CN105427229A - 一种双重域嵌入可逆水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字版权认证的双重域嵌入可逆水印方法，它包括：数据嵌入过程以及数据提取和图像恢复过程。该方法针对目前提出的可逆水印方法嵌入容量小且图像视觉质量降低的缺点，基于有限对比度增强，并结合整数小波变换实现了一种在空域和变换域进行双重嵌入的可逆水印算法。本发明首先通过在空域可逆嵌入水印信息，并控制对比度增强指标来改善图像视觉质量，然后利用在整数小波变换域的细节子带进行的水印嵌入，几乎不会改变图像对比度的特点，在变换域嵌入更多的水印，能更好地改善嵌入水印后图像的视觉质量，同时能嵌入更多的水印信息。有效提高了嵌入水印的容量和图像质量。

Description

一种双重域嵌入可逆水印方法

技术领域

本发明涉及多媒体信息安全领域，适用于空域和频域同时嵌入的可逆水印技术，具体涉及一种用于数字版权认证的双重域嵌入可逆水印方法。

背景技术

近些年来，随着图像处理工具的广泛使用和因特网技术的普及，数字图像作品很容易被篡改和散布，在这种情况下，数字水印技术应运而生。但常规的数字水印算法会造成载体图像的永久性失真，并不适合应用于一些特殊场合的图像，如军事图像和医疗图像等。可逆水印不仅能够通过水印的提取实现图像认证，而且在水印提取后能完全恢复原始载体图像，因而可逆水印技术日益受到人们的关注。

目前，可逆水印技术主要分为三类:差分扩展、直方图平移及预测误差扩展。基于差分扩展的可逆水印技术是由TianJun(田军)首次提出的，通过对相邻像素点Harr(哈尔)整数小波变换的差值进行扩展以嵌入水印信息，该技术在可逆数据嵌入领域得到了广泛的关注和发展，后又拓展到多像素点组成的图像块中。基于直方图平移的可逆水印技术由NiZhicheng(倪志诚)首次提出，通过图像直方图零点和峰点的平移完成水印的嵌入，这类方法能够嵌入的数据量有限，但水印后图像质量较好。基于预测误差扩展的可逆水印技术由Thodi(叟迪)通过当前像素的预测值与当前像素的误差的扩展来完成水印信息的嵌入。该类方法单次嵌入数据量可以达到1bpp(每像素1比特)。

评价用于数字版权认证的可逆水印技术的衡量指标主要是嵌入容量和水印后图像的视觉质量。这两个指标是一对矛盾体，一个好的可逆水印算法往往在嵌入容量和图像质量两者中寻求有效的折衷。目前已提出的寻求有效折衷的可逆水印技术主要有：通过遗传算法搜索最佳嵌入阈值矩阵、多倍直方图修改、依据图像块向量方差的大小自适应选择整数变换参数等。通过这些优化算法，在嵌入水印信息的同时，图像视觉质量得到有效保证，但这些算法仍有较大的改进空间。

综上所述，传统可逆水印算法追求高峰值信噪比(PSNR)，但是图像视觉质量的改善往往比保持高PSNR更重要。而且，目前可逆水印方案嵌入容量小、水印后图像视觉质量不高，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，基于有限对比度增强，并结合整数小波变换提出一种双重域嵌入可逆水印方法，用于解决在进行图像的版权认证时，如何实现大容量水印信息的嵌入、图像可视性的增强，以及水印提取后原始图像的恢复等问题。以增强载体图像视觉质量和提高水印嵌入容量，并在提取水印后能够恢复原始载体图像。

针对上述目的，本发明采取以下技术方案。一种双重域嵌入可逆水印方法，其特征在于，包括数据嵌入过程以及数据提取和图像恢复过程：

所述数据嵌入：数据嵌入包括两个阶段：第一阶段是空域信息嵌入，第二阶段是整数小波域信息嵌入；首先在空域对图像进行预处理，对边界像素进行适当扩大和缩小操作；然后计算图像直方图的一对峰值点K_D和K_U，且当K_D<K_U时，将小于K_D的像素值减1，大于K_U的像素值加1，同时将等于K_D的像素值与待嵌入水印信息相减，将等于K_U的像素值与待嵌入水印信息相加来嵌入水印信息；再计算图像RCE(图像对比度增强指标)，如果计算出的RCE大于事先定义的阈值T_rce，则重新计算图像直方图的峰值对，并平移直方图以嵌入水印；如此反复，直到获得接近阈值的RCE；

接下来，将图像变换到Haar整数小波域，然后在小波细节子带系数中嵌入水印信息；设水印嵌入时引起的对细节子带系数的最大绝对改变量为Δ，由Haar整数小波变换的定义，可推导出单图像像素值的最大绝对改变不超过，这里表示取x的上整数；为防止水印嵌入后的小波系数重构可能引起图像像素值的溢出，图像像素值的范围须先预处理为，即大小为0到的像素值增加到255的像素值减小；然后通过压缩扩展函数对细节子带系数修改以嵌入剩余水印信息；最后进行逆变换获得最终水印后图像；

所述数据提取和图像恢复包括两个阶段：第一阶段是从整数小波变换域提取嵌入的部分信息，第二阶段是在空域利用直方图峰值点提取剩余的嵌入信息并恢复至原始图像；首先应用Haar整数小波将图像变换到小波域，然后提取细节子带系数的最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)，从提取的最低有效位中，获得嵌入的水印信息；然后逆变换图像到空域，在采取与整数小波域信息嵌入部分预处理的逆操作后，利用直方图峰值点进行与嵌入时相反的操作提取剩余的水印信息，同时原始图像得到恢复。

本发明基于有限对比度增强，并结合整数小波变换，首先通过在空域可逆嵌入水印信息，并控制对比度增强指标来改善图像视觉质量，然后利用在整数小波变换域的细节子带进行的水印嵌入，几乎不会改变图像对比度的特点，在变换域嵌入更多的水印，能更好地改善嵌入水印后图像的视觉质量，同时能嵌入更多的水印信息，有效提高了嵌入水印的容量和图像质量。

附图说明

图1是本发明的方框图。

图2是含一对峰值点的直方图。

图3是原始Boat影像图。

图4是嵌入221586比特水印信息后的Boat影像图。

图5是图3与图4的差分影像图。

图6是由图4恢复的影像图。

图7是原始Lena影像图。

图8是嵌入214918比特水印信息后的Lena影像图。

图9是原始Barbara影像图。

图10是嵌入161933比特水印信息后的Barbara影像图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步说明，参见图1～10，一种双重域嵌入可逆水印方法，具体实施主要包括数据嵌入过程以及数据提取和图像恢复过程：

所述数据嵌入：数据嵌入包括两个阶段：第一阶段是空域信息嵌入，第二阶段是整数小波域信息嵌入；首先在空域对图像进行预处理，以避免图像像素值溢出，即对边界像素进行适当扩大和缩小操作；然后计算图像直方图的一对峰值点K_D和K_U，且K_D<K_U，并将小于K_D的像素值减1，大于K_U的像素值加1，同时将等于K_D的像素值与待嵌入水印信息相减，将等于K_U的像素值与待嵌入水印信息相加来嵌入水印信息；上述修改操作在嵌入水印的同时，也实现了直方图均衡，因而能增强图像对比度；再计算图像RCE，如果计算出的RCE大于事先定义的阈值，则重新计算图像直方图的峰值对，并按上述方法平移直方图以嵌入水印；如此反复直到获得接近阈值的RCE；此时图像已嵌入了一定量的水印，并且水印后图像质量得到了改善；

接下来将图像变换到Haar整数小波域，然后在小波细节子带系数中嵌入水印信息；设水印嵌入时引起的对细节子带系数的最大绝对改变量为Δ，由Haar整数小波变换的定义，可推导出单图像像素值的最大绝对改变不超过，这里表示取x的上整数；为防止水印嵌入后的小波系数重构可能引起图像像素值的溢出，图像像素值的范围须先预处理为即大小为0到的像素值增加到255的像素值减小；然后通过压缩扩展函数对细节子带系数修改以嵌入的水印信息；最后进行逆变换获得最终水印后图像；

计算最终水印后图像的RCE后，可知其与空域水印嵌入后图像的RCE差别非常小，表明在变换域细节子带的水印嵌入几乎不改变图像的对比度，所以按照本发明提出的方法在变换域嵌入信息可增强嵌入的信息容量，同时不会降低图像视觉质量。

所述数据提取和图像恢复：数据提取和图像恢复包括两个阶段：第一阶段是从整数小波变换域提取嵌入的部分信息，第二阶段是在空域利用直方图峰值点提取剩余的嵌入信息并恢复至原始图像；首先应用Haar整数小波将图像变换到小波域，然后提取细节子带系数的最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)，从提取的最低有效位中，获得嵌入的边信息和部分水印信息；然后逆变换图像到空域，在采取与整数小波域信息嵌入部分预处理的逆操作后，利用直方图峰值点进行与嵌入时相反的操作提取剩余的水印信息，同时原始图像得到恢复。

所述数据嵌入过程，包括以下内容：

A1.设原始载体图像H101为8比特灰度级图像，用于数据嵌入的直方图峰值点对的数量记为L(L<64)。首先将位于[0,L-1]和[256-L,255]的像素值(不含图像第一列的16个像素)进行预处理102，即位于[0,L-1]的像素值加上L，位于[256-L,255]的像素值减去L。然后使用定位图去记录这些被修改像素的位置信息，并利用算数编码方法对生成的定位图进行压缩处理。

A2.接下来基于有限对比度增强进行数据嵌入103。首先计算图像直方图的一对峰值点K_D，K_U，K_D<K_U，按照公式(1)实现数据的嵌入。

$k^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}k-1,& fork<K_D\\ K_D-w_i,& fork=K_D\\ k,& for{K}_D<k<K_U\\ K_U+w_i,& fork=K_U\\ k+1,& fork>K_U\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：w_i是第i个需嵌入的比特，k，k′分别是图像像素值和嵌入信息后的像素值。用h(k)表示图像中像素值为k的像素数，则利用公式(1)可以嵌入h(K_D)+h(K_U)位比特。同时从公式(1)可以看出在嵌入数据的同时，也实现了直方图均衡，因而能增强图像对比度。

A3.为了进一步增加嵌入容量和对比度，类似A2进一步使用L-1对直方图峰值点嵌入水印信息。然后使用最后1对即第L对直方图峰值点嵌入水印信息及L的值、定位图长度、定位图、第一列的16个像素的最低有效位和前L-1对峰值。最后，使用第L对直方图峰值替代第一列的16个像素的最低有效位。

A4.计算图像对比度增强指标RCE(relativecontrasterror)，RCE的计算方法如公式(2)所示。式中Std_o、Std_e分别表示原始图像、增强图像的标准差，对8比特灰度级图像来说，R＝256。为了避免对比度过度增强导致图像视觉扭曲，我们使用对比度阈值T_rce来控制对比度增强的程度。如果RCE>T_rce，则L增加1，否则L减少1。然后利用新的L，重复执行A1～A4，直到水印后图像的RCE小于并接近T_rce为止。

$RCE=\frac{{\mathrm{Std}}_e-{\mathrm{Std}}_o}{R-1}+0.5---\left(2\right)$

A5.接下来进行整数小波变换域预处理104。对图像进行Haar整数小波变换操作，由于在小波细节子带系数中嵌入数据对图像对比度几乎没有影响，所以在小波细节子带系数中嵌入水印信息。设水印嵌入时引起的对细节子带系数的最大绝对改变量为Δ，由Haar整数小波变换的定义可推导出单图像像素值的最大绝对改变不超过，这里表示取x的上整数。为防止水印嵌入后的小波系数重构可能引起图像像素值的溢出，图像像素值的范围须先预处理为，即大小为0到的像素值增加，大小为到255的像素值减小。使用定位图标记被修改图像像素的位置，然后利用算术编码技术对定位图进行压缩处理以减少比特数量。

A6.在整数小波域完成更多数据嵌入105。对于一个比特b，我们通过对小波细节系数x进行扩展来嵌入，即x_b＝2x+b。为了避免系数的过大变化，在扩展之前先利用压缩函数对较大系数值进行压缩。压缩函数f_c显示如下：

式中：x,x_c分别是细节子带的原始系数和压缩系数，T为嵌入阈值且T是正整数。ρ(x)是符号函数，若x≥T，ρ(x)＝1，否则，ρ(x)＝-1。然后对压缩系数x_c进行扩展来嵌入比特b，即x_cb＝2x_c+b。与f_c对应的扩展函数f_e显示如下：

$x^{\&prime;}=f_e\left(x_c\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_c,& \left|x\right|<T\\ \mathrm{\&rho;}\left(x_c\right)\&CenterDot;\left(2\right|x_c|-T),& \left|x\right|\&GreaterEqual;T\end{array}\right.---\left(4\right)$

对于满足|x|≥T的系数x，在x与x′间的压缩扩展误差为e＝x-f_e(f_c(x))，且e∈{0,1}。在小波域嵌入的比特流为定位图长度、压缩扩展误差e、嵌入阈值T、压缩的定位图及剩余水印信息；此外，易知步骤A5中细节子带系数的最大绝对改变量Δ＝T+1。最后，采用逆Harr整数小波变换获得最终水印后图像H'106。

所述数据提取和图像恢复过程包括以下内容：

B1.从整数小波细节子带提取嵌入信息107。首先在水印后图像H'106上应用Haar整数小波变换，然后提取细节子带系数x_cb的最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)，即b＝LSB(x_cb)，x_c＝(x_cb-b)/2。提取的最低有效位为嵌入的小波域定位图长度、压缩扩展误差e、嵌入阈值T、压缩的定位图和水印信息。利用T，x_c及公式(4)执行扩展操作以获得x′，再通过e和x′计算原始系数x，即x＝x′+e。

B2.接下来对图像进行逆整数小波变换后进行直方图恢复操作108。具体方法是首先解压缩在B1中提取的定位图，通过解压缩后的定位图，可以标记预处理阶段被改变的像素。如果标识的像素值小于128，则该像素值减去，否则加上。

B3.在空域提取嵌入的数据109。具体为：首先提取图像的第1列的前16像素的最低有效位，即空域嵌入时使用的最后一对峰值点。使用该对峰值点，采用公式(5)提取嵌入信息。式中K_D，K_U为峰值点，k′为待提取图像的像素值，w_i′表示提取的第i个比特。提取的信息为水印信息及L的值、定位图长度、定位图、原始图像第一列的前16个像素的最低有效位、前L-1对峰值。

$w_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}1,& if{k}^{\&prime;}=K_D-1\\ 0,& if{k}^{\&prime;}=K_D\\ 0,& if{k}^{\&prime;}=K_U\\ 1,& if{k}^{\&prime;}=K_U+1\end{array}\right.---\left(5\right)$

B4.实现图像恢复；利用K_D和K_U，按照公式(6)执行图像直方图的恢复；

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}^{\&prime;}+1,& for{k}^{\&prime;}<K_D-1\\ K_D,& for{k}^{\&prime;}=K_D-1or{k}^{\&prime;}=K_D\\ K_U,& for{k}^{\&prime;}=K_{U}or{k}^{\&prime;}=K_U+1\\ k^{\&prime;}-1,& for{k}^{\&prime;}>K_U+1\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：k′为恢复前的直方图，k为恢复后的直方图；然后，利用提取的前L-1对峰值，重复数据提取及图像恢复操作。接着使用提取的定位图去恢复预处理阶段修改的像素值，即如果定位图标识的像素值小于128，则该像素值减去L，否则加上L；最后用提取的第一列的前16个像素的最低有效位代替图像的对应像素位，实现图像的完全恢复。

本发明提出方案的框图(见图1)，包括数据嵌入、水印提取和图像恢复两个过程。在数据嵌入过程中，首先在空域对原始载体图像H101作预处理102操作，然后进行基于有限对比度增强数据嵌入103。接下来进行整数小波变换域预处理104后，完成更多整数小波域数据嵌入105。采用逆整数小波变换获得最终水印后图像H'106。在水印数据提取和图像恢复过程中，首先从整数小波细节子带提取数据107，然后对图像进行逆整数小波变换后直方图恢复108操作。接下来从空域提取数据109，并执行图像直方图恢复110。

含一对峰值点的直方图(见图2)，图中h(k)表示图像中像素值为k的像素数，K_D，K_U为图像直方图的一对峰值点，且K_D<K_U。

原始Boat影像图(见图3)，应用本发明方案嵌入221586比特水印信息后的Boat影像图(见图4)，图3与图4的差分影像图(见图5)，从图4提取水印后恢复的影像图，与图3完全一致(见图6)。

原始Lena影像图(见图7)，应用本发明方案嵌入214918比特水印信息后的Lena影像图，比图7有更好的视觉效果(见图8)。

原始Barbara影像图(见图9)，应用本发明方案嵌入161933比特水印信息后的Barbara影像图，比图9有更好的视觉效果(见图10)。

本发明基于有限对比度增强，并结合整数小波变换提出一种用于数字版权认证的双重域嵌入可逆水印方案，该方案可以增强载体图像视觉质量和提高水印嵌入容量，并在提取水印后能够恢复原始载体图像。本发明首先在空域利用公式(1)完成数据嵌入和直方图均衡的同步实现，并利用对比度阈值对图像对比度进行有限增强，然后在整数小波变换域利用细节子带修改对图像对比度几乎没有影响的特点，在细节子带嵌入更多的水印。本发明具有很好的图像增强和数据嵌入能力，综合性能优于其它同类算法。

Claims (1)

1.一种双重域嵌入可逆水印方法，其特征在于，包括数据嵌入过程以及数据提取和图像恢复过程：

所述数据嵌入包括两个阶段：第一阶段是空域信息嵌入，第二阶段是整数小波域信息嵌入；首先在空域对图像进行预处理，对边界像素进行适当扩大和缩小操作；然后计算图像直方图的一对峰值点K_D和K_U，且当K_D<K_U时，将小于K_D的像素值减1，大于K_U的像素值加1，同时将等于K_D的像素值与待嵌入水印信息相减，将等于K_U的像素值与待嵌入水印信息相加来嵌入水印信息；再计算图像RCE，如果计算出的RCE大于事先定义的阈值T_rce，则重新计算图像直方图的峰值对，并平移直方图以嵌入水印；如此反复，直到获得接近阈值的RCE；接下来，将图像变换到Haar整数小波域，然后在小波细节子带系数中嵌入水印信息；设水印嵌入时引起的对细节子带系数的最大绝对改变量为Δ，由Haar整数小波变换的定义，可推导出单图像像素值的最大绝对改变不超过这里表示取x的上整数；为防止水印嵌入后的小波系数重构可能引起图像像素值的溢出，图像像素值的范围须先预处理为即大小为0到的像素值增加到255的像素值减小然后通过压缩扩展函数对细节子带系数修改以嵌入剩余水印信息；最后进行逆变换获得最终水印后图像；

所述数据提取和图像恢复包括两个阶段：第一阶段是从整数小波变换域提取嵌入的部分信息，第二阶段是在空域利用直方图峰值点提取剩余的嵌入信息并恢复至原始图像；首先应用Haar整数小波将图像变换到小波域，然后提取细节子带系数的最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)，从提取的最低有效位中，获得嵌入的水印信息；然后逆变换图像到空域，在采取与整数小波域信息嵌入部分预处理的逆操作后，利用直方图峰值点进行与嵌入时相反的操作提取剩余的水印信息，同时原始图像得到恢复。