CN110097490A - 基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于IWT‑Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，在水印嵌入过程中，首先对载体图像进行小波分解，筛选得到各分量的感兴趣区域系数，接着使用Arnold变换加密水印，置乱后的水印进行整数小波变换得到一系列子带，最后利用矩阵Schur分解把水印各子带对应嵌入到载体图像各子带ROI中。与现有技术相比，本发明具有保证感兴趣区域的无损恢复、确保水印完整嵌入至整个感兴趣区域内，能够更好地与ROI编码特性相适应等优点。
Description
技术领域
本发明涉及计算机信息安全领域，尤其是涉及一种基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法。
背景技术
随着数字多媒体技术发展，JPEG2000压缩标准应运而生，性能更优越。JPEG2000标准应满足压缩图像的应用需求而出现，拥有JPEG压缩不可比拟的性能，它基于小波变换，其核心是最优截断的嵌入式块编码(embedded block coding with optimized truncation，EBCOT)，支持无损和有损压缩。JPEG2000支持感兴趣区域编码，即支持图像各部分的编码精度不等。另外，性能上还拥有很多优势：(1)ROI编码，JPEG2000支持同一图像中不同区域具有不同编码精度。(2)渐进传输，包含分辨率、质量、空间位置和分量四方面。(3)随机处理图像某区域，无需对全部码流都进行解码。(4)较好的容错性。由于拥有高效的压缩性能与优秀特性，JPEG2000应用领域逐渐拓展。
感兴趣区域图像水印技术的基本要求是提取出水印后的感兴趣区域数据必须无损恢复。其中大部分算法是通过改变小波系数来嵌入水印，例如在ROI背景区域(region ofbackground，ROB)以两种方式添加水印序列，最后以均值的形式提取水印信息，然而，此方法的嵌入位置选在了最优截断嵌入式块编码模块，水印模块很容易影响到JPEG2000正常编解码过程，且嵌入代价较大。此外，现有技术还包括将患者的健康记录等数据作为水印嵌入到感兴趣区域中，此方案能够准确地检测和定位ROI内的篡改区域，并完全恢复出原始的ROI，但这种方法只是针对医学图像，并不适用于JPEG2000图像。利用Harris-Laplace算子检测特征点并构造、筛选感兴趣区域的算法是近年来常的算法之一，其采用基于点扩散的块截断编码技术提取ROI特征，ROI特征和水印合并生成密钥，实现零水印，虽然该方法可有效保护图像ROI数据且鲁棒性提升，但是该方法受裁切处理影响较大，限制了其应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，包括水印嵌入方法和水印提取方法。
水印嵌入方法具体包括下列步骤：
(1)利用Arnold算法对待嵌入的水印W置乱m次，得到预处理后的水印W′；对预处理后的水印W'进行一级整数小波变换，得到LL，HL，LH，HH四个小波子带，再对低频小波子带LL进行二级整数小波变换，得到LL2、LH2、HL2、HH2、LH1、HL1、HH1七个子带。
(2)在原始载体图像中选取圆形ROI，并截取圆形ROI里面的内接正方形，将其作为载体图像。
(3)对载体图像进行两级离散小波变换，获取载体图像的七个子带后，筛选载体图像小波变换后各子带的ROI系数，并将水印图像的七个子带对应嵌入到载体图像的七个子带的ROI中。
(4)对载体图像的子带进行分块，分别做Schur分解，获取载体图像上三角矩阵，寻找每个载体图像上三角矩阵的最大值元素，将水印嵌入其中，生成含水印图像；
对载体图像的子带进行h×h分块，对各分开分别做Schur分解：
UHAU＝T
其中，矩阵A∈Cn×n，即存在n阶上三角矩阵T和n阶酉矩阵U，使得UHAU＝T成立；
获取载体图像上三角矩阵T，寻找每个T的最大值元素Tmax及其坐标(i，j)，按照下式将水印嵌入至最大值元素Tmax中：
其中，q表示水印嵌入强度，α是水印嵌入系数，mod(Tmax，q)为水印数据，w为水印数据对应的水印比特；
将Tmax放回载体图像上三角矩阵T进行重构，生成含水印图像。
水印提取方法包括下列步骤：
(1)将嵌入水印后的图像进行两级离散小波变换，获取图像的子带后，筛选各子带的ROI系数，并对各子带进行分块；
(2)将每个分块进行Schur分解，获取嵌入水印图像上三角矩阵，根据步骤a4)获取的最大值元素寻找嵌入水印图像上三角矩阵中具有相同坐标的元素，提取各子带的水印数据；
2.1)对每个h×h分块进行Schur分解UHAU＝T1，得到水印图像上三角矩阵T1；
2.2)根据水印嵌入过程中的最大值元素Tmax的坐标(i，j)找到水印图像上三角矩阵T1中坐标为(i，j)的元素T1(i，j)；
2.3)结合水印嵌入强度q，水印嵌入系数α，按照下式提取各子带的水印数据mod(T1(i，j),q)：
为实现可逆水印，利用最近匹配量化规则，将原图像与含水印图像的量化系数处于同一量化区间。水印提取时则根据落点所在的最近区间，决定水印w的值。若水印数据位于在区间集合内，则含水印数据对应着水印比特0；若水印数据位于在区间集合外，则含水印数据对应着水印比特1，从而使重构图像没有数据丢失。
(3)对提取的水印数据进行整数小波逆变换，依据Arnold置乱次数解密，重构出完整水印。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明方法在水印嵌入过程中利用整数小波变换分解水印图像，整数小波变换是完全可逆的，可保证感兴趣区域的无损恢复；
二、本发明方法通过将水印各子带对应嵌入到载体图像各子带的嵌入方式，确保了水印完整嵌入至整个感兴趣区域内，能够更好地与ROI编码特性相适应；
三、本发明在水印嵌入过程中利用整数小波变换IWT与矩阵分解Schur的嵌入方式，使得含水印图像视觉质量良好，算法实现容易；
四、本发明在水印嵌入过程中在对原始载体图像进行离散小波变换前采用圆形ROI里选取矩形区域的方式，可以抵抗旋转攻击，可减小水印模块对JPEG2000正常编解的影响，提高对JPEG2000图像的适用性。
附图说明
图1为本发明方法中的水印嵌入过程的流程示意图；
图2为本发明方法中的水印信息提取过程的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，如图1所示，水印嵌入流程包括下列步骤：
步骤一、利用Arnold算法对水印W进行置乱预处理：原始水印W使用Arnold置乱，得到预处理后的水印W′。二维Arnold变换可写为：
其中，(x，y)为水印原图像素点位置数据，(x′，y′)为置乱后水印图像像素点位置数据，N为图像矩阵的阶数。
步骤二、将预处理后的水印W′先做一级整数小波变换(IWT，Integer WaveletTransform)，得到LL，HL，LH，HH四个部分，再对LL做二级IWT，得到LL2、LH2、HL2、HH2、LH1、HL1、HH1七个子带。
步骤三、从原始载体图像I中手动选取半径为r(r的选取应小于载体图像宽和高)的圆形ROI，记作Ir，截取Ir里面的最大内接正方形Is作为载体图像。
步骤四、对载体图像Is进行两级离散小波变换(DWT，Discrete WaveletTransformation)后，筛选出载体图像小波变换各子带的ROI系数，经过离散小波变换后的系数以子带的形式存在，最后利用矩阵Schur分解把水印各子带对应嵌入到载体图像各子带ROI中。
步骤五、嵌入水印：将水印图像的LL2、LH2、HL2、HH2、LH1、HLl、HH1七个子带对应嵌入到载体图像LLs2、LHs2、HLs2、HHs2、LHs1、HLs1、HHs1子带的感兴趣区域中。
步骤六、对选定的载体图像子带h×h分块，分别做Schur分解UHAU＝T，得到载体图像上三角矩阵T，找到每个T的最大值元素Tmax及其坐标(i，j)。按照下式将水印嵌入至最大值元素Tmax中：
其中，q表示水印嵌入强度，α是水印嵌入系数。Tmax放回矩阵T做重构，生成含水印图像。w为水印数据对应的水印比特值。
水印提取过程的流程图如图2所示，包括步骤：
步骤一、将含水印图像做两级DWT后，筛选出ROI系数做h×h分块。
步骤二、类似于嵌入算法，每个h×h分块进行Schur分解UHAU＝T1，得到水印图像上三角矩阵T1。
步骤三、提取水印：根据嵌入算法中的最大值元素Tmax的坐标(i，j)找到水印图像上三角矩阵T1中坐标为(i，j)的元素T1(i，j)，结合水印嵌入强度q，水印嵌入系数α，按照下式提取出各子带水印数据：
为实现可逆水印，利用最近匹配量化规则，将原图像与含水印图像的量化系数处于同一量化区间。水印提取时则根据落点所在的最近区间，决定水印w的值。若水印数据位于在区间集合内，则含水印数据对应着水印比特0；若水印数据位于在区间集合外，则含水印数据对应着水印比特1，从而使重构图像没有数据丢失。
步骤四、提取到的水印信息做整数小波逆变换。
步骤五、将上一步得到的水印，依据Arnold置乱次数解密，重构出完整水印。
本发明采用将水印各子带对应嵌入到载体图像各子带的嵌入方式，确保了水印完整嵌入至整个感兴趣区域内，可更好地适应ROI编码特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，包括水印嵌入方法和水印提取方法，其特征在于，所述的水印嵌入方法具体包括下列步骤：
a1)利用Arnold算法对待嵌入的水印进行置乱预处理，并对预处理后的水印进行整数小波变换，获取水印图像的七个子带；
a2)在原始载体图像中选取圆形ROI，并截取圆形ROI里面的内接正方形，将其作为载体图像；
a3)对载体图像进行两级离散小波变换，获取载体图像的七个子带后，筛选载体图像小波变换后各子带的ROI系数，并将水印图像的七个子带对应嵌入到载体图像的七个子带的ROI中；
a4)对载体图像的子带进行分块，分别做Schur分解，获取载体图像上三角矩阵，寻找每个载体图像上三角矩阵的最大值元素，将水印嵌入其中，生成含水印图像；
所述的水印提取方法包括下列步骤：
b1)将嵌入水印后的图像进行两级离散小波变换，获取图像的子带后，筛选各子带的ROI系数，并对各子带进行分块；
b2)将每个分块进行Schur分解，获取嵌入水印图像上三角矩阵，根据步骤a4)获取的最大值元素寻找嵌入水印图像上三角矩阵中具有相同坐标的元素，提取各子带的水印数据；
b3)对提取的水印数据进行整数小波逆变换，依据Arnold置乱次数解密，重构出完整水印。
2.根据权利要求1所述的基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，其特征在于，步骤a1)的具体内容为：
利用Arnold算法对待嵌入的水印W置乱m次，得到预处理后的水印W′；对预处理后的水印W'进行一级整数小波变换，得到LL，HL，LH，HH四个小波子带，再对低频小波子带LL进行二级整数小波变换，得到LL2、LH2、HL2、HH2、LH1、HL1、HH1七个子带。
3.根据权利要求1所述的基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，其特征在于，步骤a4)的具体内容为：
对载体图像的子带进行h×h分块，对各分开分别做Schur分解：
UHAU＝T
其中，矩阵A∈Cn×n，即存在n阶上三角矩阵T和n阶酉矩阵U，使得UHAU＝T成立；
获取载体图像上三角矩阵T，寻找每个T的最大值元素Tmax及其坐标(i，j)，按照下式将水印嵌入至最大值元素Tmax中：
其中，q表示水印嵌入强度，α是水印嵌入系数，mod(Tmax，q)为水印数据，w为水印数据对应的水印比特；
将Tmax放回载体图像上三角矩阵T进行重构，生成含水印图像。
4.根据权利要求3所述的基于IWT-Schur的感兴趣区域可逆水印嵌入及提取方法，其特征在于，步骤b2)具体包括以下步骤：
1)对每个h×h分块进行Schur分解UHAU＝T1，得到水印图像上三角矩阵T1；
2)根据水印嵌入过程中的最大值元素Tmax的坐标(i，j)找到水印图像上三角矩阵T1中坐标为(i，j)的元素T1(i，j)；
3)利用最近匹配量化规则，将原图像与含水印图像的量化系数处于同一量化区间，水印提取时，根据落点所在的最近区间，决定水印数据对应的水印比特w的值，结合水印嵌入强度q，水印嵌入系数α，按照下式提取各子带的水印数据mod(T1(i，j),q)：
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