CN110533569B - 基于二次差值扩展的水印处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于二次差值扩展的水印处理方法。所述方法包括：对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到目标水印图像。采用本方法能够提高相应嵌入容量。

Description

基于二次差值扩展的水印处理方法

技术领域

本申请涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种基于二次差值扩展的水印处理方法。

背景技术

在图像上嵌入可逆水印要求在保证载体图像视觉质量的前提下，将水印信息嵌入到载体图像中，其目的是要求在提取水印之后，原始载体图像可无损恢复。因此与传统水印方法相比，嵌入的信息量要求更大，也使得其在司法、军事、医疗等对图像真实性和完整性要求较高的领域，具有更加广泛的研究和应用价值。可逆图像水印算法研究的基本目标是以较小的失真以取得最大的有效信息嵌入量。

传统方案中，有技术采用基于相邻像素对差值扩展的大容量可逆水印算法，具体是对选定的相邻像素对计算其均值和差值，通过像素对差值扩展来嵌入水印。有技术采用广义可逆整数小波变换的可逆水印算法，具体选取相邻的几个像素为一个变换单元来进行水印嵌入。有技术采用差值扩展嵌入方法，差值扩展嵌入方法中，溢出定位图是影响嵌入容量的一个重要因素，消除定位图对改善算法性能具有极其重要的意义。有技术提出结合差值扩展和可逆对比图的可逆水印算法，将图像分成互不相交的2×2图像块，在每一图像块中，前两个像素为可逆对比图像像素对，另外两个像素为差值扩展像素对，两种像素对均用于嵌入信息，可逆对比图像像素对主要还用于嵌入少量的附加信息以替代定位图，嵌入容量有了很大提高，但是该算法中有一半的像素对采用的是可逆对比图变换，图像质量下降较严重。有技术提出基于差值直方图平移的可逆嵌入方法，该方法为避免像素溢出，平移之前先将像素值调整到一定范围内，并将调整像素的位置记入定位图。还有技术提出将差值扩展与LSB算法相结合的可逆图像水印算法，取得了较大的嵌入容量且视觉质量较好。上述传统方案虽然在一定程度上扩大可逆水印的嵌入容量，然而还存在溢出定位图占用有效空间的困扰，仍然使嵌入容量受到限制。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高嵌入容量的基于二次差值扩展的水印处理方法。

一种基于二次差值扩展的水印处理方法，所述方法包括：

对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；

将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；

在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；

在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；

根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到目标水印图像。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

去除所述目标水印图像中的特定像素点，得到第一还原图像；

对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理，以提取第一水印信息，得到第二还原图像；

在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理，以提取第二水印信息，得到第三还原图像；

根据所述特定像素点的描述信息在所述第三还原图像中嵌入所述特定像素点，得到所述初始图像。

作为一个实施例，上述方法还包括：

在所述第一水印信息和第二水印信息进行拼接后，将拼接得到的水印信息转换为水印图像，得到所述初始水印。

作为一个实施例，所述对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理包括：

按所述第一还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一逆差值扩展处理；所述第一逆差值扩展处理的过程包括：

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m”,n”)表示第一还原图像中的像素对，b'表示(m”,n”)对应的水印信息，符号

表示向下取整。

作为一个实施例，所述在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理包括：

按所述第二还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二逆差值扩展处理；所述第二逆差值扩展处理的过程包括：

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m,n)表示第三还原图像中的像素对，符号

表示向下取整。

在其中一个实施例中，所述在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列包括：

按所述第一嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一差值扩展处理，以嵌入所述第一序列；所述第一差值扩展处理的过程包括：

/>

式中，(x,y)表示第一嵌入图像的像素对，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，符号

表示向下取整。

在其中一个实施例中，所述在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列包括：

按所述第二嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二差值扩展处理，以嵌入所述第二序列；所述第二差值扩展处理的过程包括：

式中，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，(x”,y”)表示第一水印图像的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，b'表示像素对(x',y')对应的水印序列值，符号

表示向下取整。

在其中一个实施例中，所述对待嵌入的初始水印转换为二进制序列包括：

对待嵌入的初始水印作Arnold变换得到变换水印，将所述变换水印转换为二进制序列。

作为一个实施例，所述Arnold变换过程包括：

式中，(u',v')表示变换水印中的像素对，(u,v)表示初始水印中的像素对，N表示初始水印的像素数，M表示初始水印的像素行数和像素列数中的较大值，符号mod表示求余运算。

在其中一个实施例中，所述第一序列为所述二进制序列的前半部分，所述第二序列为所述二进制序列的后半部分。

上述基于二次差值扩展的水印处理方法，通过对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列，记录特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像，在第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像，在第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像，根据特定像素点的描述信息在第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到包含完整水印信息和初始图像信息的目标水印图像；使在初始图像中嵌入相应水印的过程无需考虑溢出定位图占用有效空间的困扰，提高了相应嵌入容量，并且相应初始水印的嵌入率高，具有较高的视觉质量。

附图说明

图1为一个实施例中基于二次差值扩展的水印处理方法的流程示意图；

图2为一个实施例的初始图像示意图；

图3为一个实施例的初始水印示意图；

图4为一个实施例的仿真效果示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请提供的基于二次差值扩展的水印处理方法，可以应用于对相关图像嵌入所需水印的处理终端中。其中，处理终端可以连接相关接收方，以向接收方发送其识别的图像信息，并接受接收方发送的水印信息、控制信息等内容。上述处理终端可以对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，以得到包括水印的目标水印图像，使相应的嵌入容量得到提升。其中，处理终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机和平板电脑。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于二次差值扩展的水印处理方法，以该方法应用于处理终端为例进行说明，包括以下步骤：

S210，对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；

上述步骤可以将初始水印进行置乱处理，再将置乱处理之后的图像转换为相应的二进制序列，以提高二进制序列在处理过程中的安全性。上述第一序列可以为二进制序列的前半部分，表征初始水印的前半部分水印图像，第二序列可以为二进制序列的后半部分，表征初始水印的后半部分水印图像。

在一个实施例中，上述对待嵌入的初始水印转换为二进制序列包括：

对待嵌入的初始水印作Arnold变换得到变换水印，将所述变换水印转换为二进制序列。

本实施例中，可以以W这一初始水印为例，对这一初始水印W作Arnold变换得到W'，将变换后的水印W'转换为一维二进制序列，以保证所得到的二进制序列的准确性。

作为一个实施例，为了增强数字图像水印系统的抗攻击的鲁棒性和安全性，所述Arnold变换过程包括：

式中，(u',v')表示变换水印中的像素对，(u,v)表示初始水印中的像素对，N表示初始水印的像素数，M表示初始水印的像素行数和像素列数中的较大值，符号mod表示求余运算。

本实施例可以提高对初始水印进行置乱处理过程中的鲁棒性和安全性，从而保证相应水印处理效果。

在一个实施例中，所述第一序列为所述二进制序列的前半部分，所述第二序列为所述二进制序列的后半部分。

本实施例将二进制序列进行平均分配，划分容量相等的两部分，以提高后续分别针对各部分进行嵌入处理的稳定性。

S230，将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；

上述特定像素点为初始图像中像素值为0和255的像素点，剔除所述特定像素点可以避免后续水印嵌入过程中产生嵌入，保证嵌入水印之后的图像质量。特定像素点的描述信息可以包括特定像素点的位置信息以及特定像素点的像素取值信息，以使后续可以依据特定像素点的描述信息将特定像素点准确嵌入第一水印图像，获得高质量的目标水印图像。

上述步骤在获得特定像素点的描述信息之后，还可以将特定像素点的描述信息以零水印的方式发送给接收方，以在水印提取时从接收方获取特定像素点的描述信息，进行相应特定像素点的去除。

S250，在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；

上述步骤可以识别第一嵌入图像中的每个像素对，比如将第一嵌入图像中的第一行的第一个像素点和第二个像素点确定为第一个像素对，将第一嵌入图像中的第一行的第三个像素点和第四个像素点确定为第二个像素对，将第一嵌入图像中的第一行的第五个像素点和第六个像素点确定为第三个像素对，……，以此类推，按照像素点的位置从左至右，从上至下依次确定各个像素对，再从第一个像素对开始依次针对各个像素对进行第一差值扩展处理，以将第一序列嵌入第一嵌入图像。

S270，在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；

上述步骤可以识别第二嵌入图像中的每个像素对，比如将第二嵌入图像中的第一行的第一个像素点和第二个像素点确定为第一个像素对，将第二嵌入图像中的第一行的第三个像素点和第四个像素点确定为第二个像素对，将第三嵌入图像中的第一行的第五个像素点和第六个像素点确定为第三个像素对，……，以此类推，按照像素点的位置从左至右，从上至下依次确定各个像素对，再从第一个像素对开始依次针对各个像素对进行第二差值扩展处理，以将第二序列嵌入第二嵌入图像。

S290，根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到目标水印图像。

上述步骤根据特定像素点的描述信息在第一水印图像中嵌入特定像素点，以还原初始图像中的各个像素信息，得到高质量的目标水印图像。

上述基于二次差值扩展的水印处理方法，通过对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列，记录特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像，在第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像，在第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像，根据特定像素点的描述信息在第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到包含完整水印信息和初始图像信息的目标水印图像；使在初始图像中嵌入相应水印的过程无需考虑溢出定位图占用有效空间的困扰，提高了相应嵌入容量，并且相应初始水印的嵌入率高，具有较高的视觉质量。

在一个实施例中，上述方法还包括：

去除所述目标水印图像中的特定像素点，得到第一还原图像；

对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理，以提取第一水印信息，得到第二还原图像；

在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理，以提取第二水印信息，得到第三还原图像；

根据所述特定像素点的描述信息在所述第三还原图像中嵌入所述特定像素点，得到所述初始图像。

本实施例可以从接收方读取零水印信息，识别上述零水印信息中携带的特定像素点的描述信息，以依据上述特定像素点的描述信息去除所述目标水印图像中的特定像素点，得到第一还原图像，针对第一还原图像进行初始图像和初始水印的提取，避免在提取过程中产生溢出，保证所提取的初始图像和初始水印的质量。在依次提取出第一水印信息和第二水印信息，得到第三还原图像之后，还可以根据特定像素点的描述信息在第三还原图像中嵌入特定像素点，得到完全恢复的初始图像，对相应水印处理过程进行了有效完善。

作为一个实施例，上述方法还包括：

在所述第一水印信息和第二水印信息进行拼接后，将拼接得到的水印信息转换为水印图像，得到所述初始水印。

本实施例可以依据从第一还原图像中依次提取出第一水印信息和第二水印信息，进行相应拼接处理和转换处理，以获得完整的初始水印，使整个水印处理过程为可逆过程，对水印处理方案进行了有效完善。

作为一个实施例，上述对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理包括：

按所述第一还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一逆差值扩展处理；所述第一逆差值扩展处理的过程包括：

/>

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m”,n”)表示第一还原图像中的像素对，b'表示(m”,n”)对应的水印信息，符号

表示向下取整。

上述第一逆差值扩展处理过程与在第二嵌入图像中嵌入第二序列的第二差值扩展处理过程为互逆的处理过程。第一水印信息为第二序列对应的水印信息。按第一还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一逆差值扩展处理，可以得到第二序列对应的水印信息，即第一水印信息。

本实施例可以识别第一还原图像中的每个像素对，比如将第一还原图像中的第一行的第一个像素点和第二个像素点确定为第一个像素对，将第一还原图像中的第一行的第三个像素点和第四个像素点确定为第二个像素对，将第一还原图像中的第一行的第五个像素点和第六个像素点确定为第三个像素对，……，以此类推，按照像素点的位置从左至右，从上至下依次确定各个像素对，再从第一个像素对开始依次针对各个像素对进行第一逆差值扩展处理，以提取第一水印信息，得到第二还原图像。

作为一个实施例，上述在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理包括：

按所述第二还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二逆差值扩展处理；所述第二逆差值扩展处理的过程包括：

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m,n)表示第三还原图像中的像素对，符号

表示向下取整。

上述第二逆差值扩展处理过程与在第一嵌入图像中嵌入第一序列的第一差值扩展处理过程为互逆的过程。第二水印信息为第一序列对应的水印信息。按第二还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一逆差值扩展处理，可以得到第一序列对应的水印信息，即第二水印信息。

本实施例可以识别第二还原图像中的每个像素对，比如将第二还原图像中的第一行的第一个像素点和第二个像素点确定为第一个像素对，将第二还原图像中的第一行的第三个像素点和第四个像素点确定为第二个像素对，将第二还原图像中的第一行的第五个像素点和第六个像素点确定为第三个像素对，……，以此类推，按照像素点的位置从左至右，从上至下依次确定各个像素对，再从第一个像素对开始依次针对各个像素对进行第二逆差值扩展处理，以提取第二水印信息，得到第三还原图像。

在一个示例中，水印提取首先利用逆二次差值扩展算法(即第一逆差值扩展)提取后一半水印信息并恢复出含一次差值扩展嵌入水印的含水印图像，接着利用逆一次差值扩展算法(即第二逆差值扩展)提取前一半水印并恢复出初始图像。若m'＝205，n'＝200，b'＝1，则m”＝204，n”＝201，因而：

h'＝m”-n”＝3，

通过逆变换后h'值为3，其为奇数，因此提取出的水印信息为1。

上述m”、n”两个数值一个为奇数一个为偶数，按照前述二次差值扩展算法逆运算后得到值为205和199。因此当m”、n”两个数值一个为奇数一个为偶数，提取的水印信息为1时，对恢复出的m'保持不变,n'加1；当m”、n”两个数值一个为奇数一个为偶数，提取的水印信息为0时，对恢复出的m'、n'保持不变；当m”、n”两个数值都为奇数或偶数，提取的水印信息为1时，对恢复出的m'减1、n'保持不变；当m”、n”两个数值都为奇数或偶数，提取的水印为0时，对恢复出的m'、n'保持不变。利用新生成的像素对(m'、n')来进行一次逆差值扩展以进一步提取出嵌入的水印信息。

对利用二次逆差值扩展恢复出的图像(第二还原图像)利用一次逆差值扩展进一步提取出水印信息可以得到第三还原图像，针对第三还原图像添加特定像素点可以恢复出原始图像。

若对初始图像中任一像素对(m,n)通过一次差值扩展进行水印信息的嵌入。若嵌入的水印信息为1时，则新产生的像素对(m',n')值为：

因此，m'-n'＝2m-2n+1，

所以在任一像素对中当嵌入的一位水印信息为1时，则得到的新的像素对差值为奇数值。同理，若嵌入的水印信息为0时，则得到的新的像素对差值为偶数值。通过此方法，当恢复原始载体图像时，若水印图像中像素对(u,v)其差值若为奇数，则代表嵌入的水印信息为1，否则为0。通过此方法就可以提取经一次差值扩展嵌入的水印信息。

在一个实施例中，所述在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列包括：

按所述第一嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一差值扩展处理，以嵌入所述第一序列；所述第一差值扩展处理的过程包括：

式中，(x,y)表示第一嵌入图像的像素对，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，其取值可以为0或1，符号

表示向下取整。/>

具体地，本实施例基于相邻像素对差值扩展算法是对相应图像(第一嵌入图像)中任一像素对P＝(x,y)进行整数变换，可以得到均值l和差值h，相应地，均值l和差值h经其逆变换，能无损地恢复出原始图像像素对值(x,y)：

在第一差值扩展处理过程中，正变换可以包括：

相应的逆变换过程可以包括：

得到的差值h左移1bit，并将水印信息b嵌入到其最低有效位上，这即为差值扩展，其数学表达式为：h'＝2h+b。

在一个示例中，利用差值扩展嵌入水印信息后得到像素值可能会引起像素溢出，所以逆变换得到的x'、y'都应该被限制在[0,255]范围之内。因此需对h'加以限制：

|h'|≤min(2(255-l),2l+1)。

差值扩展水印算法是利用图像中像素对的差值来进行水印嵌入，其嵌入容量有限。为提高水印嵌入容量和含水印图像视觉质量，对经过一次差值变换生成的像素对值(x',y')，可以再次利用差值扩展算法来进行二次水印嵌入，具体过程可以包括：

相应的逆变换可以包括：

经一次差值扩展嵌入水印后生成的含水印图像可能会产生溢出，但经二次差值扩展嵌入水印后又回到原图像。

在一个实施例中，所述在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列包括：

按所述第二嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二差值扩展处理，以嵌入所述第二序列；所述第二差值扩展处理的过程包括：

/>

式中，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，(x”,y”)表示初始水印的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，b'表示像素对(x',y')对应的水印序列值，其取值可以为0或1，符号

表示向下取整。

在一个示例中，若初始像素对为P＝(x,y)，一次差值扩展被嵌入的水印信息为b，二次差值扩展被嵌入的水印位值为b'，则：

/>

根据水印嵌入值(相应的水印信息)不同，其生成的新图像像素对值(x”,y”)和原始图像像素对值(x,y)也有所差别。

例如，当嵌入的水印信息b＝1,b'＝1时，若像素对(x,y)中，一个为奇数，一个为偶数时，

若像素对(x,y)中，两个同为奇数或偶数时，

当嵌入的水印信息b＝1,b'＝0，若像素对(x,y)中，一个为奇数，一个为偶数时，

若像素对(x,y)中，两个同为奇数或偶数时，

当嵌入的水印信息b＝0,b'＝1，若像素对(x,y)中，一个为奇数，一个为偶数时，

若像素对(x,y)中，两个同为奇数或偶数时，

当嵌入的水印信息b＝0,b'＝0，若像素对(x,y)中，一个为奇数，一个为偶数时，

/>

若像素对(x,y)中，两个同为奇数或偶数时，

无论嵌入的水印b、b'取值如何，生成的新图像像素对值(x”,y”)和初始图像像素对值(x,y)在大多数情况下始等价的，但也存在x”比x大1，或者x”比x少1的极少情况，因此本发明在利用二次差值扩展嵌入水印时，为避免溢出，需首先去除原始图像(初始图像)中像素值为0和255的像素点。

本示例提出的基于二次差值扩展的可逆图像水印算法，利用差值扩展算法二次嵌入水印，无需考虑溢出定位图占用有效空间的困扰，提高了嵌入容量，不仅嵌入率高，而且有较高的视觉质量，能实现原始图像的完全恢复。

在一个示例中，对本发明提供的基于二次差值扩展的水印处理方法与以传统方案1、传统方案2针对在图2所示的4个初始图像进行水印处理的过程进行仿真对比分析，所嵌入和提取的水印可以参考图3所示，对生成的含水印图像进行PSNR(峰值信噪比)和SSIM(结构相似性)比较，仿真对比分析的结果可以参考表1所示，上述传统方案1所采用的算法可以参考如下文献：Hala S.El-sayed,S.F.El-Zoghdy,Osama S.Faragallah.AdaptiveDifference Expansion-Based Reversible Data Hiding Scheme for DigitalImages.Arabian Journal for Science and Engineering,2016,41(3):1091-1107；上述传统方案2所采用的算法可以参考如下文献：Weng S,Pan J-S and Zhou L.Reversibledata hiding based on the local smoothness estimator and optional embeddingstrategy in four prediction modes.Multimed Tools Appl,2017,76(11):13173-13195。

表1

采用本发明算法针对图2所示4幅原始载体图像嵌入水印信息后，其PSNR值最可高达79.59dB，相比传统方案1具有更好的不可见性。同时相比较传统方案1，其SSIM也是更高。从表1可以看出，在嵌入相同量的水印信息，本发明算法要比方法一算法有更好的PSNR和SSIM值。这也说明了本发明提出的算法具有更好的视觉质量。仿真对比分析过程中产生的具体视觉效果以及水印提取效果可以参考图4所示。从图4所示的各个图观测可知，人眼感觉不到水印图像中水印信息的存在。含水印图像视觉效果较好，其相应的PSNR值说明对不同类型图像本发明算法具有较好的不可感知性，平均PSNR值高达78.17dB。

表2示出了本发明算法在有效载荷容量、SSIM和PSNR方面的性能，表2中10,30,70,90and 100％是指待嵌入水印容量占最大嵌入容量的比重。在嵌入最大嵌入容量的10,30,70,90and 100％时，利用PSNR来评估含水印图像的视觉质量。从上表2中，不难看出，本发明提出的自适应差值扩展可逆水印算法在有效载荷能力方面要优于传统方案1以及传统方案2，同时具有良好的SSIM和PSNR值。这里给出的结果表明，本发明提出的基于自适应差值扩展可逆水印技术大大增加了有效载荷能力，同时仍保持良好的含水印图像视觉质量。

表2本发明算法在有效载荷容量、SSIM和PSNR方面的性能

当嵌入较大水印信息时，通过一轮的二次差值扩展水印嵌入可能嵌入不完或者为了嵌入更多水印信息，因此可以进行二轮或多轮水印嵌入来完成水印信息的嵌入(嵌入的水印信息如图3所示)。

表3多轮水印嵌入算法性能比较

为了估算含水印图像视觉质量，本发明通过对原始图像进行多轮水印嵌入来分析本文算法的性能。表3示出了多轮水印嵌入算法性能比较结果，从表3可以看出，当嵌入如图3所示水印一轮时，生成的含水印图像视觉质量较高。在嵌入如图3所示水印两轮和三轮时，视觉质量仍然很高。与一轮嵌入水印信息相比，视觉质量没有明显降低，水印信息可以重复嵌入。在保证一定视觉质量的前提下，可以嵌入更多的水印信息。

为了进一步估算含水印图像视觉质量，本发明通过对原始图像进行多轮水印嵌入(每轮以最大水印嵌入量来嵌入水印)来分析本发明算法的性能。在表3中，仅根据水印容量大小选择原始图像的一部分以嵌入水印信息，嵌入容量不够大。为了进一步测试算法性能，可以以一轮能嵌入的最大水印容量作为水印嵌入容量的大小。如表4所示，当分别嵌入一轮、二轮和三轮时，所生成的含水印图像仍然可以达到较高的视觉质量和良好的结构相似性。而且，随着嵌入轮数的增加，PSNR和SSIM下降较小。同时，在嵌入三轮最大水印容量信息后，嵌入率近似于3，视觉质量达到50.56，显示算法整体性能高，隐蔽性好，嵌入容量大。在保证一定视觉质量的前提下，该算法可以对水印信息进行重复嵌入，嵌入容量非常大。

表4多轮水印嵌入算法性能比较

本示例利用差值扩展算法二次嵌入水印，无需考虑溢出定位图占用有效空间的困扰，提高了嵌入容量。实验结果表明该算法不仅嵌入率高，而且有较高的视觉质量，能实现原始图像的完全恢复。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种基于二次差值扩展的水印处理装置，包括：

转换模块，用于对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；

确定模块，用于将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；

第一嵌入模块，用于在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；

第二嵌入模块，用于在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；

第三嵌入模块，用于根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到目标水印图像。

关于基于二次差值扩展的水印处理装置的具体限定可以参见上文中对于基于二次差值扩展的水印处理方法的限定，在此不再赘述。上述基于二次差值扩展的水印处理装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于二次差值扩展的水印处理方法，其特征在于，所述方法包括：

对待嵌入的初始水印转换为二进制序列，将所述二进制序列划分为第一序列和第二序列；

将初始图像中像素值为0和255的像素点确定为特定像素点，记录所述特定像素点的描述信息，并剔除所述特定像素点，得到第一嵌入图像；

在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列，得到第二嵌入图像；

在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列，得到第一水印图像；

根据所述特定像素点的描述信息在所述第一水印图像中嵌入所述特定像素点，得到目标水印图像；

所述在所述第一嵌入图像中嵌入所述第一序列包括：

按所述第一嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一差值扩展处理，以嵌入所述第一序列；所述第一差值扩展处理的过程包括：

式中，(x,y)表示第一嵌入图像的像素对，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，符号

表示向下取整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

去除所述目标水印图像中的特定像素点，得到第一还原图像；

对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理，以提取第一水印信息，得到第二还原图像；

在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理，以提取第二水印信息，得到第三还原图像；

根据所述特定像素点的描述信息在所述第三还原图像中嵌入所述特定像素点，得到所述初始图像。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第一水印信息和第二水印信息进行拼接后，将拼接得到的水印信息转换为水印图像，得到所述初始水印。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述第一还原图像进行第一逆差值扩展处理包括：

按所述第一还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第一逆差值扩展处理；所述第一逆差值扩展处理的过程包括：

/>

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m”,n”)表示第一还原图像中的像素对，b'表示(m”,n”)对应的水印信息，符号

表示向下取整。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第二还原图像进行第二逆差值扩展处理包括：

按所述第二还原图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二逆差值扩展处理；所述第二逆差值扩展处理的过程包括：

式中，(m',n')表示第二还原图像中的像素对，(m,n)表示第三还原图像中的像素对，符号

表示向下取整。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述第二嵌入图像嵌入所述第二序列包括：

按所述第二嵌入图像中像素点顺序，从左到右，从上到下依次取出一个像素对进行第二差值扩展处理，以嵌入所述第二序列；所述第二差值扩展处理的过程包括：

式中，(x',y')表示第二嵌入图像的像素对，(x”,y”)表示第一水印图像的像素对，b表示像素对(x,y)对应的水印序列值，b'表示像素对(x',y')对应的水印序列值，符号

表示向下取整。

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述对待嵌入的初始水印转换为二进制序列包括：

对待嵌入的初始水印作Arnold变换得到变换水印，将所述变换水印转换为二进制序列。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述Arnold变换过程包括：

式中，(u',v')表示变换水印中的像素对，(u,v)表示初始水印中的像素对，N表示初始水印的像素数，M表示初始水印的像素行数和像素列数中的较大值，符号mod表示求余运算。

9.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一序列为所述二进制序列的前半部分，所述第二序列为所述二进制序列的后半部分。

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