CN108230226B - 自适应分块像素值排序数字可逆水印方法、医学图像系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字水印技术领域，公开了一种自适应分块像素值排序数字可逆水印方法、医学图像系统，所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法利用图像像素值关联对图像进行分块排序处理，依照像素值关联计算块像素复杂度，根据块像素复杂度实现自适应扩展分块大小的方法，水印嵌入到可嵌入水印信息像素块。经证实本发明可根据图像纹理差异，实现自适应分块像素值排序数字可逆水印的嵌入与提取；在保证提取水印信息准确性的同时具有较好的嵌入性能和视觉隐藏效果。

Description

自适应分块像素值排序数字可逆水印方法、医学图像系统

技术领域

本发明属于数字水印技术领域，尤其涉及一种自适应分块像素值排序数字可逆水印方法、医学图像系统。

背景技术

数字水印主要研究领域有可逆数字水印和鲁棒数字水印。可逆数字水印技术作为数字水印技术的一个重要分支，不但可以提取出嵌入载体的水印信息，还可以准确的提取出原有的宿主信息。其中，将图像像素划分成固定分块，对分块内像素值排序并修改最大和最小像素值以此实现水印嵌入的基于像素值排序可逆数字水印技术，可根据嵌入容量需求，将图像划分为大小不同的固定分块。

综上所述，现有技术存在问题是：图像上不同区域纹理复杂度差异较大，采用固定分块的像素值排序技术未能充分考虑像素值关联，为满足较大的嵌入容量需求，需将图像划分为较小的固定分块，但此时图像失真较为明显，视觉隐藏效果不佳；同理，固定分块像素值排序技术需以牺牲嵌入容量为代价，将图像划为较大的分块来减少图像失真。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自适应分块像素值排序数字可逆水印方法、医学图像系统。

本发明是这样实现的，一种自适应分块像素值排序数字可逆水印方法，所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法利用图像像素值关联对图像进行分块排序处理，依照像素值关联计算块像素复杂度，根据块像素复杂度实现自适应扩展分块大小的方法，水印嵌入到可嵌入水印信息像素块。

进一步，所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法包括：水印嵌入和水印提取及宿主图像恢复，包括以下步骤：

步骤一，将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块P_i＝{p₁,…,p₁₆}；

步骤二，对每一个像素母块P_i选取1*3初始化子分块X_j＝{x₁,x₂,x₃}；

步骤三，对初始化子分块X_j进行排序并计算其分块复杂度，对于子分块X_j＝{x₁,...,x_n}，分块复杂度的定义如下：

Th_j＝Var(x₁,…,x_n-1)

注：这里Var表示求方差。

步骤四，对于复杂度Th_j小于嵌入阈值T_em的子分块X_j，进行PVO水印嵌入；对于复杂度Th_j大于嵌入阈值T_em的子分块X_j，通过向子分块X_j中添加母块内后续像素点p_n,n∈(3,16)，动态扩展子分块X_nj的大小，再次进行像素排序并计算复杂度Th_nj，对于复杂度Th_nj小于嵌入阈值T_em的子分块，进行PVO水印嵌入；对于当前子分块复杂度Th_nj大于初始化子分块复杂度Th_j的动态扩展子分块X_nj，进行舍弃；

步骤五，对母块P_i内后续未做处理的像素点选取1*3初始化子分块，执行本方法步骤三；对于不能继续划分初始化的母块P_i，跳过该母块，对后续母块执行本方法步骤二。

步骤六，将嵌有水印信息待处理的水印图像依次划分为不重复的4*4像素母块Q_i＝{q₁,…,q₁₆}；

步骤七，对每一个像素母块Q_i选取1*3初始化子分块Y_j＝{y₁,y₂,y₃}；

步骤八，对初始化子分块Y_j进行排序并计算其分块复杂度，对于子分块Y_j＝{y₁,...,y_n}，分块复杂度的定义如下：

Th_j＝Var(y₁,…,y_n-1)

注：这里Var表示求方差。

步骤九，对于复杂度Th_j小于提取阈值T_ex的初始化子分块Y_j，进行PVO水印提取，恢复原始宿主图像；对于复杂度Th_j大于提取阈值T_ex的初始化子块Y_j，通过向子分块Y_j中添加母块内后续像素点q_n,n∈(3,16)，动态扩展子分块X_nj的大小，再次进行像素排序并计算复杂度Th_nj，对于复杂度Th_nj小于提取阈值T_ex的子分块，进行PVO水印提取，恢复原始宿主图像；对于当前子分块复杂度Th_nj大于初始化子分块复杂度Th_j的动态扩展子分块X_nj，进行舍弃；

步骤十，对母块Q_i内后续未做处理的像素点选取1*3初始化子分块，执行本方法步骤八；对于不能继续划分初始化的母块Q_i，跳过该母块，对后续母块执行本方法步骤七。

进一步，所述方法步骤四中嵌入阈值T_em∈Z，并根据图像的不同嵌入容量要求选取最优阈值T_em；所述方法步骤九中提取阈值T_ex＝T_em。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的法律图像系统。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的医学图像。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的军事系统。

本发明利用图像像素值关联对图像进行分块排序处理，依照像素值关联计算块像素复杂度，根据块像素复杂度实现自适应扩展分块大小的方法，将水印嵌入到可嵌入水印信息像素块中。经证实本发明可根据图像纹理差异，实现自适应分块像素值排序数字可逆水印的嵌入与提取；在保证提取水印信息准确性的同时具有较好的嵌入性能和视觉隐藏效果。表1是本发明在lena，airplane，barbara等三张图在10000bits和20000bits不同嵌入容量下PSNR的实验数据对比。由于4*4分块方案在三张图片上最大嵌入容量均无法达到20000bits，所以嵌入容量20000bits的情况下只比对了2*2分块方案。根据表格可以看出，相较于固定分块2*2分块和4*4分块的方案，本发明在不同嵌入容量下PSNR均有一定的提升。

表1不同嵌入容量需求下方法性能对比表

附图说明

图1是本发明实施例提供的自适应分块像素值排序数字可逆水印方法流程图。

图2是本发明实施例提供的水印嵌入过程流程图。

图3是本发明实施例提供的水印提取及宿主图像恢复过程图。

图4是本发明实施例提供的Lena图像各方法EC-PSNR性能对比图；

图中：(a)原始图像；(b)本发明水印图像；(c)本发明宿主图像；(d)Lena图像各方法EC-PSNR性能对比图。

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。

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自适应分块像素值排序数字可逆水印方法包括以下步骤：

S101：利用图像像素值关联对图像进行分块排序处理，依照像素值关联计算块像素复杂度；

S102：根据块像素复杂度实现自适应扩展分块大小的方法，水印嵌入到可嵌入水印信息像素块中；

S103：对初始化子分块进行排序并计算其分块复杂度；

S104：子分块根据分块复杂度实现自适应分块扩展处理，以满足水印信息嵌入要求；

S105：将水印信息嵌入至符合要求的子分块内，实现数字可逆水印的嵌入。

S106：将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块；

S107：对每一个像素母块P_i选取1*3初始化子分块；

S108：对初始化子分块进行排序并计算其分块复杂度；

S109：子分块根据分块复杂度实现自适应分块扩展处理，以满足水印信息提取及宿主图像恢复的要求；

S110：将水印信息从符合要求的子分块内提取出并恢复原始图像，实现数字可逆水印的提取及宿主图像恢复。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的水印的嵌入过程包括：

步骤一，读取原始宿主图像。

步骤二，将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块P_i＝{p₁,…,p₁₆}。

步骤三，依次选取未经水印信息嵌入操作的像素母块P_i。

步骤四，根据判决条件1(判定该母块是否能够继续初始化子分块，即子分块X_nj内最新扩展像素位n≤13)进行判断。若满足条件，则进行步骤五；若不满足条件，则进行步骤十四。

步骤五，将像素母块P_i初始划分为1*3像素初始化子分块X_j＝{x₁,x₂,x₃}，该母块内剩余像素点作为此初始化子分块X_j自适应分块扩展备用像素点。

步骤六，将子分块X_nj像素值排序。

步骤七，计算像素值排序后的子分块的分块复杂度Th_nj。

步骤八，根据判决条件3(分块复杂度计算结果是否满足水印信息嵌入条件，即Th_nj≤T_em)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤九；若不满足条件，则跳转至步骤十。

步骤九，该子分块为可嵌入水印信息分块，对该子分块进行PVO水印嵌入。

步骤十，选取所在母块P_i内后续的一个备用像素点p_n，扩展至当前子分块。

步骤十一，根据判决条件4(母块内仍有备用像素点且当前子分块复杂度满足水印信息嵌入条件，即n＜16且Th_nj≤T_em)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤六；若不满足条件，则进行步骤十二。

步骤十二，对子分块做舍弃分块处理。

步骤十三，根据判决条件5(判定该母块是否能够继续初始化子分块，即子分块X_nj内最新扩展像素位n≤13)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤五；若不再满足此条件，则跳转至步骤三。

步骤十四，根据判决条件2(判断是否还有母块未进行水印信息嵌入操作)进行判断。若满足条件则转至步骤三；若不满足条件则转至步骤十五。

步骤十五，完成对宿主图像的数字可逆水印嵌入。

如图3所示，本发明实施例提供的水印提取及宿主图像恢复过程包括以下步骤：

步骤一，读取嵌入水印信息的水印图像。

步骤二，将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块Q_i＝{q₁,…,q₁₆}。

步骤三，依次选取未经水印信息提取操作的像素母块Q_i。

步骤四，根据判决条件6(判定该母块是否能够继续初始化子分块，即子分块Y_nj内最新扩展像素位n≤13)进行判断。若满足条件，则进行步骤五；若不满足条件，则进行步骤十四。

步骤五，将像素母块Q_i划分为1*3像素初始化子分块，该母块Q_i内剩余像素点作为此初始化子分块Y_j自适应分块扩展备用像素点。

步骤六，将子分块Y_nj像素值排序。

步骤七，计算像素值排序后的子分块的分块复杂度Th_nj。

步骤八，根据判决条件7(分块复杂度计算结果是否能够证实该子分块包含水印信息，即Th_nj≤T_ex)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤九；若不满足条件，则跳转至步骤十。

步骤九，该子分块为已嵌入水印信息分块，对该子分块进行PVO水印提取。

步骤十，选取所在母块Q_i内后续的一个备用像素点q_n，扩展至当前子分块。

步骤十一，根据判决条件8(母块内仍有备用像素点且当前子分块复杂度满足水印信息提取条件，即n＜16且Th_nj≤T_ex)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤六；若不满足条件，则进行步骤十二。

步骤十二，对子分块做舍弃分块处理。

步骤十三，根据判决条件9(该像素母块内剩余像素点个数是否满足继续初始化像素子分块，即子分块Y_nj内最新扩展像素位n≤13)进行判断。若满足条件，则跳转至步骤五；若不再满足此条件，则跳转至步骤三。

步骤十四，根据判决条件10(判断是否还有母块未进行水印信息提取操作)进行判断。若满足条件则转至步骤三；若不满足条件则转至步骤十五。

步骤十五，完成对宿主图像的数字可逆水印嵌入。

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 (5)

1.一种自适应分块像素值排序数字可逆水印方法，其特征在于，所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法利用图像像素值关联对图像进行分块排序处理，依照像素值关联计算块像素复杂度，根据块像素复杂度实现自适应扩展分块大小的方法，水印嵌入到可嵌入水印信息像素块；

所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法包括：水印嵌入和水印提取及宿主图像恢复；

所述水印嵌入的方法包括：

(1)将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块；

(2)选取待进行嵌入水印信息的母块；

(3)将母块内的子分块初始化；

(4)对初始化后的子分块进行像素值排序；

(5)计算排序后的子分块复杂度；

(6)子分块根据分块复杂度实现自适应分块扩展处理，以满足水印信息嵌入要求；

(7)将水印信息嵌入至符合要求的子分块内，实现数字可逆水印的嵌入。

2.如权利要求1所述的自适应分块像素值排序数字可逆水印方法，其特征在于，所述水印提取及宿主图像恢复方法包括：

(1)将宿主图像依次划分为不重复的4*4像素母块；

(2)选取待进行水印信息提取的母块；

(3)将母块内的子分块初始化；

(4)对初始化后的子分块进行像素值排序；

(5)计算排序后的子分块复杂度；

(6)子分块根据复杂度实现自适应分块扩展处理，验证子分块是否含有水印信息；

(7)将水印信息从子分块中提取出来，并恢复宿主图像，实现数字可逆水印的提取及宿主图像的恢复。

3.一种实现权利要求1～2任意一项所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的法律图像系统。

4.一种实现权利要求1～2任意一项所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的医学图像。

5.一种实现权利要求1～2任意一项所述自适应分块像素值排序数字可逆水印方法的军事系统。

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