CN108171643B - 一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用 - Google Patents

一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于数字水印技术领域，公开了一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用。将原图像分块；对分成的块根据像素值接近0或者255的特性分成四组，标记并在之后嵌入；每个块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值；对所有块得到的α值生成一张直方图；根据α值范围以及嵌入的数据移动像素值。本发明通过对直方图中所有移位的块进行数据嵌入，实现了在遭遇非恶意攻击的情况下，鲁棒性更强、抗压缩能力提高等目的；在嵌入容量相同的情况下，采用不同的压缩质量因子，本发明的误码率(BER)更低；避免了不嵌入水印移位块可能产生的错位问题，使得在进行直方图移位的过程中获得了更高的嵌入容量，提取水印的误码率更低。

Description

一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用
技术领域
本发明属于数字水印技术领域，尤其涉及一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用。
背景技术
在最近几年，在执法机关、军事、医疗等一些应用中，要求图像在嵌入隐藏信息后，不仅要在没有受到攻击的情况下完整的提取水印并且恢复原始图像，而且要求图像在受到非恶意攻击的情况下也能够正确的提取隐藏信息并且恢复原始图像。现有的技术已经实现了可逆性的要求，对于隐藏信息的正确提取得不到保证。在遭遇一些非恶意攻击以后，图像不能够根据原有算法正确提取隐藏信息。比如JPEG压缩就是一种很常见的非恶意攻击方式，实际应用中由于传输保存等方面的原因，经常会传送JPEG压缩后的图像。目前的基于直方图移位的可逆信息隐藏技术在经过JPEG压缩以后，因为像素值的改变，会导致α值发生改变，在提取过程中会将没有嵌入水印的移位块误判为嵌入水印的块，以至于后续提取的水印都会产生错位问题。改进嵌入算法，让所有的块嵌入水印信息，这样会解决因为JPEG压缩带来的水印错位问题，降低误码率，提高嵌入容量，有更强的鲁棒性。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的基于直方图移位的可逆数字水印嵌入技术在抵抗非恶意攻击时，由于移位块错位问题导致提取的隐藏信息有很大的失真。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法及应用。
本发明是这样实现的，一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法，所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法包括以下步骤：
步骤一，原图像分块；
步骤二，对分成的块根据像素值接近0或者255的特性分成四组，标记并在之后嵌入；
步骤三，每个块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值；对所有块得到的α值生成一张直方图；
步骤四，根据α值范围以及嵌入的数据移动像素值。
进一步，所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法水印的嵌入方法包括：
步骤一，将原图像分为不重叠的块，可选取大小为16*16的块；
步骤二，每个块根据像素值临近0或者255的特性分为A、B、C、D四组， A类型为块内没有小于b1像素值和大于255-b1的像素值；B类型为块内没有大于255-b1的像素值；C类型为块内没有小于b1像素值；D类型为块内小于b1 像素值和大于255-b1的像素值均有；A和B用d＝1标记，C用d＝-1标记，D若块内小于b1像素值少于大于255-b1的像素值则标记为d＝-1，块内小于b1像素值多于大于255-b1的像素值则标记为d＝1，并在之后嵌入；D类需要将原像素值替换掉，原像素值作为水印嵌入；并用map记录替换掉的原像素的位置；将块类型，原像素值，替换像素位置放在水印尾部准备嵌入；
步骤三，块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值，对所有块得到的α生成一张直方图，掩膜M为：
Figure 1
步骤四，根据直方图范围大小以及要嵌入水印信息是0还是1来移动像素值嵌入水印；
步骤五，记录下嵌入水印信息1时的个数为S，记录α在(-T,T)之间嵌入水印为0的个数L，记录α在(-T,T)之外嵌入水印为0的个数为U。
进一步，所述步骤四具体包括：
(1)α不在(-T,T)的，嵌入水印为0的时，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点像素值加d*b1；若α为负值则朝负无穷方向移动， mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b1；
(2)α不在(-T,T)的，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b2；
(3)α在(-T,T)，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动， mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；若α为负值则朝负无穷方向移动， mod(i,2)～＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；
(4)α在(-T,T)，嵌入水印为0的时候，块的像素值不变。
本发明的另一目的在于提供一种不受攻击的所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法的水印提取及图像恢复方法，所述水印提取及图像恢复方法包括：
步骤一，根据嵌入的分块大小对原图像进行分块；
步骤二，根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值，根据α值来判断提取水印的值；
(1)α在(-T,T)内，块的像素值不变，并提取0；
(2)α在[T,2T+G)，则提取1，mod(i，2)＝mod(j，2)的像素值减去d*b2；α在(-2T-G，-T]，则提取1，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去d*b2恢复原像素
(3)α在[2T+G,+∞)提取0，mod(i，2)＝mod(j，2)的像素值减去d*b1；α在(-∞，-2T-G]提取0，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去d*b1来恢复原像素；
步骤三：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，来恢复溢出块的像素值。
本发明的另一目的在于提供一种遭受攻击的所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法的水印提取及图像恢复方法，所述水印提取及图像恢复方法包括：
步骤一，根据嵌入的分块大小对原图像进行分块；
步骤二，根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值；
步骤三，根据嵌入过程中记录的0与1的个数重新设置α判断阈值范围以提取水印；
(1)根据嵌入过程中记录(-T,T)范围内嵌入的0的个数L，重新设定阈值范围(-N0,N0),使其中α值在范围内的数量等于L；
(2)根据嵌入过程中记录的1值，重新设定阈值范围(-N1,N1)，使在(-N1,-N0] 和[N0,N1)中的α数量为S；
(3)根据嵌入过程中记录(-T,T)之外嵌入的0的个数U，重新设定阈值范围 (-N2,N2),使在(-N2,-N1]，[N1,N2)中的α数量为U；
步骤四：根据重新划定的阈值范围提取水印：
(1)α在(-N0,N0)则提取0，块的像素值不变；
(2)α在[N0,N1)提取1，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b2；α在 (-N1,-N0]之间则提取1，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b2；
(3)α在(-N2,-N1]提取0，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b1；若α在 [N1,N2)之间则提取0，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b1；
步骤五：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，恢复溢出块的像素值。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法在数字水印中的应用。
本发明通过对直方图中所有移位的块进行数据嵌入，实现了在遭遇非恶意攻击的情况下，鲁棒性更强、抗压缩能力提高等目的。通过对lena图和对airplane 图进行仿真，将本算法与zeng的算法进行比较，如图3(lena)和图4(airplane) 的仿真结果显示：在嵌入容量相同的情况下，采用不同的压缩质量因子，本发明的误码率(BER)更低。在zeng的方案中，移位的块没有嵌入水印，这样在JPEG 压缩以后，没有嵌入水印的块在提取过程中因为像素值的改变，块α值会发生变化，这样会导致提取过程中将没有嵌入水印的移位块误判为嵌入水印的块，以至于后续提取的水印都会产生错位问题。本方案使用了新的嵌入方法，对所有的块进行了移位嵌入，这就保证了在JPEG压缩以后，水印提取过程中并不会产生错位的问题，可以对每一个块按顺序提取水印，这样就可以很大程度的提高提取水印的正确率。而且所有的块进行水印嵌入，与zeng的算法相比，将移位块也用来嵌入了水印，这样就使得在进行直方图移位的过程中获得更高的嵌入容量，并且具有较高的鲁棒性，也可用于秘密信息的隐藏。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法流程图。
图2是本发明实施例的基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法流程图。
图3是本发明实施例提供的lena在嵌入容量相同，PSNR控制在38db左右， JPEG压缩因子与误码率之间的关系对比图。
图4是本发明实施例提供的airplane在嵌入容量相同，PSNR控制在38db 左右，JPEG压缩因子与误码率之间的关系对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过改进嵌入算法，对直方图中所有移位的块进行数据嵌入，实现了在遭遇非恶意攻击的情况下，鲁棒性更强抗压缩能力提高等目的。本发明可以应用于秘密信息的隐藏。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法包括以下步骤：
S101：将原图像分块，备选大小有8*8，16*16等；
S102：对分成的块根据像素值接近0或者255的特性分成四组，标记并在之后采用不同方法嵌入；
S103：将每个块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值；对所有块得到的α值生成一张直方图；
S104：根据α值范围以及要嵌入的数据来移动像素值。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法具体包括以下步骤：
一、水印的嵌入过程
步骤一：将原图像分为不重叠的块，可选取大小为16*16的块。
步骤二：每个块根据像素值临近0或者255的特性分为A、B、C、D四组， A类型为块内没有小于b1像素值和大于255-b1的像素值。B类型为块内没有大于255-b1的像素值。C类型为块内没有小于b1像素值。D类型为块内小于b1 像素值和大于255-b1的像素值均有。A和B用d＝1标记，C用d＝-1标记，D若块内小于b1像素值少于大于255-b1的像素值则标记为d＝-1，块内小于b1像素值多于大于255-b1的像素值则标记为d＝1，并在之后用不同方法嵌入。D类需要将原像素值替换掉，原像素值作为水印嵌入。并用map记录替换掉的原像素的位置。将块类型，原像素值，替换像素位置放在水印尾部准备嵌入。
步骤三：块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值，对所有块得到的α生成一张直方图。掩膜M为：
Figure 2
步骤四：根据直方图范围大小以及要嵌入水印信息是0还是1来移动像素值嵌入水印：
(1)α的范围不在(-T,T)之间的，嵌入水印为0的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点像素值加d*b1。若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b1。
(2)α的范围不在(-T,T)之间的，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2。若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b2。
(3)α的范围在(-T,T)之间的，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2。若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2。
(4)α的范围在(-T,T)之间的，嵌入水印为0的时候，块的像素值不变。
步骤五：记录下嵌入水印信息1时的个数为S。记录α在(-T,T)之间嵌入水印为0的个数L。记录α在(-T,T)之外嵌入水印为0的个数为U。
二、水印提取及图像恢复过程(未受攻击)
步骤一：根据嵌入的分块大小对原图像进行分块。
步骤二：根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值，根据α值来判断提取水印的值。
(1)α在(-T,T)为范围内，该块的像素值不变，并提取0。
(2)α在[T,2T+G)范围，则提取1，mod(i，2)＝mod(j，2)的像素值减去d*b2。α在(-2T-G，-T]范围，则提取1，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去d*b2从而恢复原像素。
(3)α在[2T+G,+∞)范围则提取0，mod(i，2)＝mod(j，2)的像素值减去 d*b1。α在(-∞，-2T-G]范围则提取0，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去 d*b1来恢复原像素。
步骤三：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，来恢复溢出块的像素值。
三、水印提取及图像恢复过程(受到攻击)：
步骤一：根据嵌入的分块大小对原图像进行分块。
步骤二：根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值。
步骤三：根据嵌入过程中记录的0与1的个数重新设置α判断阈值范围以提取水印：
(1)根据嵌入过程中记录(-T,T)范围内嵌入的0的个数L，重新设定阈值范围(-N0,N0),使其中α值在范围内的数量等于L。
(2)根据嵌入过程中记录的1值，重新设定阈值范围(-N1,N1)，使在(-N1,-N0] 和[N0,N1)中的α数量为S。
(3)根据嵌入过程中记录(-T,T)之外嵌入的0的个数U，重新设定阈值范围(-N2,N2),使在(-N2,-N1]，[N1,N2)中的α数量为U。
步骤四：根据重新划定的阈值范围提取水印：
(1)α在(-N0,N0)范围则提取0，该块的像素值不变。
(2)α在[N0,N1)之间则提取1，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b2。
α在(-N1,-N0]之间则提取1，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b2。
(3)α在(-N2,-N1]之间则提取0，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b1。若α在[N1,N2)之间则提取0，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b1。
步骤五：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，来恢复溢出块的像素值。
图3在lena图和图4在airplane图像中，在嵌入容量相同的情况下，采用不同的压缩质量因子，本发明的误码率(BER)更低。使用新的嵌入算法，使所有的块嵌入水印，避免了不嵌入水印移位块可能产生的错位问题，使得在进行直方图移位的过程中获得了更高的嵌入容量，并且在经过JPEG压缩以后，提取水印的误码率更低，即具有较高的鲁棒性，也可用于秘密信息的隐藏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法，其特征在于，所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法包括以下步骤：
步骤一，原图像分块；
步骤二，对分成的块根据像素值接近0或者255的特性分成四组，标记并在之后嵌入；
步骤三，每个块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值；对所有块得到的α值生成一张直方图；
步骤四，根据α值范围以及嵌入的数据移动像素值；
所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法水印的嵌入方法包括：
步骤一，将原图像分为不重叠的块，选取大小为16*16的块；
步骤二，每个块根据像素值临近0或者255的特性分为A、B、C、D四组，A类型为块内没有小于b1像素值和大于255-b1的像素值；B类型为块内没有大于255-b1的像素值；C类型为块内没有小于b1像素值；D类型为块内小于b1像素值和大于255-b1的像素值均有；A和B用d＝1标记，C用d＝-1标记，D若块内小于b1像素值少于大于255-b1的像素值则标记为d＝-1，块内小于b1像素值多于大于255-b1的像素值则标记为d＝1，并在之后嵌入；D类需要将原像素值替换掉，原像素值作为水印嵌入；并用map记录替换掉的原像素的位置；将块类型，原像素值，替换像素位置放在水印尾部准备嵌入；
步骤三，块与掩膜M相乘并求和计算得到α的值，对所有块得到的α生成一张直方图，掩膜M为：
Figure RE-FDA0003010253660000011
步骤四，根据直方图范围大小以及要嵌入水印信息是0还是1来移动像素值嵌入水印；具体包括：
(1)α不在(-T,T)的，嵌入水印为0的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点像素值加d*b1；若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b1；
(2)α不在(-T,T)的，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点像素值加d*b2；
(3)α在(-T,T)，嵌入水印为1的时候，若α为正值则朝正无穷方向移动，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；若α为负值则朝负无穷方向移动，mod(i,2)～＝mod(j,2)的点的像素值加d*b2；
(4)α在(-T,T)，嵌入水印为0的时候，块的像素值不变；
步骤五，记录下嵌入水印信息1时的个数为S，记录α在(-T,T)之间嵌入水印为0的个数L，记录α在(-T,T)之外嵌入水印为0的个数为U。
2.一种如权利要求1所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法的不受攻击的水印提取及图像恢复方法，其特征在于，所述不受攻击的水印提取及图像恢复方法包括：
步骤一，根据嵌入的分块大小对原图像进行分块；
步骤二，根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值，根据α值来判断提取水印的值；
(1)α在(-T,T)内，块的像素值不变，并提取0；
(2)α在[T,2T+G)，则提取1，mod(i，2)＝＝mod(j，2)的像素值减去d*b2；α在(-2T-G，-T]，则提取1，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去d*b2恢复原像素
(3)α在[2T+G,+∞)提取0，mod(i，2)＝＝mod(j，2)的像素值减去d*b1；α在(-∞，-2T-G]提取0，mod(i，2)～＝mod(j，2)的像素值减去d*b1来恢复原像素；
步骤三：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，来恢复溢出块的像素值。
3.一种如权利要求1所述基于直方图移位的鲁棒可逆图像水印方法的遭受攻击的水印提取及图像恢复方法，其特征在于，所述遭受攻击的水印提取及图像恢复方法包括：
步骤一，根据嵌入的分块大小对原图像进行分块；
步骤二，根据嵌入过程中α的计算方法计算每个块的α值；
步骤三，根据嵌入过程中记录的0与1的个数重新设置α判断阈值范围以提取水印；
(1)根据嵌入过程中记录(-T,T)范围内嵌入的0的个数L，重新设定阈值范围(-N0,N0),使其中α值在范围内的数量等于L；
(2)根据嵌入过程中记录的1值，重新设定阈值范围(-N1,N1)，使在(-N1,-N0]和[N0,N1)中的α数量为S；
(3)根据嵌入过程中记录(-T,T)之外嵌入的0的个数U，重新设定阈值范围(-N2,N2),使在(-N2,-N1]，[N1,N2)中的α数量为U；
步骤四：根据重新划定的阈值范围提取水印：
(1)α在(-N0,N0)则提取0，块的像素值不变；
(2)α在[N0,N1)提取1，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b2；α在(-N1,-N0]之间则提取1，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b2；
(3)α在(-N2,-N1]提取0，mod(i,2)～＝mod(j,2)的像素值减去d*b1；若α在[N1,N2)之间则提取0，mod(i,2)＝＝mod(j,2)的像素值减去d*b1；
步骤五：根据作为水印嵌入的块类型、原像素和像素位置信息，恢复溢出块的像素值。
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