CN107862648B - 基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法 - Google Patents

基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明所提供的基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，在充分考虑了人眼视觉特性的前提下，对载体图像进行分解而得到感知图像和差值图像，在差值图像上进行水印的嵌入与提取，提高了水印嵌入后的透明性、鲁棒性、安全性等。同时，在整个水印嵌入与提取过程中，保持色相的恒定性，避免了彩色数字水印嵌入到载体图像而发生色相偏移的问题，最大程度地保护了知识产权拥有者的合法权益；本发明保持H通道恒定，在差值图像内嵌入与提取水印，而不同于传统方法在RGB、CIE Lab、YUV等颜色空间内三个通道都需要进行水印嵌入与提取，所以本发明还具有计算量小。节省计算时间，方便用户使用等优势。

Description

基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法
技术领域
本发明涉及一种数字水印嵌入与提取方法，特别涉及一种基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，属于信息安全与数字图像信号处理交叉的研究领域。
背景技术
随着科技的发展和数字信息全媒体时代的到来，数字图像信息因其具有易存储性、易复制性、易传输性等优势得到了人们的广泛应用。但是随之而来的版权保护、认证、注释、信息安全、使用控制等问题也显得尤为突出，例如数字作品的非法复制、侵权使用、伪造、传播牟利。能否有效解决上述问题，直接决定着数字产品的未来发展。
数字水印（Watermark）技术是一种新兴的数字信息隐藏技术，它在保证隐藏的版权信息（即为“水印”）不被察觉的前提下，利用数字图像信息的高冗余性将版权信息（如公司Logo、序列号、使用权信息、特殊意义的图像等）嵌入在所要保护的数字图像信息中，且可通过特定的提取方法来提取出原来嵌入的版权信息，从而证明版权的归属和保护了版权，有效地保护版权人的合法权益，已成为数字图像信息安全的研究热点。
目前，数字水印技术主要是基于一维ID序列或二维二值数字水印在灰度图像上嵌入与提取方法的研究，这种数字水印与彩色水印相比存在知识产权信息量少、保密性差等问题；加上在实际应用中，彩色图像却占居主导地位。因此，研究基于彩色数字水印在彩色图像上嵌入与提取方法更具有现实意义，已成为人们研究热点问题。彩色数字水印在彩色图像嵌入与提取性能的好坏关键因素是嵌入策略、嵌入强度及嵌入后的透明性、鲁棒性、安全性等。目前已有的研究主要集中在嵌入策略和嵌入算法，而忽略了人眼视觉特性的影响，导致水印嵌入后的透明性、鲁棒性、安全性等性能欠佳。因为含水印信息图像最终是人眼观察，人眼视觉具有低通滤波特性，评估这些关键因素性能还要取决于人眼视觉特性。
发明内容
针对上述问题，本发明基于人眼视觉特性提出了彩色数字水印在彩色图像上嵌入与提取的方法，结合人眼对比度敏感视觉特性对载体图像进行分解，利用Arnold置乱加密、色空间转换和小波变换对彩色载体图像嵌入彩色水印信息。此水印嵌入与提取方法选择在CIE LCH色空间中进行，避免了彩色数字水印嵌入到载体图像而发生色相偏移的问题；同时，数字水印嵌入到通过人眼对比度敏感视觉特性对载体图像分解得到的差值图像中，保证了水印的不可见性、鲁棒性和安全性，最大程度地保护了知识产权拥有者的合法权益。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明的技术方案为：一种基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
水印嵌入过程
步骤S1，对彩色数字水印（RGB）进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到水印图像（LCH）；接着对水印图像（LCH）进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道。
步骤S2，对水印图像（LCH）分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行Arnold变换将其置乱，利用Haar小波变换对置乱后的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数。
步骤S3，对载体图像（RGB）进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）；进一步利用人眼对比度敏感函数（LCH-CSF）对载体图像（LCH）进行滤波得到感知图像；通过载体图像（LCH）与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像。具体操作步骤如下：
步骤S3-1，载体图像色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）；
步骤S3-2，对载体图像（LCH）进行视觉分块处理；在观察图像视场角范围内，视距为w，视角为θ，图像分辨率为RI，则所观察的图像区域宽（高）度为d=2w×tan(θ/2)英寸，其对应的像素行/列为l=d×RI，根据l的大小对图像进行分块处理；
步骤S3-3，采用CIE LCH颜色空间下的人眼对比度敏感函数（CSF）作为空间滤波函数，对分块的载体图像（LCH）进行空间滤波，得到感知图像；
步骤S3-4，对载体图像（LCH）和感知图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；通过载体图像（LCH）与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像，从而载体图像（LCH）分解成感知图像和差值图像。
步骤S4，对差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；利用Haar小波变换对差值图像通道分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数。
步骤S5，选择合适的嵌入强度t，利用数字水印的中高分量与低频小波系数分别修改载体图像中相对应地高分量与低频小波系数，从而达到嵌入水印的目的。
步骤S6.对嵌入水印信息的差值图像进行小波重构，得到含水印差值图像；然后含水印差值图像的L通道、C通道和H通道与感知图像相应地通道相加，得到含水印图像（LCH），利用色空间转换，最终得到含水印图像（RGB）。
水印提取过程
步骤T1，对载体图像和含水印图像进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）和含水印图像（LCH）；对载体图像（LCH）进行分解得到感知图像和差值图像，含水印图像（LCH）的L通道、C通道和H通道分别与感知图像相对应地通道相减而得到含水印差值图像；
步骤T2，含水印差值图像和差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；
步骤T3，含水印差值图像和差值图像对应地L通道、C通道和H通道分别进行Haar小波一级分解，得到相对应地高分量与低频小波系数，提取嵌入的水印小波系数；对提取出的水印进行小波重构，得到置乱的水印图像；
步骤T4，置乱的水印图像运用Arnold 反变换而得到提取的水印图像（LCH），提取的水印图像（LCH）利用色空间转换从而得到水印图像（RGB）。
发明的作用与效果
根据本发明所提供的基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，在充分考虑了人眼视觉特性的前提下，对载体图像进行分解而得到感知图像和差值图像，在差值图像上进行水印的嵌入与提取，提高了水印嵌入后的透明性、鲁棒性、安全性等。同时，在整个水印嵌入与提取过程中，保持色相的恒定性，避免了彩色数字水印嵌入到载体图像而发生色相偏移的问题，最大程度地保护了知识产权拥有者的合法权益；本发明保持H通道恒定，差值图像内嵌入与提取水印，而不同于传统方法在RGB、CIE Lab、YUV等颜色空间内三个通道都需要进行水印嵌入与提取，所以本发明还具有计算量小。节省计算时间，方便用户使用等优势。
附图说明
图1为本发明嵌入水印流程图；
图2是本发明载体图像分解成感知图像和差值图像流程图；
图3 是本发明提取水印流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图对本发明提供的基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法作详细阐述，
<实施例>
图1是本发明的实施例中嵌入水印的流程图。
如图1所示，本发明所提供的嵌入水印方法过程包括以下步骤：
步骤S1，对彩色数字水印（RGB）进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到水印图像（LCH）；接着对水印图像（LCH）进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道。
步骤S2，对水印图像（LCH）分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行Arnold变换将其置乱，利用Haar小波变换对置乱后的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数。
图2是本发明所提供的载体图像分解成感知图像和差值图像流程图；
步骤S3，对载体图像（RGB）进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）；进一步利用人眼对比度敏感函数（LCH-CSF）对载体图像（LCH）进行滤波得到感知图像；通过载体图像（LCH）与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像。具体操作步骤如下：
如图2所示，本发明所提供的载体图像分解成感知图像和差值图像流程包括以下步骤：
步骤S3-1，载体图像色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）；
步骤S3-2，对载体图像（LCH）进行视觉分块处理；在观察图像视场角范围内，视距为w，视角为θ，图像分辨率为RI，则所观察的图像区域宽（高）度为d=2w×tan(θ/2)英寸，其对应的像素行/列为l=d×RI，根据l的大小对图像进行分块处理；
步骤S3-3，采用CIE LCH颜色空间下的人眼对比度敏感函数（CSF）作为空间滤波函数，对分块的载体图像（LCH）进行空间滤波，得到感知图像；具体操作步骤如下：
步骤S3-3-1，人眼对比度敏感函数确定，采用《基于均匀颜色空间的彩色视觉对比敏感度函数及其应用研究》（金杨，南京林业大学，博士学位论文）所提出的数学模型，其函数表达式如下：
Figure 589420DEST_PATH_IMAGE001
式中的CS和f分别为对比敏感度和空间频率
Figure 795274DEST_PATH_IMAGE002
；
经视觉观察试验，获得1种明度通道的人眼对比度敏感函数（LCSF），6种不同色调角下的彩色通道人眼对比度敏感函数（CCSF），12种不同色调角下的色调角通道人眼对比度敏感函数（HCSF）。
步骤S3-3-2，确定视觉、视角等观察条件后，对于分块的载体图像（LCH）的L通道应用统一的LCSF空间滤波，得到感知图像的L通道；对于分块的载体图像（LCH）的C通道，可以选择如下方式进行计算：
① 计算分块图像的色相角均值，采用与均值最接近的色调角对应地CCSF空间滤波对载体图像（LCH）的C通道进行空间滤波，得到感知图像的C通道；
② 计算分块图像的色相角均值，找到与该色相角最接近的两个CCSF，采取线性内插法求解得到该色相角对应地拟合CCSF曲线，然后对载体图像（LCH）的C通道进行空间滤波，得到感知图像的C通道。
H通道空间滤波也可以采用上述方式进行计算，得到感知图像的H通道。
步骤S3-4，对载体图像（LCH）和感知图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；通过载体图像（LCH）与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像，从而载体图像（LCH）分解成感知图像和差值图像。
步骤S4，对差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；利用Haar小波变换对差值图像通道分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数。
步骤S5，选择合适的嵌入强度t，利用数字水印的中高分量与低频小波系数分别修改载体图像中相对应地高分量与低频小波系数，从而达到嵌入水印的目的。
C*(i,j)= C(i,j)+t×W*(i,j)
其中C*(i,j)是嵌入水印信息差值图像的小波系数，C(i,j)是差值图像的小波系数，t是嵌入强度，W*(i,j)是置乱后的水印图像小波系数。
步骤S6.对嵌入水印信息的差值图像进行小波重构，得到含水印差值图像；然后含水印差值图像的L通道、C通道和H通道与感知图像相应地通道相加，得到含水印图像（LCH），利用色空间转换，最终得到含水印图像（RGB）。
图3是本发明的实施例中提取水印的流程图。
如图3所示，本发明所提供的提取水印方法过程包括以下步骤：
步骤T1，对载体图像和含水印图像进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到载体图像（LCH）和含水印图像（LCH）；对载体图像（LCH）进行分解得到感知图像和差值图像，含水印图像（LCH）的L通道、C通道和H通道分别与感知图像相对应地通道相减而得到含水印差值图像；
步骤T2，含水印差值图像和差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；
步骤T3，含水印差值图像和差值图像对应地L通道、C通道和H通道分别进行Haar小波一级分解，得到相对应地高分量与低频小波系数，提取嵌入的水印小波系数；对提取出的水印进行小波重构，得到置乱的水印图像；
步骤T4，置乱的水印图像运用Arnold 反变换而得到提取的水印图像（LCH），提取的水印图像（LCH）利用色空间转换从而得到水印图像（RGB）。
实施例的作用与效果
根据实施例所涉及的基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，结合人眼对比度敏感视觉特性对载体图像进行分解，利用Arnold置乱加密、色空间转换和小波变换对彩色载体图像嵌入彩色水印信息。在充分考虑了人眼视觉特性的前提下，对载体图像进行分解而得到感知图像和差值图像，在差值图像上进行水印的嵌入与提取，提高了水印嵌入后的透明性、鲁棒性、安全性等。同时，在整个水印嵌入与提取过程中，保持色相的恒定性，避免了彩色数字水印嵌入到载体图像而发生色相偏移的问题，最大程度地保护了知识产权拥有者的合法权益；本发明保持H通道恒定，在差值图像内嵌入与提取水印，而不同于传统方法在RGB、CIE Lab、YUV等颜色空间内三个通道都需要进行水印嵌入与提取，所以本发明还具有计算量小。节省计算时间，方便用户使用等优势。能够广泛的应用于较大数字图像作品的版权保护。
以上实施例仅为本发明的优选方案，并不用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
彩色水印嵌入到色彩载体图像：
步骤S1，对彩色RGB数字水印进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIELCH颜色空间，得到LCH水印图像；接着对LCH水印图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；
步骤S2，对LCH水印图像分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行Arnold变换将其置乱，利用Haar小波变换对置乱后的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数；
步骤S3，对RGB载体图像进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到LCH载体图像；进一步利用人眼对比度敏感函数LCH-CSF对LCH载体图像进行滤波得到感知图像；通过LCH载体图像与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像；
步骤S4，对差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；利用Haar小波变换对差值图像通道分离得到的L通道、C通道和H通道分别进行一级小波分解，得到相对应地中高分量小波系数和低频分量小波系数；
步骤S5，选择合适的嵌入强度t，利用数字水印的中高分量与低频小波系数分别修改载体图像中相对应地高分量与低频小波系数，从而达到嵌入水印的目的；
步骤S6，对嵌入水印信息的差值图像进行小波重构，得到含水印差值图像；然后含水印差值图像的L通道、C通道和H通道与感知图像相应地通道相加，得到含水印LCH图像，利用色空间转换，最终得到含水印RGB图像；
从含水印图像中实现水印提取:
步骤T1，对载体图像和含水印图像进行色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到LCH载体图像和含水印LCH图像；对LCH载体图像进行分解得到感知图像和差值图像，含水印LCH图像的L通道、C通道和H通道分别与感知图像相对应地通道相减而得到含水印差值图像；
步骤T2，含水印差值图像和差值图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；
步骤T3，含水印差值图像和差值图像对应地L通道、C通道和H通道分别进行Haar小波一级分解，得到相对应地高分量与低频小波系数，提取嵌入的水印小波系数；对提取出的水印进行小波重构，得到置乱的水印图像；
步骤T4，置乱的水印图像运用Arnold反变换而得到提取的LCH水印图像，提取的LCH水印图像利用色空间转换从而得到RGB水印图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于人眼视觉特性的彩色水印嵌入与提取方法，其特征在于：
其中，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S3-1，载体图像色空间转换，从RGB颜色空间转换到与设备无关的CIE LCH颜色空间，得到LCH载体图像；
步骤S3-2，对LCH载体图像进行视觉分块处理；在观察图像视场角范围内，视距为w，视角为θ，图像分辨率为RI，则所观察的图像区域宽度或者高度为d＝2w×tan(θ/2)英寸，其对应的像素行/列为l＝d×RI，根据l的大小对图像进行分块处理；
步骤S3-3，采用CIE LCH颜色空间下的人眼对比度敏感函数LCH-CSF作为空间滤波函数，对分块的LCH载体图像进行空间滤波，得到感知图像；具体操作步骤如下：
步骤S3-3-1，人眼对比度敏感函数确定，其函数表达式如下：
CS＝k1×[exp(a·f)-exp(b·f)]+k2[1-exp(c·f)]
式中的CS和f分别为对比敏感度和f≠0的空间频率；
步骤S3-3-2，确定视觉、视角观察条件后，对于分块的LCH载体图像的L通道应用统一的LCSF空间滤波，得到感知图像的L通道；对于分块的LCH载体图像的C通道，可以选择如下方式进行计算：
①计算分块图像的色相角均值，采用与均值最接近的色调角对应地CCSF空间滤波对LCH载体图像的C通道进行空间滤波，得到感知图像的C通道；
②计算分块图像的色相角均值，找到与该色相角最接近的两个CCSF，采取线性内插法求解得到该色相角对应地拟合CCSF曲线，然后对LCH载体图像的C通道进行空间滤波，得到感知图像的C通道；
H通道空间滤波也可以采用上述方式进行计算，得到感知图像的H通道；
步骤S3-4，对LCH载体图像和感知图像进行明度、彩度及色调角三通道分离，得到明度L通道、彩度C通道及色调角H通道；通过LCH载体图像与感知图像在L通道、C通道和H通道上的差值，得到差值图像，从而LCH载体图像分解成感知图像和差值图像。
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