CN108416727B - 一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法，其对彩色图像的亮度分量的逼近子图中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵；根据所有子块的幅度谱矩阵创建特征水印和自嵌入特征水印；以相同方式获得水印彩色图像的亮度分量的逼近子图中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵；根据所有子块的幅度谱矩阵盲提取特征水印和认证水印；根据盲提取出的特征水印与认证水印之间的归一化相关系数进行版权保护；优点是数字水印的嵌入强度对于原始彩色图像具有自适应性，对于几何平移等图像处理攻击具有比较理想的鲁棒性，提取数字水印时无需原始彩色图像和原始数字水印的任何信息。

Description

一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种数字媒体信息安全技术，尤其是涉及一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法。

背景技术

作为当前信息安全技术领域的研究热点，数字水印是解决数字媒体版权保护和内容认证的一种有效技术手段。数字水印技术利用人的视听觉特性和数字媒体内容的冗余性，通过一定算法将一些标识信息(如作者签名、版权标识、序列号、日期或图标等)嵌入到被保护的原始数字媒体中，以此为原始数字媒体提供必要的认证信息和版权保护。

用于版权保护的数字水印，应具备水印鲁棒性和水印不可觉察性两个基本要素。水印鲁棒性是指嵌有数字水印的数字媒体在经过常规信号处理或者恶意攻击之后，嵌入的数字水印仍然具有较好的可检测性或者说仍能够反映出原始数字媒体版权等方面信息；水印不可觉察性是指数字水印的嵌入不能影响到原始数字媒体的视听觉质量，从而不会影响数字媒体的应用价值。

根据检测端检测水印时是否需要借助原始数字媒体或原始数字水印，数字水印技术可分为盲数字水印技术和非盲数字水印技术。非盲数字水印技术在检测端检测水印时往往需要借助与原始数字媒体或原始数字水印相关的信息，而盲数字水印技术在检测端检测水印时不需要借助任何与原始数字媒体或原始数字水印相关的信息。显然，盲数字水印技术比非盲数字水印技术更具有实用性。

2012年，叶天语在《通信学报》上报道了一种完全盲检测顽健数字水印算法，该算法通过调整原始灰度图像中的子块的两个余弦交流系数实现特征水印的自嵌入，再通过比较待测灰度图像中的子块的两个余弦交流系数实现认证水印的盲提取。2014年，左姣在《图形、图像与多媒体》上报道了一种自嵌入全盲鲁棒水印量化算法，该算法采用奇偶量化规则，通过调整原始灰度图像的小波低频子带中的每个子块的一个余弦低频系数实现特征水印的自嵌入，再通过对待测灰度图像的小波低频子带中的每个子块的一个余弦低频系数的奇偶判断实现认证水印的盲提取。2015年，吴捷在《电视技术》上报道了一种基于平稳小波变换的盲水印算法，该算法通过选择原始灰度图像平稳小波变换的低频近似区域中的每个分块中的一个系数实现二值水印的嵌入，再通过比较每个嵌入位数值和所有嵌入位数值的平均值的大小关系得到密钥，利用密钥从待测灰度图像中实现二值水印的盲检测。2016年，窦永梅在《人工智能及识别技术》上报道了一种新的DWT与DCT相结合的图像盲水印算法，该算法通过交换原始灰度图像的小波细节子带中的每个子块的两个余弦中频系数实现二值水印的嵌入，再通过比较待测灰度图像的小波细节子带中的每个子块的两个余弦中频系数实现二值水印的盲提取。为了获得较好的算法鲁棒性及水印的不可见性，以上算法在水印嵌入强度因子或量化步长的选择上都作了一定的人为干预，缺乏对原始灰度图像的自适应性。

目前，对于灰度图像作为数字水印载体的盲数字水印技术已经得到了比较广泛的研究。然而，随着科学技术的快速发展，彩色图像在当今社会中占据着越来越重要的位置。相对于灰度图像，彩色图像包含了更为丰富的信息，无论是对人们的视觉感受，还是后续的图像理解与分析，彩色图像都具有灰度图像无可比拟的优越性。因此，进行彩色图像的盲数字水印技术研究更具有实际意义，也必将是信息安全技术领域的发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法，其在嵌入端嵌入水印时数字水印的嵌入强度对于原始彩色图像具有自适应性，对于几何平移等图像处理攻击具有比较理想的鲁棒性，在检测端提取数字水印时无需原始彩色图像和原始数字水印的任何信息。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法，其特征在于包括数字水印嵌入、数字水印提取与检测两个部分；

所述的数字水印嵌入部分的具体步骤为：

步骤①_1、待嵌入数字水印的原始数字图像为RGB彩色图像，记为F_RGB，将F_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为R、G和B，F_RGB的尺寸大小为I×J×3，R、G和B的尺寸大小均为I×J；然后将F_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为F_YCrCb，将F_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为Y、Cr和Cb，F_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，Y、Cr和Cb的尺寸大小均为I×J；接着对Y进行一级离散小波分解，得到Y的三幅细节子图和一幅逼近子图，将Y的逼近子图记为YA，YA的尺寸大小为

再将YA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将YA中的第q个子块记为YAB_q；其中，I表示R、G和B的水平方向分辨率，J表示R、G和B的竖直方向分辨率，符号

为向下取整运算符号，q为正整数，

步骤①_2、对YA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将YAB_q的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为YAM_q和YAP_q；其中，YAM_q和YAP_q的维数均为8×8；

步骤①_3、创建特征水印W，具体过程为：计算YA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为YAD_ave，

然后根据YAD_ave和YA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，创建得到特征水印W，将W的第q位比特记为W_q，

其中，W的长度为

YAM_q(1,1)表示YAM_q中的第1行第1列元素，YAM_q(1,1)亦为YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱直流系数；

步骤①_4、自嵌入特征水印W，具体过程为：在YA中的每个子块中自嵌入特征水印W中的一位比特，对于YAB_q，取出W_q，如果W_q＝0且YAM_q(3,3)<YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，实现W_q的自嵌入，接着当0<YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝0且YAM_q(3,3)≥YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着当0<YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)>YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，实现W_q的自嵌入，接着当0<YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)≤YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着当0<YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

其中，YAM_q(3,3)表示YAM_q中的第3行第3列元素，YAM_q(4,4)表示YAM_q中的第4行第4列元素，G1和G2均为引入的中间变量，YAM_q-ave表示YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱系数均值，

1≤u≤8,1≤v≤8，YAM_q(u,v)表示YAM_q中的第u行第v列元素，

中的“＝”为赋值符号；

步骤①_5、在步骤①_4的基础上，将每个调整后的幅度谱矩阵与对应的相位谱矩阵组合成新的离散傅里叶变换系数矩阵；然后对每个新的离散傅里叶变换系数矩阵进行逆离散傅里叶变换，得到每个嵌有数字水印的子块，进而得到嵌有数字水印的逼近子图；接着结合Y的三幅细节子图和嵌有数字水印的逼近子图，进行逆离散小波变换，得到嵌有数字水印的亮度分量；再结合嵌有数字水印的亮度分量及F_YCrCb的红色色度分量和蓝色色度分量，得到嵌有数字水印的YCrCb彩色图像；最后将嵌有数字水印的YCrCb彩色图像由YCrCb彩色空间转换到RGB彩色空间，得到嵌有数字水印的水印RGB彩色图像；

所述的数字水印提取与检测部分的具体步骤为：

步骤②_1、将待检测的嵌有数字水印的水印RGB彩色图像记为TF_RGB，将TF_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为TR、TG和TB，TF_RGB的尺寸大小为I×J×3，TR、TG和TB的尺寸大小均为I×J；然后将TF_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为TF_YCrCb，将TF_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为TY、TCr和TCb，TF_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，TY、TCr和TCb的尺寸大小均为I×J；接着对TY进行一级离散小波分解，得到TY的三幅细节子图和一幅逼近子图，将TY的逼近子图记为TYA，TYA的尺寸大小为

再将TYA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将TYA中的第s个子块记为TYAB_s；其中，符号

为向下取整运算符号，s为正整数，

步骤②_2、对TYA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将TYAB_s的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为TYAM_s和TYAP_s；其中，TYAM_s和TYAP_s的维数均为8×8；

步骤②_3、盲提取特征水印TW，具体过程为：计算TYA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为TYAD_ave，

然后根据TYAD_ave和TYA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，盲提取得到特征水印TW，将TW的第s位比特记为TW_s，

其中，TW的长度为

TYAM_s(1,1)表示TYAM_s中的第1行第1列元素，TYAM_s(1,1)亦为TYAB_s的离散傅里叶变换幅度谱直流系数；

步骤②_4、盲提取认证水印TW^*，具体过程为：在TYA中的每个子块中盲提取出一位比特以得到认证水印TW^*，对于TYAB_s，提取得到TW^*中的第s位比特TW^* _s，

其中，TW^*的长度为

TYAM_s(3,3)表示TYAM_s中的第3行第3列元素，TYAM_s(4,4)表示TYAM_s中的第4行第4列元素；

步骤②_5、根据TW与TW^*进行版权保护，具体过程为：计算TW与TW^*之间的归一化相关系数，记为ρ(TW,TW^*)，利用ρ(TW,TW^*)来进行版权保护。

所述的步骤②_5中，

其中，

表示TW中的所有元素的平均值，

表示TW^*中的所有元素的平均值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明方法在数字水印嵌入端数字水印的嵌入强度取决于原始的RGB彩色图像，不需要人为调整，对原始的RGB彩色图像具有自适应性。

2)本发明方法在保持数字水印不可见性的同时，提出的特征水印创建方式与特征水印自嵌入方式对各种攻击具有很理想的鲁棒性，尤其对于图像的几何平移失真具有完全免疫性。

3)本发明方法在数字水印提取与检测端只需要待检测的水印RGB彩色图像就可以进行特征水印和认证水印的提取，进而进行版权认证，不再需要数字水印嵌入端传输原始的RGB彩色图像或原始的特征水印的任何信息，完全实现了盲检测或提取功能，同时不仅节省了数字水印嵌入端传输原始的RGB彩色图像或原始的特征水印时所需要的传输成本和存储成本，而且避免了互联网上普遍存在的被动攻击或解释攻击。

4)本发明方法采用RGB彩色图像作为数字水印载体，迎合了数字图像彩色化的发展趋势，拓展了数字水印技术的应用范围。

附图说明

图1为分辨率为512×512×3的Kids彩色图像；

图2为采用本发明方法在图1所示的Kids彩色图像中嵌入数字水印后的水印Kids彩色图像；

图3为对图2所示的水印Kids彩色图像进行直方图均衡化处理，得到的经直方图均衡化处理后的水印Kids彩色图像；

图4为对图2所示的水印Kids彩色图像进行JPEG有损压缩处理(压缩质量因子选择为5％)，得到的经JPEG有损压缩处理后的水印Kids彩色图像；

图5为对图2所示的水印Kids彩色图像进行噪声叠加处理(叠加的噪声为均值为0方差为0.01的高斯分布噪声)，得到的叠加高斯噪声后的水印Kids彩色图像；

图6为对图2所示的水印Kids彩色图像进行中值滤波处理(中值滤波器窗口大小选择为大窗口[11×11])，得到的经中值滤波处理后的水印Kids彩色图像；

图7为对图2所示的水印Kids彩色图像进行水平循环移位(左移)处理(左移像素点为其宽度的1/4)，得到的经水平循环移位处理后的水印Kids彩色图像；

图8为本发明方法的总体实现框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法，其总体实现框图如图8所示，其包括数字水印嵌入、数字水印提取与检测两个部分；

所述的数字水印嵌入部分的具体步骤为：

步骤①_1、待嵌入数字水印的原始数字图像为RGB彩色图像，记为F_RGB，将F_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为R、G和B，F_RGB的尺寸大小为I×J×3，R、G和B的尺寸大小均为I×J；然后将F_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为F_YCrCb，将F_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为Y、Cr和Cb，F_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，Y、Cr和Cb的尺寸大小均为I×J；接着对Y进行一级离散小波分解，得到Y的三幅细节子图和一幅逼近子图，将Y的逼近子图记为YA，YA的尺寸大小为

再按光栅扫描顺序将YA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将YA中的第q个子块记为YAB_q；其中，I表示R、G和B的水平方向分辨率，J表示R、G和B的竖直方向分辨率，符号

为向下取整运算符号，q为正整数，

步骤①_2、对YA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将YAB_q的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为YAM_q和YAP_q；其中，YAM_q和YAP_q的维数均为8×8。

步骤①_3、创建特征水印W，具体过程为：计算YA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为YAD_ave，

然后根据YAD_ave和YA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，创建得到特征水印W，将W的第q位比特记为W_q，

其中，W的长度为

YAM_q(1,1)表示YAM_q中的第1行第1列元素，YAM_q(1,1)亦为YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱直流系数。

步骤①_4、自嵌入特征水印W，具体过程为：在YA中的每个子块中自嵌入特征水印W中的一位比特，对于YAB_q，取出W_q，如果W_q＝0且YAM_q(3,3)<YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，即交换YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)的值，实现W_q的自嵌入，接着为了提高嵌入数字水印的鲁棒性，当0<YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝0且YAM_q(3,3)≥YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着为了提高嵌入数字水印的鲁棒性，当0<YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)>YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，即交换YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)的值，实现W_q的自嵌入，接着为了提高嵌入数字水印的鲁棒性，当0<YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)≤YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着为了提高嵌入数字水印的鲁棒性，当0<YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)<YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

其中，YAM_q(3,3)表示YAM_q中的第3行第3列元素，YAM_q(4,4)表示YAM_q中的第4行第4列元素，G1和G2均为引入的中间变量，YAM_q-ave表示YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱系数均值，

1≤u≤8,1≤v≤8，YAM_q(u,v)表示YAM_q中的第u行第v列元素，

中的“＝”为赋值符号。

步骤①_5、在步骤①_4的基础上，将每个调整后的幅度谱矩阵与对应的相位谱矩阵组合成新的离散傅里叶变换系数矩阵；然后对每个新的离散傅里叶变换系数矩阵进行逆离散傅里叶变换，得到每个嵌有数字水印的子块，进而得到嵌有数字水印的逼近子图；接着结合Y的三幅细节子图和嵌有数字水印的逼近子图，进行逆离散小波变换，得到嵌有数字水印的亮度分量；再结合嵌有数字水印的亮度分量及F_YCrCb的红色色度分量和蓝色色度分量，得到嵌有数字水印的YCrCb彩色图像；最后将嵌有数字水印的YCrCb彩色图像由YCrCb彩色空间转换到RGB彩色空间，得到嵌有数字水印的水印RGB彩色图像。

所述的数字水印提取与检测部分的具体步骤为：

步骤②_1、将待检测的嵌有数字水印的水印RGB彩色图像记为TF_RGB，将TF_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为TR、TG和TB，TF_RGB的尺寸大小为I×J×3，TR、TG和TB的尺寸大小均为I×J；然后将TF_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为TF_YCrCb，将TF_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为TY、TCr和TCb，TF_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，TY、TCr和TCb的尺寸大小均为I×J；接着对TY进行一级离散小波分解，得到TY的三幅细节子图和一幅逼近子图，将TY的逼近子图记为TYA，TYA的尺寸大小为

再按光栅扫描顺序将TYA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将TYA中的第s个子块记为TYAB_s；其中，符号

为向下取整运算符号，s为正整数，

步骤②_2、对TYA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将TYAB_s的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为TYAM_s和TYAP_s；其中，TYAM_s和TYAP_s的维数均为8×8。

步骤②_3、盲提取特征水印TW，具体过程为：计算TYA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为TYAD_ave，

然后根据TYAD_ave和TYA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，盲提取得到特征水印TW，将TW的第s位比特记为TW_s，

其中，TW的长度为

TYAM_s(1,1)表示TYAM_s中的第1行第1列元素，TYAM_s(1,1)亦为TYAB_s的离散傅里叶变换幅度谱直流系数。

步骤②_4、盲提取认证水印TW^*，具体过程为：在TYA中的每个子块中盲提取出一位比特以得到认证水印TW^*，对于TYAB_s，提取得到TW^*中的第s位比特TW^* _s，

其中，TW^*的长度为

TYAM_s(3,3)表示TYAM_s中的第3行第3列元素，TYAM_s(4,4)表示TYAM_s中的第4行第4列元素。

步骤②_5、根据TW与TW^*进行版权保护，具体过程为：计算TW与TW^*之间的归一化相关系数，记为ρ(TW,TW^*)，

其中，

表示TW中的所有元素的平均值，

表示TW^*中的所有元素的平均值；利用ρ(TW,TW^*)来进行版权保护。

由数字水印提取与检测部分内容可以看到，在数字水印提取与检测端只需要利用攻击后的水印RGB彩色图像就可以分别盲提取出特征水印和认证水印来计算两者的归一化相关系数，不需要借助原始的RGB彩色图像和原始的数字水印的任何相关信息，因此，本发明方法实现了完全盲检测功能。

为了更好地说明本发明方法应用于数字图像版权保护方面的可行性，以图1所示的分辨率为512×512×3的Kids彩色图像作为测试图像进行实验仿真，实验仿真是在Matlab7.5平台上进行的。

数字图像嵌入水印后的图像质量，以及经过图像处理或攻击后的图像质量的客观评价均采用峰值信噪比(PSNR)：

其中，I＝512,J＝512，y(i,j)表示原始的彩色图像的亮度分量中坐标位置为(i,j)的像素点的像素值，ty(i,j)表示嵌有水印的水印彩色图像经过图像处理后其亮度分量中坐标位置为(i,j)的像素点的像素值，y_max表示原始的彩色图像的亮度分量中的最大像素值，I×J表示原始的彩色图像的亮度分量的分辨率。

采用本发明方法在图1所示的Kids彩色图像中嵌入数字水印后的水印Kids彩色图像如图2所示。从图2中可以看出，相比于图1所示的Kids彩色图像，水印Kids彩色图像的主、客观质量都非常理想，主观上，人眼视觉几乎观察不到有任何变化；客观上，峰值信噪比(PSNR)很高，达到了44.49dB，这足以说明本发明方法是可行的，不会影响到原始的彩色图像的后续应用。

以下通过对水印Kids彩色图像进行各种攻击处理，来验证本发明方法的鲁棒性，可用于数字图像作品的版权保护。

1)直方图均衡化

对图2所示的水印Kids彩色图像进行直方图均衡化处理，得到的经直方图均衡化处理后的水印Kids彩色图像如图3所示。经过直方图均衡化处理后，水印Kids彩色图像中的像素点的像素值和色调分布都发生了明显变化，峰值信噪比(PSNR)下降至24.81dB。但此时提取出的特征水印和认证水印之间的归一化相关系数为0.93，说明本发明方法抗直方图均衡化处理的鲁棒性。

2)JPEG有损压缩

对图2所示的水印Kids彩色图像进行JPEG有损压缩处理，压缩质量因子选择为5％，得到的经JPEG有损压缩处理后的水印Kids彩色图像如图4所示。从图4可以看出，此时水印Kids彩色图像呈现出较为明显的方块效应，视觉质量发生了一定退化，峰值信噪比(PSNR)下降至27.43dB。但此时提取出的特征水印和认证水印之间的归一化相关系数为0.95，说明嵌入的数字水印受影响不大，说明本发明方法抗有损压缩处理的鲁棒性。

3)叠加高斯(Gauss)噪声

对图2所示的水印Kids彩色图像进行噪声叠加处理，叠加的噪声为均值为0方差为0.01的高斯分布噪声，得到的叠加高斯噪声后的水印Kids彩色图像如图5所示。从图5可以看出，此时水印Kids彩色图像的视觉质量发生严重退化，峰值信噪比(PSNR)仅为20.44dB。但此时提取出的特征水印和认证水印之间的归一化相关系数仍有0.76，说明嵌入的数字水印仍能被较好地提取出。

4)中值滤波

对图2所示的水印Kids彩色图像进行中值滤波处理，中值滤波器窗口大小选择为大窗口[11×11]，得到的经中值滤波处理后的水印Kids彩色图像如图6所示。从图6可以看出，经过中值滤波处理后，水印Kids彩色图像的细节信息已比较模糊，峰值信噪比(PSNR)下降至26.59dB。但此时提取出的特征水印和认证水印之间的归一化相关系数为0.96，说明嵌入的数字水印能被很好地提取出用于数字图像作品的版权保护。

5)水平循环移位

对图2所示的水印Kids彩色图像进行水平循环移位(左移)处理，左移像素点为其宽度的1/4，得到的经水平循环移位处理后的水印Kids彩色图像如图7所示。从图7可以看出，经过水平循环移位处理后，水印Kids彩色图像的几何视觉已发生严重错位。但此时提取出的特征水印和认证水印之间的归一化相关系数为1，说明本发明方法对于图像的几何移位失真具有免疫性。

Claims (1)

1.一种基于自嵌入技术的彩色图像全盲鲁棒数字水印方法，其特征在于包括数字水印嵌入、数字水印提取与检测两个部分；

所述的数字水印嵌入部分的具体步骤为：

步骤①_1、待嵌入数字水印的原始数字图像为RGB彩色图像，记为F_RGB，将F_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为R、G和B，F_RGB的尺寸大小为I×J×3，R、G和B的尺寸大小均为I×J；然后将F_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为F_YCrCb，将F_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为Y、Cr和Cb，F_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，Y、Cr和Cb的尺寸大小均为I×J；接着对Y进行一级离散小波分解，得到Y的三幅细节子图和一幅逼近子图，将Y的逼近子图记为YA，YA的尺寸大小为

再将YA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将YA中的第q个子块记为YAB_q；其中，I表示R、G和B的水平方向分辨率，J表示R、G和B的竖直方向分辨率，符号

为向下取整运算符号，q为正整数，

步骤①_2、对YA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到YA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将YAB_q的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为YAM_q和YAP_q；其中，YAM_q和YAP_q的维数均为8×8；

步骤①_3、创建特征水印W，具体过程为：计算YA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为YAD_ave，

然后根据YAD_ave和YA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，创建得到特征水印W，将W的第q位比特记为W_q，

其中，W的长度为

YAM_q(1,1)表示YAM_q中的第1行第1列元素，YAM_q(1,1)亦为YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱直流系数；

步骤①_4、自嵌入特征水印W，具体过程为：在YA中的每个子块中自嵌入特征水印W中的一位比特，对于YAB_q，取出W_q，如果W_q＝0且YAM_q(3,3)＜YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，实现W_q的自嵌入，接着当0＜YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)＜YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝0且YAM_q(3,3)≥YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着当0＜YAM_q(3,3)-YAM_q(4,4)＜YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)＞YAM_q(4,4)，则令G1＝YAM_q(3,3)、G2＝YAM_q(4,4)，然后令YAM_q(3,3)＝G2、YAM_q(4,4)＝G1，实现W_q的自嵌入，接着当0＜YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)＜YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

如果W_q＝1且YAM_q(3,3)≤YAM_q(4,4)，则对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)不作处理，实现W_q的自嵌入，接着当0＜YAM_q(4,4)-YAM_q(3,3)＜YAM_q-ave成立时，对YAM_q(3,3)和YAM_q(4,4)作进一步调整，即令

并令

其中，YAM_q(3,3)表示YAM_q中的第3行第3列元素，YAM_q(4,4)表示YAM_q中的第4行第4列元素，G1和G2均为引入的中间变量，YAM_q-ave表示YAB_q的离散傅里叶变换幅度谱系数均值，

1≤u≤8,1≤v≤8，YAM_q(u,v)表示YAM_q中的第u行第v列元素，

中的“＝”为赋值符号；

步骤①_5、在步骤①_4的基础上，将每个调整后的幅度谱矩阵与对应的相位谱矩阵组合成新的离散傅里叶变换系数矩阵；然后对每个新的离散傅里叶变换系数矩阵进行逆离散傅里叶变换，得到每个嵌有数字水印的子块，进而得到嵌有数字水印的逼近子图；接着结合Y的三幅细节子图和嵌有数字水印的逼近子图，进行逆离散小波变换，得到嵌有数字水印的亮度分量；再结合嵌有数字水印的亮度分量及F_YCrCb的红色色度分量和蓝色色度分量，得到嵌有数字水印的YCrCb彩色图像；最后将嵌有数字水印的YCrCb彩色图像由YCrCb彩色空间转换到RGB彩色空间，得到嵌有数字水印的水印RGB彩色图像；

所述的数字水印提取与检测部分的具体步骤为：

步骤②_1、将待检测的嵌有数字水印的水印RGB彩色图像记为TF_RGB，将TF_RGB的红色分量、绿色分量和蓝色分量对应记为TR、TG和TB，TF_RGB的尺寸大小为I×J×3，TR、TG和TB的尺寸大小均为I×J；然后将TF_RGB由RGB彩色空间转换到YCrCb彩色空间，将转换到YCrCb彩色空间的彩色图像记为TF_YCrCb，将TF_YCrCb的亮度分量、红色色度分量和蓝色色度分量对应记为TY、TCr和TCb，TF_YCrCb的尺寸大小为I×J×3，TY、TCr和TCb的尺寸大小均为I×J；接着对TY进行一级离散小波分解，得到TY的三幅细节子图和一幅逼近子图，将TY的逼近子图记为TYA，TYA的尺寸大小为

再将TYA分割成

个互不重叠的尺寸大小为8×8的子块，将TYA中的第s个子块记为TYAB_s；其中，符号

为向下取整运算符号，s为正整数，

步骤②_2、对TYA中的每个子块进行离散傅里叶变换，得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵，进而得到TYA中的每个子块的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵，将TYAB_s的离散傅里叶变换系数矩阵的幅度谱矩阵和相位谱矩阵对应记为TYAM_s和TYAP_s；其中，TYAM_s和TYAP_s的维数均为8×8；

步骤②_3、盲提取特征水印TW，具体过程为：计算TYA中的所有子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数均值，记为TYAD_ave，

然后根据TYAD_ave和TYA中的每个子块的离散傅里叶变换幅度谱直流系数，盲提取得到特征水印TW，将TW的第s位比特记为TW_s，

其中，TW的长度为

TYAM_s(1,1)表示TYAM_s中的第1行第1列元素，TYAM_s(1,1)亦为TYAB_s的离散傅里叶变换幅度谱直流系数；

步骤②_4、盲提取认证水印TW^*，具体过程为：在TYA中的每个子块中盲提取出一位比特以得到认证水印TW^*，对于TYAB_s，提取得到TW^*中的第s位比特TW^* _s，

其中，TW^*的长度为

TYAM_s(3,3)表示TYAM_s中的第3行第3列元素，TYAM_s(4,4)表示TYAM_s中的第4行第4列元素；

步骤②_5、根据TW与TW^*进行版权保护，具体过程为：计算TW与TW^*之间的归一化相关系数，记为ρ(TW,TW^*)，利用ρ(TW,TW^*)来进行版权保护；

所述的步骤②_5中，

其中，

表示TW中的所有元素的平均值，

表示TW^*中的所有元素的平均值。

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