CN105931174A - 彩色qr码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种彩色QR码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法，结合彩色QR码、Contourlet变换技术、DCT变换技术、SVD变换技术，采用彩色QR码作为原始水印信息。首先将彩色宿主图像和彩色QR码水印在RGB空间进行三通道分解，对分解后的三通道的水印分别进行混沌加密，然后对彩色宿主图像的每个通道图像进行Contourlet变换，取其低频进行DCT变换，取其直流分量构造新矩阵进行SVD变换得到奇异值矩阵，最后按对应通道将水印分别嵌入，SVD逆变换，DCT逆变换，Contourlet逆变换后得到含水印的彩色图像。与现有的彩色水印嵌入彩色图像的算法相比，本发明的方法具有较好的不可感知性和较强的鲁棒性。

Description

彩色QR码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法
技术领域
本发明涉及一种彩色数字图像版权保护的数字水印技术，特别涉及一种彩色QR码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法。
背景技术
近些年，随着互联网技术的迅猛发展，数字产品版权的保护变得越来越重要。彩色图像的版权保护是一个重点。数字水印技术为彩色图像的版权保护提供了一条新的途径。由于彩色图像在网络中经多次传输拷贝或破坏会导致图像受损，增加了水印提取的难度，这对水印的提取有了更高的要求。
现阶段针对彩色图像的数字水印算法已经有很多，但是嵌入的原始水印信息基本上二值水印图像或灰度图像；一些算法具有一定的安全性，但是提取出的水印会有噪声或部分缺失，基本上只能进行主观评价或结构相似度评价。大多数彩色图像水印算法不能够解决彩色水印的嵌入，在一部分彩色水印嵌入的数字水印算法中，在提取有意义的彩色水印后，因为图像的损坏，只能进行主观评价来衡量水印是否存在或水印代表的意义，缺少必要的说服性。
彩色QR码不仅能够对版权信息进行编码，作为水印嵌入宿主图像能够提高算法的鲁棒性和安全性，并且在提取水印后能够通过解码工具解码，实现客观评价和自动识别。
发明内容
本发明的目的是提出一种彩色QR码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法，用于提高彩色水印嵌入彩色图像水印算法的鲁棒性，解决现有算法在客观评价上存在的问题；该方法能够在嵌入大容量水印的前提下，保证了水印嵌入后宿主图像的不可感知性，并且该算法能够准确提取出彩色QR码，使水印算法的鲁棒性增强，同时提供了客观评价标准。
为了实现上述目的，本发明采用了以下方案：
一种彩色QR码水印嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法，包括彩色QR码水印嵌入彩色原始图像的方法和从含水印彩色图像中提取水印的方法，其特征在于：
1)所述彩色QR码水印嵌入彩色图像的方法，包括以下步骤：
(8)将所要嵌入的信息用QR码转换器进行编码，得到标准QR二维码，同时将其转换为彩色QR码；
(9)彩色QR码在RGB颜色空间三通道分解，并分别Logistic混沌加密，得到Wr、Wg和Wb；
(10)彩色载体图像在RGB颜色空间三通道分离，分别为Ir、Ig和Ib；
(11)对Ir、Ig和Ib分别进行二级Contourlet变换，分别取其低频分量然后分块进行DCT变换，取DCT变换后的直流分量得到新的矩阵，对其进行SVD变换，分别得到S1、S2、S3；
(12)将加密后的水印信息Wr、Wg和Wb分别以乘以加权系数叠加到步骤(4)中最后的奇异值矩阵S1、S2、S3上，再进行SVD变换得到奇异值矩阵S4、S5、S6和一正交矩阵U；
(13)为防SVD算法的虚警率，变换正交矩阵U1的大小，得到Uw，将UW嵌入到某一通道Contourlet分解后的一高频信息中；
(14)对步骤(5)中得到奇异值矩阵S4、S5、S6进行SVD逆变换，DCT逆变换，二级contourlet逆变换，得到含水印信息的三幅灰度图，在RGB颜色空间进行合并，得到含水印图像；
2)所述从含水印彩色图像中提取水印的方法，包括以下步骤：
A：将含水印图像在RGB颜色空间三通道分解，并对每个通道的图像进行contourlet变换，得到低频分量；
B：提取对应高频分量Uw’与原有Uw相似性比较和判断，如果确定相似，继续提取水印，如果不相似，停止提取。
C：每个通道单通道分别进行水印提取，以R通道为例。对其Contourlet变换后的低频信息进行DCT变换，构造直流系数矩阵，对直流矩阵进行SVD变换得到奇异值矩阵，然后进行SVD逆变换得到单通道水印信息，混沌算法解密。
D：将三通道水印信息在RGB颜色空间上合并，得到彩色QR码水印。并通过扫码工具对提取出的彩色QR码进行解码。
上述步骤完成后，对含水印图像进行常规图像攻击和几何攻击测试。
本发明与现有的水印技术相比具有以下有益效果：
本发明通过结合彩色QR码、混沌之乱技术、频域变换技术和奇异值分解技术的优点，使得能将大容量彩色QR码水印嵌入彩色图像，并且嵌入后的不可感知性较好，普通图像处理攻击和几何攻击后，能提取清晰的QR码并且能够成功解码，获得字符串信息，能够更准确定位版权信息。
附图说明
图1是本发明的彩色QR码水印嵌入流程图；
图2是本发明的水印提取流程图；
图3是图1水印嵌入和图2水印提取的效果图；
其中：a为载体图像，b为原始水印，c为含水印图像(PSNR＝69.1)，d为提取水印(成功解码)；
图4是攻击测试部分效果图；
其中：(a)为JPEG压缩_30％，(b)为JPEG压缩_60％，(c)为JPEG压缩_90％，(d)为剪切1/4，(e为)高斯噪声_0.1，(f)为椒盐噪声_0.3，(g)为旋转45度，(h)为旋转60度，(i)为旋转120度，(j)为旋转11度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所涉及的一种彩色QR码嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法的优选实施例作详尽的阐述，但本发明不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下优选实施例中进行了具体的步骤说明。
本发明的实施是在Window 8(64位)系统下，选择彩色Lena图(大小为2048×2048)和彩色QR码水印(大小为64×64)，使用Matlab2010a仿真模拟软件进行仿真实验。
如图1，3所示，将彩色QR码水印嵌入彩色图像的方法，包括如下步骤：
步骤1：彩色载体图像在RGB颜色空间三通道分离，分别为Ir、Ig和Ib。彩色QR码在RGB颜色空间三通道分解，并分别混沌加密变换，得到Wr、Wg和Wb；
步骤2：对应通道嵌入水印，以R通道为例。对Ir进行contourlet变换，得到低频分量Irl和其中一高频分量Irh。对Irl进行8×8分块DCT变换，取每块变换后的直流分量构造Dr；
步骤3：Dr进行SVD分解，Dr＝U1S1V1 T，得到奇异值矩阵S1与正交矩阵U1和V1。将水印Wr叠加到S1矩阵上，并进行SVD分解，得S1+αWR＝U2S2V2 T。然后计算D*＝U1S2V1 T。D*替换直流分量，DCT逆变换得到R通道低频信息；(α为水印嵌入系数，通常取α＝0.1)
步骤4：为防SVD算法的虚警率。变换正交矩阵U1的大小，得到Uw，将UW嵌入到一高频信息Irh中，Irh*＝Irh+βUw。然后进行contourlet逆变换，得到嵌入水印后的R通道分量图像Ir*；(β＝0.1)
步骤5：G通道和B通道按步骤(2)、(3)和(4)嵌入水印和正交矩阵变换后矩阵Uw，分别得到Ig*和Ib*。三通道合成得到嵌入水印后的载体图像I*；
如图2，3所示，从含水印的彩色图像中提取彩色QR码水印，包括以下步骤：
步骤1：将含水印图像在RGB颜色空间三通道分解，并对每个通道的图像进行contourlet变换，得到低频分量；
步骤2：提取对应高频分量Uw’与原有Uw相似性比较和判断，如果确定相似，继续提取水印，如果不相似，停止提取；
步骤3：每个通道单通道分别进行水印提取，以R通道为例。对其低频信息Irl进行DCT变换，构造直流系数矩阵Dr**，对其SVD分解，Dr**＝U3S3V3 T。因水印视觉信息包含在嵌入水印时U2和V2矩阵，所以提取水印Wr*＝(U2S3V2 T-S1)/α；
步骤4：按照步骤(3)，取出含水印图像G通道和B通道的水印Wg*和Wb*；
步骤5：对提取出的水印分别作混沌加密逆变换，并三通道合并，得到水印图像Wt。
参照附图4，图4是水印攻击测试部分仿真效果图。
如图4所示，对含水印图像进行JPEG压缩攻击、剪切攻击、高斯噪声攻击、椒盐噪声攻击、任意旋转攻击进行了模拟仿真实验。下面参看表1，表1是水印攻击测试数据表格。
表1
如表1所示，PSNR为水印攻击图与原图的峰值信噪比，PSNR越小，说明失真越大。由表格可以看出，在不受攻击的情况下，含水印图像与原始宿主图像的PSNR可达到69.1，具有较好的不可感知性；在受到较强的攻击后，仍然能够提取出水印并且能够成功解码，说明算法具有较强的鲁棒性。

Claims (2)

1.一种彩色QR码水印嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法，包括彩色QR码水印嵌入彩色原始图像的方法和从含水印彩色图像中提取水印的方法，其特征在于：
1）所述彩色QR码水印嵌入彩色图像的方法，包括以下步骤：
（1）将所要嵌入的信息用QR码转换器进行编码，得到标准QR二维码，同时将其转换为彩色QR码；
（2）彩色QR码在RGB颜色空间三通道分解，并分别Logistic混沌加密，得到Wr、Wg和Wb；
（3）彩色载体图像在RGB颜色空间三通道分离，分别为Ir、Ig和Ib；
（4）对Ir、Ig和Ib分别进行二级Contourlet变换，分别取其低频分量然后分块进行DCT变换，取DCT变换后的直流分量得到新的矩阵，对其进行SVD变换，分别得到S1、S2、S3；
（5）将加密后的水印信息Wr、Wg和Wb分别以乘以加权系数叠加到步骤（4）中最后的奇异值矩阵S1、S2、S3上，再进行SVD变换得到奇异值矩阵S4、S5、S6和一正交矩阵U；
（6）为防SVD算法的虚警率，变换正交矩阵U1的大小，得到Uw，将UW嵌入到某一通道Contourlet分解后的一高频信息中；
（7）对步骤（5）中得到奇异值矩阵S4、S5、S6进行SVD逆变换，DCT逆变换，二级contourlet逆变换，得到含水印信息的三幅灰度图，在RGB颜色空间进行合并，得到含水印图像；
2）所述从含水印彩色图像中提取水印的方法，包括以下步骤：
A：将含水印图像在RGB颜色空间三通道分解，并对每个通道的图像进行contourlet变换，得到低频分量；
B：提取对应高频分量Uw’与原有Uw相似性比较和判断，如果确定相似，继续提取水印，如果不相似，停止提取；
C：每个通道单通道分别进行水印提取，以R通道为例；对其Contourlet变换后的低频信息进行DCT变换，构造直流系数矩阵，对直流矩阵进行SVD变换得到奇异值矩阵，然后进行SVD逆变换得到单通道水印信息，混沌算法解密；
D：将三通道水印信息在RGB颜色空间上合并，得到彩色QR码水印；并通过扫码工具对提取出的彩色QR码进行解码。
2.根据权利要求2所述的彩色QR码水印嵌入彩色图像的强鲁棒性数字水印方法，其特征在于：上述步骤完成后，对含水印图像进行常规图像攻击和几何攻击测试。
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