CN109903215A - 基于模运算的小波系数调整水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模运算的小波系数调整水印方法，将小波和SVD相结合，首先根据载体图像携带信息的不同特征，选择像素点动态范围变化较小的平滑区进行二级小波变换，将对应小波系数进行奇异值分解，并针对常规SVD对图像系数改动较大，导致图像鲁棒性不够好的问题，利用模运算减小其系数的改变幅度，实现水印的嵌入。该方法提高了图像的质量与水印的鲁棒性，并对于一般的信号处理和几何攻击有很强的鲁棒性，尤其是抗旋转攻击方面效果突出。

Description

基于模运算的小波系数调整水印方法

技术领域

本发明涉及一种数字信息处理技术，特别涉及一种基于模运算的小波系数调整水印方法。

背景技术

随着因特网走入千家万户，数字信息的传播更加便捷、高效。我们接触的几乎所有事物都转型为数字化，如纸质媒体到数字媒体的转化，在转型的过程中无不充斥着版权制度与传播技术的互动关系。然而，由于数字媒体容易复制、传播便捷的特点，侵犯版权等行为更难以防范。为此，在向无纸化、无胶片化转型的大背景下，数字水印技术作为一种数据保护和版权认证的方法应运而生，并逐渐发展成为现今信息领域的一个研究热点。在水印技术中，由于小波变换多分辨率、分解特性与人类视觉系统相符合、与常用国际压缩标准兼容等特性，使得小波域的水印技术得到广受关注。

基于小波域的数字水印虽然可以增强图像的鲁棒性，但其在缩放、旋转等攻击下效果一般，不能很好的恢复水印图像。许多学者在此基础上引入了奇异值分解(SVD)来增强水印算法的鲁棒性。一些文献利用SVD稳定性，缩放不变性等特性，将其应用于图像增强的领域内，取得了不错的效果。王祖喜等利用数字全息技术和奇异值分解，首先将水印进行处理后，将处理后的图像作为水印嵌入到小波的低频子带中，虽然鲁棒性得到了增强，但其不可见性受到影响。

发明内容

本发明是针对现有数字水印加密方法导致图像质量受影响的的问题，提出了一种基于模运算的小波系数调整水印方法，将小波和SVD相结合，首先根据载体图像携带信息的不同特征，选择像素点动态范围变化较小的平滑区进行二级小波变换，将对应小波系数进行奇异值分解，并针对常规SVD对图像系数改动较大，导致图像鲁棒性不够好的问题，利用模运算减小其系数的改变幅度，实现水印的嵌入。该方法提高了图像的质量与水印的鲁棒性，并对于一般的信号处理和几何攻击有很强的鲁棒性，尤其是抗旋转攻击方面效果突出。

本发明的技术方案为：一种基于模运算的小波系数调整水印方法，具体包括如下步骤：

1)水印预处理：利用预处理公式对载体图像产生的二进制序列W与密钥产生的二进制序列K进行一对一循环取模加密得到加密后的水印序列M，再将M转化成加密后的水印图像；

W＝w₁w₂w₃...w_n，其中n为W的长度；

K＝k₁k₂k₃,...k_m，其中m为K的长度；

M＝(m₁,m₂,...m_i...,m_l)，其中l＝max{m,n}；

预处理公式如下：

其中w_i为二进制序列W中第i个数据；k_i为二进制序列K中第i个数据；m_i为加密后的水印序列中第i个数据；l为加密后的水印序列中数据个数；

2)将载体图像分成互不重叠的大小为a×a的图像块B⁽¹⁾,B⁽²⁾,…B^(k)，其中k为图像块的个数,利用下式计算各个图像块平均差值D_i，选出相应的平滑块进行水印的嵌入；

其中为B⁽ⁱ⁾块中的第j个像素，为B⁽ⁱ⁾块中像素值最小的像素，D_i为B⁽ⁱ⁾块的平均差值，若对于B⁽ⁱ⁾块，下式成立，则把其标记为复杂块，否则把其标记为平滑块；

其中T为预设阈值，满足t₁≥1，t₂≤5；为B⁽ⁱ⁾块中像素值最大的像素；

3)将步骤2)中所选平滑块进行二级提升小波变换，提取中频子带LH2，并将其进行奇异值分解，得到对应的奇异值S；

4)按照加密后的水印序列，对步骤3)得到的奇异值矩阵S进行修改，得到嵌入水印后的奇异值矩阵S'；

修改法则如下：

当嵌入的水印像素值为0时：

当嵌入的水印像素值为1时：

式中β≥4，mod(S_i,β)为奇异值S_i对误差范围β的模；

5)对修改后的奇异值矩阵S'进行逆SVD变化得到嵌入水印后的小波系数LH2'子带，再将LH2'子带进行二级小波逆变换得到最终含水印的图像。

本发明的有益效果在于：本发明基于模运算的小波系数调整水印方法，打破在整幅图像上嵌入水印的局限，根据图像的细节特征的多少对图像进行分块，选取细节特征较少相关性较强的平滑块来嵌入水印，提高了图像的质量；本发明利用奇异值分解稳定性强，有伸缩和旋转等特点嵌入水印，并针对常规算法奇异值修改较大的问题，用模运算对其进行改进，减小了嵌入水印对原始载体图像的扰乱，提高了水印算法的鲁棒性；实验结果显示，图像的质量较好，水印算法能保持较强的鲁棒性，并综合平衡了水印的各项主要指标，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明方法水印嵌入与提取流程图。

具体实施方式

本发明结合奇异值分解(SVD)及模运算等方法，提出一种改进的SVD小波域图像水印算法。首先根据载体图像携带信息的不同特征，选择像素点动态范围变化较小的平滑区进行二级小波变换。由于奇异值的稳定性、伸缩不变性，旋转不变性等特点，可以弥补小波域水印算法的不足，取二级小波变换的中频子带的小波系数进行奇异值分解，并利用模运算的方法来对奇异值进行修改，实现水印的嵌入，并减小了水印对原图像的扰动。

本发明提出的水印的嵌入及提取方法的流程图如图1所示，具体步骤如下：

1、水印嵌入方法

1)水印预处理：利用下式对原水印图像(载体图像)产生的二进制序列W与密钥产生的二进制序列K进行一对一循环取模加密得到加密后的水印序列M，再将M转化成加密后的水印图像，使水印具有不可预知性与随机性。

W＝w₁w₂w₃...w_n，其中n为W的长度；

K＝k₁k₂k₃,...k_m，其中m为K的长度；

M＝(m₁,m₂,...m_i...,m_l)，其中l＝max{m,n}；

预处理公式如下：

其中w_i为二进制序列W中第i个数据；k_i为二进制序列K中第i个数据；m_i为加密后的水印序列中第i个数据；l为加密后的水印序列中数据个数。

2)将原水印图像(载体图像)划分成互不重叠的大小为a×a的图像块B⁽¹⁾,B⁽²⁾,…B^(k)，其中k为图像块的个数,利用下式计算各个图像块平均差值D_i，选出相应的平滑块进行水印的嵌入。

其中为B⁽ⁱ⁾块中的第j个像素，为B⁽ⁱ⁾块中像素值最小的像素，D_i为B⁽ⁱ⁾块的平均差值，若对于B⁽ⁱ⁾块，下式成立，则把其标记为复杂块，否则把其标记为平滑块。

其中T为预设阈值，满足t₁≥1，t₂≤5，本文中T取32。为B⁽ⁱ⁾块中像素值最大的像素。

此步为了选取细节特征较少相关性较强的平滑块作为水印嵌入的区域。

3)将步骤2)中所选平滑块进行二级提升小波变换，提取中频子带LH2，并将其进行奇异值分解，得到对应的奇异值S。

A＝U*S*V^T

其中A为小波系数矩阵；U为左奇异矩阵；S为奇异矩阵；V为右奇异矩阵；T为矩阵转置符号。

4)按照加密后的水印序列，对步骤3)得到的奇异值矩阵S进行修改，得到嵌入水印后的奇异值矩阵S'。修改法则如下：

当嵌入的水印像素值为0时：

当嵌入的水印像素值为1时：

式中β≥4，mod(S_i,β)为奇异值S_i对误差范围β的模，本文中β值为8。

5)对修改后的奇异值矩阵S'进行逆SVD变化得到嵌入水印后的小波系数LH2'子带，再将LH2'子带进行二级小波逆变换得到含水印的图像。

2、水印提取方法

(1)对含水印载体图像进行分块并进行二级整数小波分解，提取小波系数的LH2'子带。

(2)将LH2'子带的小波系数进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S'_new。

(3)利用下式提取水印：

其中w'_i1为提取出的水印序列,S'_new为步骤(2)得到的奇异值矩阵。

(4)按照一对一循环加密的方法，直接将密钥序列K与所提取出来的水印序列w'_i1再次进行异或操作，可提取出加密前的水印数据。

Claims (1)

1.一种基于模运算的小波系数调整水印方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)水印预处理：利用预处理公式对载体图像产生的二进制序列W与密钥产生的二进制序列K进行一对一循环取模加密得到加密后的水印序列M，再将M转化成加密后的水印图像；

W＝w₁w₂w₃...w_n，其中n为W的长度；

K＝k₁k₂k₃,...k_m，其中m为K的长度；

M＝(m₁,m₂,...m_i...,m_l)，其中l＝max{m,n}；

预处理公式如下：

其中w_i为二进制序列W中第i个数据；k_i为二进制序列K中第i个数据；m_i为加密后的水印序列中第i个数据；l为加密后的水印序列中数据个数；

2)将载体图像分成互不重叠的大小为a×a的图像块B⁽¹⁾,B⁽²⁾,…B^(k)，其中k为图像块的个数,利用下式计算各个图像块平均差值D_i，选出相应的平滑块进行水印的嵌入；

其中为B⁽ⁱ⁾块中的第j个像素，为B⁽ⁱ⁾块中像素值最小的像素，D_i为B⁽ⁱ⁾块的平均差值，若对于B⁽ⁱ⁾块，下式成立，则把其标记为复杂块，否则把其标记为平滑块；

其中T为预设阈值，满足 为B⁽ⁱ⁾块中像素值最大的像素；

3)将步骤2)中所选平滑块进行二级提升小波变换，提取中频子带LH2，并将其进行奇异值分解，得到对应的奇异值S；

4)按照加密后的水印序列，对步骤3)得到的奇异值矩阵S进行修改，得到嵌入水印后的奇异值矩阵S'；

修改法则如下：

当嵌入的水印像素值为0时：

当嵌入的水印像素值为1时：

式中β≥4，mod(S_i,β)为奇异值S_i对误差范围β的模；

5)对修改后的奇异值矩阵S'进行逆SVD变化得到嵌入水印后的小波系数LH2'子带，再将LH2'子带进行二级小波逆变换得到最终含水印的图像。