CN109544436A - Evd-hg和dwt-svd自适应水印图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字水印技术和版权保护领域，为实现自适应地同时嵌入多个彩色水印，平衡嵌入水印图像的不可见性及隐藏方法对各种几何攻击或图像处理攻击的鲁棒性。为此，本发明采取的技术方案是，EVD‑HG和DWT‑SVD自适应水印图像处理方法,待隐藏的图像首先经由阿诺德Arnold和旋转器Gyrator变换进行置乱加密；然后，对载体图像进行小波变换，选中频部分进行奇异值分解，将加密后的多个彩色水印嵌入到载体图像的奇异值部分；最后，将包含秘密图像的奇异值部分与特征向量结合再进行逆小波变换，得到包含秘密图像的载体图像。本发明主要应用于数字水印场合。

Description

EVD-HG和DWT-SVD自适应水印图像处理方法

技术领域

本发明属于数字水印技术和版权保护领域，涉及一种基于EVD-HG和DWT-SVD的自适应多彩色水印方法。

背景技术

互联网的迅速普及，伴随着数字技术的全面发展和数字媒体(如音频、图像、视频)的容易复制，增加了数字媒体的普及程度。但有时却没有达成协议，或者财产的意识，所以提出在版权保护方法上的不足。因此，如何保护多媒体数据防止被非法使用，越来越受到人们的重视。数字图像水印技术被认为是提供数字内容保护的有力解决方案，其主要思想是在宿主图像中嵌入代表宿主图像身份的可见或不可见的水印。主要考虑嵌入水印后的宿主图像具有好的不可见性的同时，兼顾其强的鲁棒性。

为了提高水印的性能，提出了很多方案来调节水印的鲁棒性和不可见性之间的矛盾。最早提出的基于DCT(离散余弦变换)、DWT(离散小波变换)、FT(傅里叶变换)等变换的数字水印可以通过调节嵌入强度使得水印图像具有良好的不可见性，但此类操作很难平衡嵌入水印图像的不可见性及隐藏方法对各种几何攻击或图像处理攻击的鲁棒性。基于此，之后在水印的基础上引入了数字图像加密，通过加密提高水印的鲁棒性。

此外，针对多彩色水印的嵌入，我们还要考虑不同水印嵌入到宿主图像不同的位置时它们之间相互作用的关系。由于自适应水印嵌入方法在考虑人眼视觉特性选择最佳嵌入位置的同时，能够结合水印的强鲁棒性确定相应的最佳嵌入强度。因此，自适应水印嵌入方法具有同时兼顾水印不可见性域鲁棒性的优点。这也是近年来数字水印领域着重研究的一种方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现自适应地同时嵌入多个彩色水印，平衡嵌入水印图像的不可见性及隐藏方法对各种几何攻击或图像处理攻击的鲁棒性。为此，本发明采取的技术方案是，EVD-HG和DWT-SVD自适应水印图像处理方法,待隐藏的图像首先经由阿诺德Arnold和旋转器Gyrator变换进行置乱加密；然后，对载体图像进行小波变换，选中频部分进行奇异值分解，将加密后的多个彩色水印嵌入到载体图像的奇异值部分；最后，将包含秘密图像的奇异值部分与特征向量结合再进行逆小波变换，得到包含秘密图像的载体图像。

具体步骤细化如下：

步骤1：水印图像的置乱加密：首先，将四幅彩色水印图像f_i分别在各自的R、G、B三个通道进行Arnold置乱变换；然后对置乱后的各通道水印图像进行Gyrator变换，得到加密后的水印图像g_i，i＝1,…,4，以此加强水印图像的鲁棒性和不可见性；在嵌入前计算四个水印图像的特征值Eig_g_i；

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i；将加密后的水印图像自适应地嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到g_ii；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW；

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i；

步骤4：水印图像的解密：首先对被提取的加密水印G_i进行Gyrator反变换，然后再Arnold逆变换得到解密水印图像F_i；

步骤5：鲁棒性测试：对嵌入水印的宿主图像进行各种攻击测试，通过计算均方值MSE、峰值信噪比PSNR、相关系数CC值，评价从嵌入水印后被攻击的宿主图像中提取的水印图像的不可见性以及鲁棒性。

步骤2、3更进一步地：

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，得到四个频带，即LL、LH、HL、HH；为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i＝w_i*Hg_i/Eig_g_i，w_i为用来调节的权重系数；将加密后的水印图像嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到融合后的图像g_ii，即g₁₁＝LLS+af₁*g₁，g₂₂＝LHS+af₂*g₂，g₃₃＝HLS+af₃*g₃，g₄₄＝HHS+af₄*g₄；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW；

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i，即

本发明的特点及有益效果是：

相比已提出的基于DWT-SVD的水印基本算法，本发明提供的自适应多彩色水印方法可以有效的平衡水印的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性间的矛盾关系，即保证水印图像不可见性的同时，可以有效提高系统对各种几何变换和图像处理攻击的鲁棒性，同时有效地平衡了多个水印同时嵌入时相互影响的制约关系。此外，由于本发明针对的是多彩色水印的嵌入与提取算法，在现阶段已有的灰度水印及二值水印算法的基础上有较大创新。

附图说明：

图1为水印加密嵌入和提取、解密的流程图，图中：

(a)为本发明提供的水印加密和嵌入部分原理示意图；

(b)为本发明提供的水印解密和提取部分原理示意图；

图2为四个彩色水印原图以及加密后的水印图像，图中：

(a)为彩色水印图像；

(b)为加密后的彩色水印图像；

图3为原始载体图像和嵌入四个彩色水印后的载体图像，图中：

(a)为原始载体图像；

(b)为嵌入水印后的载体图像；

图4为不同秘钥情况下从图3(b)中提取解密出来的水印图像，图中：

(a)为所有秘钥正确时从图3(b)中提取解密出来的水印图像；

(b)为秘钥错误时从图3(b)中提取解密出来的水印图像；

(c)为秘钥错误时从图3(b)中提取解密出来的水印图像；

(d)为秘钥错误时从图3(b)中提取解密出来的水印图像；

(e)为秘钥错误时从图3(b)中提取解密出来的水印图像；

图5为受到不同攻击的情况下的含水印图像的宿主图像，图中：

(a)为受高斯噪声攻击的含水印图像的宿主图像；

(b)为受剪切攻击的含水印图像的宿主图像；

(c)为受高斯低通滤波攻击的含水印图像的宿主图像；

(d)为受JPEG压缩攻击的含水印图像的宿主图像；

(e)为受椒盐噪声攻击的含水印图像的宿主图像；

(f)为受旋转攻击的含水印图像的宿主图像；

(g)为受高斯模糊攻击的含水印图像的宿主图像；

(h)为受图像变亮攻击的含水印图像的宿主图像；

(i)为受直方图均衡化攻击的含水印图像的宿主图像；

(j)为受增加对比度攻击的含水印图像的宿主图像；

图6为从图5中提取解密出来的水印图像，图中：

(a)为从图5(a)中提取出来的水印图像；

(b)为从图5(b)中提取出来的水印图像；

(c)为从图5(c)中提取出来的水印图像；

(d)为从图5(d)中提取出来的水印图像；

(e)为从图5(e)中提取出来的水印图像；

(f)为从图5(f)中提取出来的水印图像；

(g)为从图5(g)中提取出来的水印图像；

(h)为从图5(h)中提取出来的水印图像；

(i)为从图5(i)中提取出来的水印图像；

(j)为从图5(j)中提取出来的水印图像；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

DWT:离散小波变换；SVD:奇异值分解；f_i(i＝1,…,4)：四副彩色水印图像；g_i(i＝1,…,4)：加密后的四副彩色水印图像；Eig_g_i(i＝1,…,4)：四幅彩色水印图像的特征值；Arnold:阿诺德置乱方法；Gyrator:旋转变换；IH：待隐藏的原始图像；LH：载体图像的中频部分；S：奇异值矩阵；Hg_i(i＝1,…,4)：载体图像不同块的对比度函数；αf_i(i＝1,…,4)：最佳嵌入强度，通过Eig_g_i和Hg_i确定；g_ii(i＝1,…,4)：嵌入水印后的奇异值矩阵块；Ss：融合四副彩色水印的奇异值矩阵；LLH：融合水印的中频载体图像；IW：嵌入水印后的宿主图像；LHE：被攻击后的载体图像的中频部分；Sss：被攻击后的载体图像的奇异值矩阵；G_i(i＝1,…,4)：从被攻击的嵌入水印图像提取出的四副加密彩色水印图像；F_i(i＝1,…,4)：从被攻击的嵌入水印图像提取出的四幅彩色水印图像。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现自适应地同时嵌入多个彩色水印，平衡嵌入水印图像的不可见性及隐藏方法对各种几何攻击或图像处理攻击的鲁棒性。本发明采用的技术方案是，基于特征值与对比度函数EVD_HG和DWT_SVD的自适应多彩色水印图像算法，嵌入过程中，本发明加入了一种基于特征值和对比度函数自适应确定多个水印嵌入强度的技术。待隐藏的图像首先经由Arnold和Gyrator变换进行置乱加密；然后，对载体图像进行小波变换，选中频部分进行奇异值分解，将加密后的多个彩色水印嵌入到载体图像的奇异值部分；最后，将包含秘密图像的奇异值部分与特征向量结合再进行逆小波变换，就可得到包含秘密图像的载体图像。具体步骤细化如下：

步骤1：水印图像的置乱加密：首先，将四幅彩色水印图像f_i分别在各自的R、G、B三个通道进行Arnold置乱变换；然后对置乱后的各通道水印图像进行Gyrator变换，得到g_i(i＝1,…,4)，以此加强水印图像的鲁棒性和不可见性；在嵌入前计算四副水印图像的特征值Eig_g_i(i＝1,…,4)。

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i(i＝1,…,4)；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i(i＝1,…,4)；将加密后的水印图像自适应地嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到g_ii(i＝1,…,4)；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW。

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i(i＝1,…,4)。

步骤4：水印图像的解密：首先对被提取的加密水印G_i(i＝1,…,4)进行Gyrator反变换，然后再Arnold逆变换得到解密水印图像F_i(i＝1,…,4)。

步骤5：鲁棒性测试：对嵌入水印的宿主图像进行各种攻击测试，通过计算MSE、PSNR、CC值，评价从嵌入水印后被攻击的宿主图像中提取的水印图像的不可见性以及鲁棒性。

本发明提供了一种基于EVD-HG和DWT-SVD的自适应多彩色水印图像算法。水印加密及嵌入方法中，本发明加入了一种基于特征值和对比度函数自适应确定多个水印嵌入强度的技术。彩色水印图像首先经由Arnold和Gyrator变换进行置乱加密；然后，对载体图像进行小波变换，选中频部分进行奇异值分解，将加密后的多个彩色水印嵌入到载体图像的奇异值部分；最后，将包含秘密图像的奇异值部分与特征向量结合再进行逆小波变换，就可得到包含秘密图像的载体图像。该水印加密及隐藏方法可以很好的平衡秘密图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性。具体步骤如下：

步骤1：水印图像的置乱加密：首先，将四幅彩色水印图像f_i分别在各自的R、G、B三个通道进行Arnold置乱变换；然后对置乱后的各通道水印图像进行Gyrator变换，得到g_i(i＝1,…,4)，以此加强水印图像的鲁棒性和不可见性；在嵌入前计算四副水印图像的特征值Eig_g_i(i＝1,…,4)。

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，得到四个频带，即LL、LH、HL、HH；为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i(i＝1,…,4)；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i＝w_i*Hg_i/Eig_g_i(i＝1,…,4)，w_i为用来调节的权重系数；将加密后的水印图像嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到g_ii(i＝1,…,4)，即g₁₁＝LLS+af₁*g₁，g₂₂＝LHS+af₂*g₂，g₃₃＝HLS+af₃*g₃，g₄₄＝HHS+af₄*g₄；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW。

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i(i＝1,…,4)，即

步骤4：水印图像的解密：首先对被提取的加密水印G_i进行Gyrator反变换，然后再Arnold逆变换得到解密水印图像F_i。

步骤5：鲁棒性测试：对嵌入水印的宿主图像进行各种攻击测试，通过计算MSE、PSNR、CC值，评价从嵌入水印后被攻击的宿主图像中提取的水印图像的不可见性以及鲁棒性。

为了验证方法的有效性，给出实验结果。

图2(a)是四幅原始彩色水印图像(大小为128×128)，对它们进行加密后，得到的四幅加密图像如图2(a)所示。采用DWT_SVD的方法将四副彩色水印自适应地嵌入到宿主图像(如图3(a)所示)的中频部分，经过逆变换得到嵌入水印图像后的宿主图像(如图3(b)所示)。又图3(a)和3(b)可以看出，人的肉眼是不能区分嵌入水印前后的宿主图像之间的差别的。说明本发明对加密后的水印图像的隐藏是成功的。

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法从图3(b)中将加密图像提取出来，并采用相应的密钥对其进行解密处理。当所有密钥均正确时，解密出的图像如图4(a)所示。由图4(a)可以看出，当所有密钥均正确时，原始水印图像可以完全被还原。此外，当某一个密钥错误而其它密钥正确时无法解密，解密结果如图4(b)-4(e)所示。由此可见，本系统的安全性是可以得到保证的。

图5(a)-5(j)分别为受高斯噪声攻击、剪切攻击、高斯低通滤波攻击、JPEG压缩攻击、椒盐噪声攻击、旋转攻击、高斯模糊攻击、图像变亮攻击、直方图均衡化攻击、增加对比度攻击的包含水印图像的宿主图像。图6(a)-6(j)分别为从图5(a)-5(j)中提取并解密的图像。由图6(a)-6(j)可以看出，尽管载体图像受到各种各样的攻击，本发明实施例仍然能够提取并解密出一定质量的原始图像。因此，本系统对各种攻击的鲁棒性得到了验证，满足了实际应用中的多种需要。

尽管上面结合图示对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种EVD-HG和DWT-SVD自适应水印图像处理方法，其特征是，待隐藏的图像首先经由阿诺德Arnold和旋转器Gyrator变换进行置乱加密；然后，对载体图像进行小波变换，选中频部分进行奇异值分解，将加密后的多个彩色水印嵌入到载体图像的奇异值部分；最后，将包含秘密图像的奇异值部分与特征向量结合再进行逆小波变换，得到包含秘密图像的载体图像。

2.如权利要求1所述的EVD-HG和DWT-SVD自适应水印图像处理方法，其特征是，具体步骤细化如下：

步骤1：水印图像的置乱加密：首先，将四幅彩色水印图像f_i分别在各自的R、G、B三个通道进行Arnold置乱变换；然后对置乱后的各通道水印图像进行Gyrator变换，得到加密后的水印图像gi，i＝1,…,4，以此加强水印图像的鲁棒性和不可见性；在嵌入前计算四个水印图像的特征值Eig_g_i；

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i；将加密后的水印图像自适应地嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到g_ii；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW；

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i；

步骤4：水印图像的解密：首先对被提取的加密水印G_i进行Gyrator反变换，然后再Arnold逆变换得到解密水印图像F_i；

步骤5：鲁棒性测试：对嵌入水印的宿主图像进行各种攻击测试，通过计算均方值MSE、峰值信噪比PSNR、相关系数CC值，评价从嵌入水印后被攻击的宿主图像中提取的水印图像的不可见性以及鲁棒性。

3.如权利要求1所述的EVD-HG和DWT-SVD自适应水印图像处理方法，其特征是，步骤2、3更进一步地：

步骤2：水印的嵌入过程：首先将彩色宿主图像进行小波变换，得到四个频带，即LL、LH、HL、HH；为了兼顾水印的不可见性和鲁棒性，选取中频部分进行奇异值分解；计算经奇异值分解后的宿主图像不同嵌入位置的对比度函数Hg_i；通过Hg_i和Eig_g_i自适应地确定不同水印图像嵌入到不同位置时的最佳嵌入强度αf_i＝w_i*Hg_i/Eig_g_i，w_i为用来调节的权重系数；将加密后的水印图像嵌入到经奇异值分解后的宿主图像中，得到融合后的图像g_ii，即g₁₁＝LLS+af₁*g₁，g₂₂＝LHS+af₂*g₂，g₃₃＝HLS+af₃*g₃，g₄₄＝HHS+af₄*g₄；对融合水印后的奇异值Ss进行逆变换就可得到嵌入水印的宿主图像IW；

步骤3：水印的提取过程：首先将嵌入水印的图像进行小波分解，对中频部分进行奇异值分解，将得到的奇异值与之前的特征向量U1、V1结合得到含水印的奇异值Sss；从Sss中提取被加密的水印G_i，即