CN110189241B - 一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法 - Google Patents
一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,对图像应用该方法后,可以使得其携带秘密信息(如图像的版权所有人,商标防伪信息等),且在打印后,并使用智能手机等便携设备对其进行拍摄后,可有效抵抗打印以及拍摄过程中由于A/D、D/A过程引起的失真噪声,且对于图像三维空间变形具有一定的鲁棒性。该方法可以有效地应用在各类内容简单的商标图像中,且该方法可结合防伪编码,防止不法分子对商标的伪造,这是普通数字水印算法所不具备的。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,具体涉及一种抗打印拍摄过程噪声的图像水印方法;涉及载体媒介处理技术领域。
背景技术
数字水印技术是一种常用的将信息隐藏到载体媒介中的方法,并且在隐藏后不影响原载体的使用价值,也不容易被人觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息,可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印的各类应用给人们生活方方面面带来了便利,几乎所有类型的智能手机中,都安装有微型照相机,通过手机上简单的操作,就可以拍下精彩的瞬间,或是扫描二维码,快速获取网页地址等额外信息,在手机应用中使用。
如今,随着各行各业的版权意识的提高以及互联网应用的普及,如何在移动终端,方便快速地对产品进行防伪验证,受到各行企业越来越多的关注。当前,二维码防伪技术已经相当成熟,但是使用二维码进行防伪,会严重影响产品的外观。因此,一个安全合理的解决方案是在产品的商标上对防伪信息进行隐秘嵌入,用户使用手机终端对该商标图像进行拍照后,经由手机应用验证产品的真实性。基于这种应用场景和需求,近几年来,抗打印噪声的数字水印技术得到了广泛的研究,但目前大多技术对一般图像的加密方式,都有着明显可见的底纹。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提出一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,以实现在商标图像上隐藏防伪水印的问题。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,包括如下步骤:
(1)根据载体图像Im,对其进行预处理,将像素变化较大的文字部分去除,再进行二值化生成map图像,生成方式为非0部分置255;
(2)根据预先设定的块大小,边长记为k,以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该位置可以嵌入,统计以上过程中产生的可嵌入块区域,得到可嵌入总量Emb_Num;
(3)根据步骤(2)中得到的Emb_Num,选取适当大小的二值水印图像ImW,其大小需要满足m*n<Emb_Num;
(4)对版权水印进行二值化处理:将步骤(3)中选取的水印图像,进行编码,成为m行n列的二进制比特矩阵W=[X1,X2,X3...Xn],其中0<i<n,Xi表示维度为m的列向量,Xi=[x1i,x2i,x3i...xmi]T;
(5)将步骤(4)中的W矩阵按列为单位,进行纠错编码,即Xi=[x1i,x2i,x3i...,xni]T经过纠错码后变为Xi′=[x1i,x2i,x3i...xli]T,其中l为纠错编码的内容位数,步骤(4)中的m为纠错编码的信息位数,编码完成后生成新的二进制比特矩阵Wcoded=[Xi],其中0<i<n;
(6)将步骤(5)中的Wcoded矩阵根据密钥mk进行错位置乱;
(7)对步骤(6)中的加密后的矩阵,按行先将其变为二进制比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n};
(8)根据步骤(1)的载体图像Im,将其转换到YCbCr色域并提取其Y分量;
(9)对载体图像的Y色域分量进行嵌入:根据步骤(8)的载体图像的Y色域分量Im_Y以及生成的map图像和步骤(7)中加密后的比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n},对载体图像进行嵌入;按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该块的位置可以嵌入,该位置映射到载体图像相应位置,对载体图像的Y分量相应位置区域像素值进行调整,设定嵌入强度V,根据需要嵌入的比特流每一位,如嵌入的bi=1,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值-V;如嵌入的bi=0,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值+V,经过像素调整嵌入后得到的载体图像的Y色域分量为Im_Ye;
(10)重建图像:根据步骤(9)得到的载体图像嵌入后的Y色域Im-Ye,以及步骤(8)中的CbCr分量,重建图像,得到嵌入水印后的图像Ime;
(11)将步骤(10)生成的图像经过打印机打印,并经由鉴定者的手机摄像头拍摄后得到图像Imc,然后,手机通过提取算法对拍摄的图像进行提取;
(12)对步骤(11)中拍摄得到的图像Imc,进行透视变换矫正,得到图像Im′c;
(13)根据步骤(12)得到的矫正后的图像Im′c,提取其YCbCr色域的Y分量Im-Y′c,按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,其对应位置即为提取的Y分量Im_Y′c含有信息的块的位置,计算每块含有信息位置的块的像素均值,令集合包含所有均值信息,计算判断阈值
(15)对于步骤(14)中提取的信息序列,将其以l个元素为一列重新排列,得到提取的信息矩阵W′=[X′1,X′2,X′3,X′4,X′5....X′n],其中0<i<n,Xi表示维度为l的列向量,X′i=[x1i,x2i,x3i…xl*i]T;
(16)对步骤(15)中提取的信息矩阵W′=[X′1,X′2,X′3,X′4,X′5...X′n]的每一列进行纠错解码,即对于每个X′i=[x1i,x2i,x3i...xl*i]T进行解码,得到解码后的矩阵W′d,将其转换为可视化的像素值,即可得到水印图像Imw。
优选地,在步骤(5)中,令m=11,l=15,对二进制水印矩阵图进行15-11循环编码。
更优选地,在步骤(6)中,使用密钥对水印信息进行置乱加密,置乱步骤如下:如令mk=3,则对每一列循环移动3位。
再优选地,在步骤(8)中,转换公式如下:
Y′=16+(65.481·R′+128.553·G′+24.966·B′)
CB=128+(-37.797·R′-74.203·G′+112.0·B′)
CR=128+(112.0·R′-93.786·G′-18.214·B′)。
进一步优选地,在步骤(12)中,矫正方法为:选取拍摄后的图像边框顶点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),以及原始图像尺寸信息得到的目标投射点(x′1,y′1),(x′2,y′2),(x′3,y′3),(x′4,y′4),根据公式:
计算得到变换矩阵,再根据公式:
计算得到其余点的对应位置,并进行填充,得到图像Im′c,通过该步骤矫正由于拍摄角度引起的图像变形。
更进一步优选地,在步骤(14)中,对每块的均值进行判断提取,提取方法为:
本发明的有益之处在于:
(1)本发明通过对载体图像进行分析,确定具体的嵌入区域后,对区域进行分块,调整区域分块的平均像素值大小,达到嵌入水印图像的目的,同时为了增强鲁棒性,在嵌入过程中使用循环纠错码以及提取过程中加入透视变换的预处理,使得图像携带的水印信息,经过提取后不受外界环境的光照、拍摄角度和拍摄距离所影响,可以准确无误地获得;
(2)对图像应用本发明的方法后,可以使得其携带秘密信息(如图像的版权所有人,商标防伪信息等),且在打印后,并使用智能手机等便携设备对其进行拍摄后,可有效抵抗打印以及拍摄过程中,由于A/D、D/A过程引起的失真噪声,且对于图像三维空间变形具有一定的鲁棒性;
(3)该方法可以有效地应用在各类内容简单的商标图像中,且该方法可结合防伪编码,防止不法分子对商标的伪造,这是普通数字水印算法所不具备的。
附图说明
图1是本发明的抗打印噪声图像水印方法的整体流程图;
图2是水印原图;
图3是将水印图像转化为二进制化的水印图像;
图4是载体图像的原图;
图5是强度为20的加密图;
图6是map图像;
图7是打印拍摄后的图像;
图8是仿射变换矫正后的图像;
图9是提取后的水印图像。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示抗打印噪声图像水印方法的流程图中,存在两个实体:所有者及鉴定者。版权所有者使用本发明中的水印嵌入方法(步骤(1)~步骤(10)):
(1)根据载体图像Im,对其进行预处理,将像素变化较大的文字部分去除,再进行二值化生成map图像,生成方式为非0部分置255,即对于图像的每一个像素Im(x,y):
(2)根据预先设定的块大小(此处设边长为k),以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该位置可以嵌入。如设图像像素矩阵如表1所示,且k=7时:浅灰色块区域则为可嵌入块,深灰色块为不可嵌入块。统计以上过程中产生的可嵌入块区域,得到可嵌入总量Emb_Num。
表1步骤(2)示例
(3)根据步骤(2)中得到的Emb_Num,选取适当大小的二值水印图像ImW,其大小需要满足m*n<Emb_Num。
(4)对版权水印进行二值化处理:将步骤(3)中选取的水印图像,进行编码,成为m行n列的二进制比特矩阵W=[X1,X2,X3...Xn],其中0<i<n,Xi表示维度为m的列向量,Xi=[x1i,x2i,x3i...xmi]T,例如图2所示图像,我们将其转化为图3所示的二进制矩阵W:
(5)将步骤(4)中的W矩阵按列为单位,进行纠错编码,即Xi=[x1i,x2i,x3i...xni]T经过纠错码后变为Xi′=[x1i,x2i,x3i...xli]T,其中l为纠错编码的内容位数,步骤(4)中的m为纠错编码的信息位数。编码完成后生成新的二进制比特矩阵Wcoded=[Xi],其中0<i<n。具体到本实施例中,我们令m=11,l=15,对图3的二进制水印矩阵图进行15-11循环编码,编码结果如下表2所示:
0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表2进行15-11循环码编码后的矩阵
(6)使用密钥对水印信息进行置乱加密:将步骤(5)中的Wcoded矩阵根据密钥mk进行错位置乱,置乱步骤如下:如令mk=3,则对表2每一列循环移动3位,例如第二列{0 0 1 0 00 1 1 1 1 1 1 0 0 0},经过移动后变为{0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1};
(7)对步骤(6)中的加密后的矩阵,按行先将其变为二进制比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n};
(8)根据步骤(1)的载体图像Im,将其转换到YCbCr色域并提取其Y分量,转换公式如下:
Y′=16+(65.481·R′+128.553·G′+24.966·B′)
CB=128+(-37.797·R′-74.203·G′+112.0·B′)
CR=128+(112.0·R′-93.786·G′-18.214·B′);
(9)对载体图像的Y色域分量进行嵌入:根据步骤(8)的载体图像的Y色域分量Im_Y以及生成的map图像和步骤(7)中加密后的比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n},对载体图像进行嵌入。按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该块的位置可以嵌入,该位置映射到载体图像相应位置,对载体图像的Y分量相应位置区域像素值进行调整,设定嵌入强度V,根据需要嵌入的比特流每一位,如嵌入的bi=1,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值-V。如嵌入的bi=0,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值+V,经过像素调整嵌入后得到的载体图像的Y色域分量为Im_Ye。
(10)重建图像:根据步骤(9)得到的载体图像嵌入后的Y色域Im_Ye,以及步骤(8)中的CbCr分量,重建图像,得到嵌入水印后的图像Ime。
(11)将步骤(10)生成的图像经过打印机打印,并经由鉴定者(用户)的手机摄像头拍摄后得到图像Imc,然后,手机通过提取算法对拍摄的图像进行提取,参见如下步骤(12)~(16):
(12)对步骤(11)中拍摄得到的图像Imc,进行透视变换矫正:
●选取拍摄后的图像边框顶点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),以及原始图像尺寸信息得到的目标投射点(x′1,y′1),(x′2,y′2 ),(x′3,y′3 ),(x′4,y′4),根据公式:
计算得到变换矩阵,再根据公式:
计算得到其余点的对应位置,并进行填充,得到图像Im′c,通过该步骤矫正由于拍摄角度引起的图像变形。
(13)通过事先存入手机中的原载体图像的map图像,对拍摄到的图像中的分块进行定位并计算块均值:根据步骤(12)得到的矫正后的图像Im′c,提取其YCbCr色域的Y分量Im_Y′c,按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,其对应位置即为提取的Y分量Im_Y′c含有信息的块的位置,计算每块含有信息位置的块的像素均值,令集合包含所有均值信息,计算判断阈值
得到信息序列Sd={b′1,b′2,...,b′9,b′10,...,b′l*n}。
(15)对于步骤(14)中提取的信息序列,将其以l个元素为一列重新排列,得到提取的信息矩阵W′=[X′1,X′2,X′3,X′4,X′5…X′n],其中0<i<n,Xi表示维度为l的列向量,X′i=[x1i,x2i,x3i...xl*i]T。
(16)对步骤(15)中提取的信息矩阵W′=[X′2,X′2,X′3,X′4,X′5…X′n]的每一列进行纠错解码,即对于每个X′i=[x1i,x2i,x3i...xl*i]T进行解码,得到解码后的矩阵W′d,将其转换为可视化的像素值,即可得到水印图像ImW。
综上,本发明的水印嵌入方法,首先对载体图像进行预处理,建立map图像,以获得载体图像分块的定位信息,然后对版权水印进行二值化处理(步骤4),经过15-11循环码编码,并使用密钥对水印信息进行置乱加密,确保了水印信息在打印拍摄过程中对外界噪声的鲁棒性和自身的安全性。接着,对载体图像的Y色域分量进行嵌入,最后重建图像,得到嵌入后的水印图像。嵌入后的图像经过打印后,由鉴定者(用户)使用手机对其进行拍摄,手机通过提取算法对拍摄的图像进行提取,首先对拍摄到的图像进行透视变换,矫正由于拍摄角度引起的图像变形,通过事先存入手机中的原载体图像的map图像,对拍摄到的图像中的分块进行定位并计算块均值,根据块均值计算出信息提取的阈值,接着通过比较阈值与各个分块的值之间的关系,提取信息,最后对提取的信息根据密钥以及15-11循环码解码得到二值化的水印图像。
如图2至图9所示,使用本方法嵌入水印图像后,可以正确提取信息水印。经验证,该算法可以有效地应用在各类内容简单的商标图像中,且该方法可结合防伪编码,防止不法分子对商标的伪造,这是普通数字水印算法所不具备的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)根据载体图像Im,对其进行预处理,将像素变化较大的文字部分去除,再进行二值化生成map图像,生成方式为非0部分置255;
(2)根据预先设定的块大小,边长记为k,以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该位置可以嵌入,统计以上过程中产生的可嵌入块区域,得到可嵌入总量Emb_Num;
(3)根据步骤(2)中得到的Emb_Num,选取适当大小的二值水印图像ImW,其大小需要满足m*n<Emb_Num;
(4)对版权水印进行二值化处理:将步骤(3)中选取的水印图像,进行编码,成为m行n列的二进制比特矩阵W=[X1,X2,X3...Xn],其中0<i<n,Xi表示维度为m的列向量,Xi=[x1i,x2i,x3i...xmi]T;
(5)将步骤(4)中的W矩阵按列为单位,进行纠错编码,即Xi=[x1i,x2i,x3i...xni]T经过纠错码后变为Xi′=[x1i,x2i,x3i...xli]T,其中l为纠错编码的内容位数,步骤(4)中的m为纠错编码的信息位数,编码完成后生成新的二进制比特矩阵Wcoded=[Xi′],其中0<i<n;
(6)将步骤(5)中的Wcoded矩阵根据密钥mk进行错位置乱;
(7)对步骤(6)中的加密后的矩阵,按行先将其变为二进制比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n};
(8)根据步骤(1)的载体图像Im,将其转换到YCbCr色域并提取其Y分量;
(9)对载体图像的Y色域分量进行嵌入:根据步骤(8)的载体图像的Y色域分量Im_Y以及生成的map图像和步骤(7)中加密后的比特流Se={b1,b2,b3,b4,b5,b6,...,bl*n},对载体图像进行嵌入;按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,判断该块的位置可以嵌入,该位置映射到载体图像相应位置,对载体图像的Y分量相应位置区域像素值进行调整,设定嵌入强度V,根据需要嵌入的比特流每一位,如嵌入的bi=1,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值-V;如嵌入的bi=0,则该嵌入后的区域像素值=嵌入前的区域像素值+V,经过像素调整嵌入后得到的载体图像的Y色域分量为Im_Ye;
(10)重建图像:根据步骤(9)得到的载体图像嵌入后的Y色域Im_Ye,以及步骤(8)中的CbCr分量,重建图像,得到嵌入水印后的图像Ime;
(11)将步骤(10)生成的图像经过打印机打印,并经由鉴定者的手机摄像头拍摄后得到图像Imc,然后,手机通过提取算法对拍摄的图像进行提取;
(12)对步骤(11)中拍摄得到的图像Imc,进行透视变换矫正,得到图像Im′c;
(13)根据步骤(12)得到的矫正后的图像Im′c,提取其YCbCr色域的Y分量Im_Y′c,按步骤(2)中的方法以k*k的像素块对map图像进行行扫,当扫描块全部像素值都为255时,其对应位置即为提取的Y分量Im_Y′c含有信息的块的位置,计算每块含有信息位置的块的像素均值,令集合包含所有均值信息,计算判断阈值
(15)对于步骤(14)中提取的信息序列,将其以l个元素为一列重新排列,得到提取的信息矩阵W′=[X′1,X′2,X′3,X′4,X′5...X′n],其中0<i<n,Xi表示维度为l的列向量,X′i=[x1i,x2i,x3i...xl*i]T;
(16)对步骤(15)中提取的信息矩阵W′=[X′1,X′2,X′3,X′4,X′5...X′n]的每一列进行纠错解码,即对于每个X′i=[x1i,x2i,x3i...xl*i]T进行解码,得到解码后的矩阵W′d,将其转换为可视化的像素值,即可得到水印图像ImW。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,其特征在于,在步骤(5)中,令m=11,l=15,对二进制水印矩阵图进行15-11循环编码。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,其特征在于,在步骤(6)中,使用密钥对水印信息进行置乱加密,置乱步骤如下:
如令mk=3,则对每一列循环移动3位。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块均值的抗打印噪声图像水印方法,其特征在于,在步骤(8)中,转换公式如下:
Y′=16+(65.481·R′+128.553·G′+24.966·B′)
CB=128+(-37.797·R′-74.203·G′+112.0·B′)
CR=128+(112.0·R′-93.786·G′-18.214·B′)。
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- 2019-04-26 CN CN201910343313.XA patent/CN110189241B/zh active Active
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