含水印图像，c=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：利用基于私钥为KB _c  (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法选取含水印的图像块；

第三步：根据公式（5），将含有水印的像素块进行LU分解，得其下三角矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                                   （5）

设含水印的像素块为，对其进行LU分解后得其下三角矩阵为；

第四步：根据公式（6），利用下三角矩阵中的第二行一列元素和第三行一列元素，提取水印信息；

                                   （6）

此时，由下三角矩阵获得第二行一列元素和第三行一列元素分别为0.9301，0.8741，利用公式（6）提取的水印信息为“1”；

第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，把这些提取的信息按照每8位一组进行分解，并转换为十进制的像素值，然后形成分量水印，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：将每个分量水印进行基于私钥KA _c (c=1,2,3)的逆Arnold变换，并结合成最终提取的水印W ^*。

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0.9816、0.9794，其峰值信噪比PSNR值依次是39.4428dB、40.1228dB。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1.0000、1.0000。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(5:1)、椒盐噪声(0.02)、低通滤波(100,1)、锐化(1.0)、缩放(4:1)、剪切(50%)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9988、0.9904、0.9577、0.9998、0.9949、0.8488。

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0.9818、0.9792，其峰值信噪比PSNR值依次是39.5054dB、40.2063dB。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1.0000、1.0000。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(5:1)、椒盐噪声(0.02)、低通滤波(100,1)、锐化(1.0)、缩放(4:1)、剪切(50%)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9998、0.9928、0.9788、0.9971、0.9978、0.9604。

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)

1.一种基于矩阵LU分解的双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：彩色数字水印图像的预处理：将大小为N×N的24位原始彩色图像水印图像W通过降维处理，分成三个二维水印分量R，G，B；然后，将每个二维水印分量进行基于私钥KA _c  (c=1,2,3)的Arnold变换置乱；随后，把每个像素值转换为8位二进制数，并将所有的8位二进制数组合成二值序列W _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：彩色宿主图像的预处理：将宿主图像H也分成R，G和B三个分量图像H _c ，c=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层，并将每个分量图像H _c 进一步划分为4×4大小的非重叠的像素块；同时，用基于私钥为KB _c (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法随机选择嵌入块；

第三步：选取一个嵌入块H _i,j 并按照公式（1）进行LU分解获得其下三角矩阵L _i,j 和上三角矩阵U _i,j ,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）修改下三角矩阵L _i,j 中的第二行一列元素和第三行一列元素以嵌入水印w；

                                       （2）

                                      （3）

其中，，T是水印嵌入强度；

第五步：利用公式（4）进行逆LU变换，得到嵌入水印后的像素块；

                                                                 （4）

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H ^* ；

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H ^* 分成三个分层含水印图像，c=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：利用基于私钥为KB _c  (c=1,2,3)的MD5哈希伪随机置换算法选取含水印的图像块；

第三步：根据公式（5），将含有水印的像素块进行LU分解，得其下三角矩阵，此处i, j分别表示该像素块所在的行号和列号；

                                                                （5）

第四步：根据公式（6），利用下三角矩阵中的第二行一列元素和第三行一列元素，提取水印信息；

                            （6）

第五步：重复执行第三步、第四步，直到提取所有的水印信息，把这些提取的信息按照每8位一组进行分解，并转换为十进制的像素值，然后形成分量水印，c=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：将每个分量水印进行基于私钥KA _c (c=1,2,3)的逆Arnold变换，并结合成最终提取的水印W ^*。