CN110992236A - 数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于印刷品防伪领域，公开了一种数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质；包括以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT‑SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像；打印嵌入图像并进行扫描或拍照，得到扫描图像；将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；修改预设嵌入强度和色彩模式并重复上述步骤；通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。通过本方法可以得到数字水印的嵌入强度范围和色彩模式，提高了数字水印的水印容量和抗打印—扫描/拍照的性能。

Description

数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质

技术领域

本发明属于印刷品防伪领域，涉及一种数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质。

背景技术

数字水印技术是一种可以通过一定的方法向宿主信息嵌入和提取有意义或者无意义标识信息的技术。宿主信息中包含了水印信息，水印信息不影响宿主信息完整性，而且嵌入的信息是视觉不可见的，但可通过密钥进行解密，将隐藏的信息显现出来。该技术是防止数字媒体非法复制、非法篡改、版权保护的有效手段之一。

随着图像处理软件和复制软硬件设施的发展，纸质媒体被数字化、篡改和再复制变得简单容易。数字水印技术的重要扩展之一便是纸质媒体的版权保护、取证及真伪鉴别。但是由于数字图像在纸质媒介上的打印或印刷过程和扫描或拍照过程对图像攻击较大，使得该项技术在印刷品中的应用仍然存在水印容量小、提取效果不佳以及水印嵌入环境不佳等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中水印容量小、提取效果不佳以及水印嵌入环境不佳的缺点，提供一种数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，一种数字水印嵌入环境确定方法，包括以下步骤：

S1：以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT-SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像；

S2：打印嵌入图像并进行扫描或拍照，得到扫描图像；

S3：将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；

S4：修改预设嵌入强度和色彩模式并重复S1～S3；通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。

本发明数字水印嵌入环境确定方法进一步的改进在于：

S1中的水印图像和宿主图像为经过预处理的图像，所述预处理的具体过程为：

将原始水印图像和原始宿主图像均在Photoshop中，将分辨率设定为300～600dpi，尺寸设定为128px*128px～1024px*1024px，得到水印图像和宿主图像，得到水印图像和宿主图像。

S1的具体方法为：

S1-1：通过MATLAB读取宿主图像I，将宿主图像I的色彩模式转换至预设色彩模式；

S1-2：在MATLAB中提取宿主图像I中的单色通道所对应的二维矩阵数据，得到宿主图像I所需嵌入水印图像的单色通道A₁，并对单色通道A₁进行DCT变换得到图像A_DCT；

S1-3：将图像A_DCT进行SVD分解得矩阵S、U和V；其中，矩阵S是图像A_DCT的特征值矩阵，矩阵U是图像A_DCT的左奇异矩阵，矩阵V是图像A_DCT的右奇异值矩阵；

S1-4：通过MATLAB读取水印图像M，对水印图像M依次进行灰度化处理和DCT变换得到图像M_DCT，再对图像M_DCT进行SVD分解得到矩阵S₁、U₁和V₁；其中，矩阵S₁是图像M_DCT的特征值矩阵，矩阵U₁是图像M_DCT的左奇异矩阵，矩阵V₁是图像M_DCT的右奇异矩阵；

S1-5：将矩阵S₁以预设嵌入强度k采用式(1)并通过imadd函数嵌入到矩阵S中，得到嵌入图像的特征值矩阵S₂：

S₂＝S+kS₁ (1)

S1-6：通过下式得到嵌入中间图像A₂：

A₂＝US₂V^T (2)

S1-7：将中间图像A₂进行逆DCT变换，然后将单色通道A₁还原为彩色图像并将预设的色彩模式转换至RGB色彩模式得到嵌入图像I_w。

预设嵌入强度k的取值范围为[-0.5,0)∪(0,0.5]。

S2的具体方法为：

通过彩色打印机打印嵌入图像I_w，使用300dpi的扫描分辨率对打印的嵌入图像I_w进行扫描或者使用分辨率为800万以上的镜头对打印的嵌入图像I_w进行拍照，得到初始扫描图像，将初始扫描图像的尺寸通过Photoshop处理至与宿主图像I相同，得到扫描图像I_wm。

S3的具体方法为：

S3-1：通过MATLAB读取扫描图像I_wm，将扫描图像I_wm的色彩模式转换至预设色彩模式；

S3-2：在MATLAB中提取扫描图像I_wm中被嵌入水印的单色通道A₁所对应的二维矩阵数据，得到颜色通道A^*，对颜色通道A^*进行DCT变换得到图像

将图像

进行SVD分解得到矩阵S₃、U₃和V₃；其中，矩阵S₃为图像

的特征值矩阵，矩阵U₃是图像

的左奇异矩阵，矩阵V₃是图像

的右奇异矩阵；

S3-3：利用imsubtract函数，通过式(3)从矩阵S₃中提取提取水印图像特征值矩阵S₄：

S₄＝(S₃-S₁)/k (3)

S3-4：通过式(4)得到提取中间图像W：

S3-5：将提取中间图像W进行逆DCT变换得到提取水印图像W_m。

S4的具体方法为：

修改预设嵌入强度和色彩模式并重复S1～S3；通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度范围和嵌入色彩模式；

其中，嵌入图像和宿主图像之间的PSNR等于30±1.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的上限，提取水印图像和水印图像之间的PSNR等于5±0.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的下限；提取水印图像和水印图像之间的PSNR平均值最大时对应的色彩模式为最佳嵌入色彩模式。

本发明第二方面，一种数字水印嵌入环境确定装置，包括：

嵌入模块，用于以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT-SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像；

打印模块，用于打印嵌入图像；

扫描或拍照模块，用于扫描或拍照打印的嵌入图像，得到扫描图像；

水印提取模块，用于将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；

以及评价模块，用于修改嵌入模块的预设嵌入强度和色彩模式；并通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。

本发明第三方面，一种数字水印嵌入环境确定设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述数字水印嵌入环境确定方法的S1、S3和S4。

本发明第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述数字水印嵌入环境确定方法的S1、S3和S4。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过DCT-SVD的方法使图像从空域转换到频域，然后将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像，采用DCT-SVD的方法有效的提升了数字水印的鲁棒性和水印容量；打印嵌入图像并进行扫描或拍照，得到扫描图像，然后将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；修改预设嵌入强度和色彩模式并重复上述步骤，通过PSNR图像评价方法对嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像进行对比评价，进而确定水印图像的最佳嵌入强度范围和嵌入色彩模式。PSNR图像评价方法得到的水印图像的最佳嵌入强度范围和嵌入色彩模式的方法具有普遍适用的性质，在不同色调，不同尺寸，不同打印扫描和打印拍照的条件下均可以使用。同时，考虑到嵌入强度过太小会影响水印抗打印扫描和打印拍照的性能，嵌入强度过大会导致宿主图像色彩偏差加大，通过选取最佳嵌入强度范围和嵌入色彩模式，进而保证水印具有抗打印扫描或打印拍照性能的同时提高水印的透明性，使得数字水印在打印图像及印刷品中有更好的水印提取效果和更小的图像色彩偏差。

进一步的，通过单色通道分离的方法在彩色多通道宿主图像分离出单色通道嵌入水印后再还原成多色图像，使水印不仅可以在灰度图像中进行水印的嵌入和提取，也可在彩色图像的任意颜色通道进行水印的嵌入和提取。

进一步的，使用SVD的方法对图像进行处理，得到宿主图像的特征值矩阵，然后将水印图像信息嵌入到宿主图像的特征值矩阵中，由于特征值矩阵具有强的稳健性使得数字水印具有抗打印扫描和打印拍照的性能，同时降低打印扫描和打印拍照对设备条件的要求。进一步的，使用SVD逆变换，将水印的视觉特征还原至特征值矩阵使得经过打印扫描或打印拍照后提取水印的视觉效果更佳，加强了抗印刷扫描性能。

进一步的，使用imadd函数对宿主图像特征值和水印图像特征值的相应元素进行叠加的嵌入方法大大提升了数字水印的水印容量。同时，水印嵌入过程使用的imadd函数和提取过程中使用的imsubtract函数均是对所操作矩阵对象之间相应元素的直接叠加和相减，避免循环算法的使用，降低了算法的复杂度，提升了算法的运行速度，为数字水印嵌入环境确定方法的实施节省了时间成本，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的水印图像嵌入方法流程图；

图2为本发明的水印图像提取方法流程图；

图3为本发明的水印最佳环境及整体运行流程图；

图4为本发明实施例的宿主图像；

图5为本发明实施例的水印图像；

图6为本发明实施例的k＝0.01，RGB颜色模式中嵌入水印的宿主图像；

图7为本发明实施例从图6中提取的水印图像；

图8为本发明实施例的k＝0.01，RGB颜色环境中嵌入水印的宿主图像扫描图像；

图9为本发明实施例从图8中提取的水印图像；

图10为本发明实施例的k＝0.01，RGB颜色环境中嵌入水印的宿主图像的拍照图像；

图11为本发明实施例从图10中提取的水印图像；

图12为本发明实施例的k＝0.01，YCbCR颜色模式中嵌入水印的宿主图像；

图13为本发明实施例从图12中提取的水印图像；

图14为本发明实施例的k＝0.01，YCbCR颜色环境中嵌入水印的宿主图像的扫描图像；

图15为本发明实施例从图14中提取的水印图像；

图16为本发明实施例的k＝0.01，YCbCR颜色环境中嵌入水印的宿主图像的拍照图像；

图17为本发明实施例从图16中提取的水印图像。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，本发明数字水印嵌入环境确定方法、装置、设备及可读存储介质，采用了离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)和奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的图像变换技术。

其中，离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)是用一组不同频率和幅值的余弦函数之和来近似一副图像，其定义如下，二维离散余弦变换定义：

其中，u,v＝0,1,…,N-1,

二维离散余弦变换反变换定义为：

其中，x,y＝0,1,…,N-1,

实际上离散余弦变换是傅里叶变换的实数部分，由于离散余弦变量对于一副图像来说，其图像的大部分可视化信息都集中在少数的变换系数上。因此，离散余弦变量是图像数据压缩常用的一种变换编码方法，它能将高度相关数据能量集中，使得它非常适用于图像压缩。

在变换域中奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)是一种将矩阵对角化的方法，图像的奇异值有很强的稳定性，图像受到轻微的扰动时不会有显著改变，因此，在奇异值上嵌入水印能保证水印的透明性、隐蔽性与安全性。

本发明具体涉及一种抗打印—扫描/拍照的彩色图像大容量数字水印的最佳嵌入环境确定方法，具体按照以下步骤实施，使用MATLAB工具进行代码的编辑，并确定最佳的嵌入提取环境。

参见图1至3，本发明数字水印嵌入环境确定方法包括如下步骤：

步骤1，确定宿主图像和水印图像的尺寸。

具体的，打开Photoshop确定图像尺寸，为保证程序的运行速度和图像的视觉效果，分辨率设确定为300dpi至600dpi之间，尺寸裁定范围为128px*128px至1024px*1024px之间，确定尺寸后得到宿主图像I，将水印图像裁定为与宿主图像相同的尺寸，得到水印图像M。

步骤2，基于DCT-SVD的方法，在MATLAB中将步骤1确定的水印图像M嵌入到宿主图像I中，得到嵌入图像。

具体的，首先，读取宿主图像I，在常用的颜色模式中选择水印嵌入过程的图像颜色模式，如RGB和YCbCr等等色彩模式，并将宿主图像I颜色模式转换至所选择的模式。再分离所需嵌入水印的单色通道A₁，对单色通道A₁依次进行DCT变换得A_DCT和SVD分解得三个矩阵U、S、V，其中矩阵S是图像A_DCT的特征值矩阵，矩阵U是图像A_DCT的左奇异矩阵，矩阵V是图像A_DCT的右奇异值矩阵。矩阵S是对角矩阵，矩阵U和矩阵V是酉矩阵。

其中，分离所需嵌入水印的单色通道A₁的具体方法为：在MATLAB中提取彩色图像中单色通道所对应二维矩阵数据，得到宿主图像I需嵌入水印图像的单色通道A₁，其实现算法如下：A₁＝I(:,:,x)；其中x取值为1，2，3，分别对应不同的颜色通道

其次，读取水印图像M，对水印图像依次进行灰度化处理和DCT变换得M_DCT，再对M_DCT进行SVD分解得到三个矩阵U₁、S₁、V₁，其中S₁矩阵是图像M_DCT的特征值矩阵，矩阵U₁是图像M_DCT的左奇异矩阵，矩阵V₁是图像M_DCT的右奇异矩阵。矩阵S₁是对角矩阵，矩阵U₁和矩阵V₁是酉矩阵。

然后，设置嵌入强度k，由于嵌入强度的大小会对图像质量产生影响，为了控制图像的失真程度，嵌入强度k的取值范围是[-0.5,0)∪(0,0.5]。将水印图像M的特征值矩阵S₁嵌入到宿主图像的特征值矩阵S中，得到嵌入水印的特征值矩阵S₂，将矩阵S₁以预设嵌入强度k嵌入到矩阵S中，其嵌入方法是通过MATLAB中的imadd函数进行矩阵相加，该函数是将矩阵S中相应的元素与矩阵S₁中的元素进行叠加，返回一个叠加结果作为输矩阵S₂中对应的元素，即S₂＝imadd(S，k*S₁)其数学表达式为：S₂＝S+kS₁。再利用特征值矩阵S₂，正交矩阵U和V进行逆SVD得到嵌入中间图像A₂,即A₂＝US₂V^T。

最后，对中间图像A₂进行逆DCT变换后，然后将被嵌入水印的单色通道还原为彩色图像，将图片从预设的色彩模式转换至RGB色彩模式得到嵌入图像I_w。

步骤3，对步骤2所得到的嵌入图像I_w进行打印，然后进行扫描或拍照。

首先，将彩色打印机的打印尺寸设置为A4无边距打印，打印纸张方向为纵向，打印质量设置为高质量，再使用克重为80g/m2—200g/m2之间的A4大小的纸张对步骤2得到的嵌入图像I_w进行打印；然后，使用300dpi的扫描分辨率对打印的图像进行扫描或者使用分辨率为800万以上的镜头对打印的图像进行拍照；最后，将扫描或拍照后的图像在Photoshop中进行处理，使该图像尺寸与步骤1确定的图像尺寸相同，得到扫描图像I_wm。

步骤4，将步骤3所得到的扫描图像I_wm载入MATLAB中进行水印的提取，按以下步骤实施：

首先，读取扫描图像I_wm，若该图像颜色模式为步骤2所选择的颜色模式则保持颜色模式不变，若为其他颜色模式则将颜色模式转换至步骤2所选择的颜色模式，再分离被嵌入水印的颜色通道A^*，具体为：在MATLAB中提取彩色图像I_wm中被嵌入水印的单色通道所对应二维矩阵数据，得到颜色通道A^*，其实现算法是“A₁＝I(:,:,x)；”其中x取值为1，2，3，对颜色通道A^*依此进行DCT变换得到图像

然后进行SVD分解，得到三个矩阵U₃、S₃和V₃。其中矩阵S₃是图像

的特征值矩阵，矩阵U₃是图像

的左奇异矩阵，矩阵V₃是图像

的右奇异矩阵。矩阵S₃是对角矩阵，矩阵U₃和矩阵V₃是酉矩阵。

然后，运用imsubtract函数在扫描图像I_wm的特征值矩阵S₃中提取提取水印图像特征值矩阵S₄，该函数是将矩阵S₃中相应的元素减去矩阵S₁中相应的元素，返回结果作为输矩阵S₄中对应的元素，在matlab中算法的实现为“S₄＝imsubtract(S₃，S₁)/k；”数学表达式为S₄＝(S₃-S₁)/k。再利用提取水印图像特征值矩阵S₄，正交矩阵U₁和V₁进行逆SVD得到提取中间图像W，即

最后，对提取中间图像W进行逆DCT变换得到提取水印图像W_m。

步骤5，采用PSNR(峰值信噪比)图像评价方法将步骤2所得嵌入图像和宿主图像进行对比评价，将步骤4得到的提取水印图像和水印图像进行对比评价，进而最佳嵌入强度和嵌入色彩模式的确定。

首先，以不同的嵌入强度重复步骤2～4，以步骤2所得到的嵌入图像和宿主图像之间的PSNR等于30±1.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的上限，以步骤4得到的提取水印图像和水印图像之间的PSNR等于5±0.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的下限，来确定最佳嵌入强度范围。

然后，确定最佳颜色模式，以不同的色彩模式重复步骤2～4，对比打印—扫描/拍照后的提取水印图像和水印图像之间PSNR的大小来确定最佳的色彩模式；以提取水印图像和水印图像之间平均PSNR的最大值所对应的色彩模式确定为最佳嵌入色彩模式。

本发明还公开了一种数字水印嵌入环境确定装置，包括嵌入模块、打印模块、扫描或拍照模块、水印提取模块以及评价模块。

嵌入模块用于以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT-SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像得到嵌入图像；打印模块用于打印嵌入图像；扫描或拍照模块用于扫描或拍照打印的嵌入图像，得到扫描图像；水印提取模块用于将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；评价模块用于修改嵌入模块的预设嵌入强度和色彩模式；并通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。

本发明数字水印嵌入环境确定方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述数字水印嵌入环境确定方法的步骤1、步骤2、步骤4和步骤5。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。

在示例性实施例中，还提供了一种数字水印嵌入环境确定设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述数字水印嵌入环境确定方法的步骤1、步骤2、步骤4和步骤5。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

实施例

参见图4至17，现以Lena图像为宿主图像，尺寸为256*256，以陕西科技大学校徽为水印图像尺寸为256*256，即水印容量最大，使用MATLAB工具进行代码的编辑，并确定最佳的嵌入提取环境。

步骤1，对宿主图像和水印图像进行预处理，确定其尺寸。

打开Photoshop对图像进行预处理，将Lena图像的尺寸裁定为256*256，将陕西科技大学校徽裁定为256*256。

步骤2，基于DCT-SVD的方法，将步骤1确定的图像在MATLAB中进行水印的嵌入。

首先，读取Lena图像，若Lena图像为RGB颜色模式则保持RGB色彩模式，若为其他颜色模式转换至RGB模式，并分离单色通道A₁，对单色通道A₁进行DCT变换得A_DCT，再进行SVD分解得到三个矩阵U、S和V。

其次，读取陕西科技大学校徽，对陕西科技大学校徽依次进行灰度化处理和DCT变换得M_DCT，将M_DCT进行SVD分解得到三个矩阵U₁、S₁和V₁。

然后，设置嵌入强度k＝0.01，通过imadd函数将水印图像M的特征值矩阵S₁嵌入到宿主图像的特征值矩阵S中，其嵌入方式为S₂＝S+0.01*S₁。再利用对角矩阵S₂，正交矩阵U和V进行逆SVD分解得到嵌入中间图像A₂，即A₂＝US₂V^T。

最后，对嵌入中间图像A₂进行逆DCT变换和颜色模式转换得到嵌入图像I_w。

步骤3中使用彩色打印机对步骤2所得到的携带有水印的图像进行打印，然后进行扫描或拍照。

使用彩色打印机对步骤2得到的嵌入图像I_w进行打印，然后进行扫描或者拍照，并将扫描或拍照后的图像在Photoshop中进行处理，使图像尺寸和步骤1确定的图像尺寸相同，得到扫描图像I_wm。

步骤4，将步骤3所得到的扫描图像I_wm载入MALAB中进行水印的提取。

首先，将扫描图像I_wm颜色模式调整为RGB模式，分离被嵌入水印图像的颜色通道A^*，对颜色通道A^*依此进行DCT变换和SVD分解，得到三个矩阵U₃、S₃和V₃。

然后，运用imsubtract函数在扫描图像I_wm的特征值矩阵S₃中提取提取水印图像特征值矩阵S₄，运算方式为S₄＝(S₃-S₁)/0.01，再利用提取水印图像特征值矩阵S₄，正交矩阵U₁和V₁进行逆SVD得到提取中间图像W，即

最后，对提取中间图像W进行逆DCT变换得到提取水印图像W_m。

步骤5，采用PSNR(峰值信噪比)图像评价方法将步骤2所得嵌入图像和宿主图像进行对比评价，将步骤4得到的提取水印图像和水印图像进行对比评价，进而最佳嵌入强度和嵌入色彩模式的确定。

首先，分别以嵌入强度k＝0.08，0.06，0.04，0.02，0.01，0.008，0.006，0.004，0.002重复步骤2～4，以步骤2所得到的嵌入图像和宿主图像之间的PSNR等于30±1.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的上限，本实施例中为31.2933，对应的k＝0.02，以步骤5得到的提取水印图像和水印图像之间的PSNR等于5±0.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的下限，本实施例中选取5.0265，对应的k＝0.004，来确定最佳嵌入强度范围。本实施例的最佳嵌入强度范围为0.02～0.004，以下为该例的测试数据：

表1不同嵌入强度的PSNR

然后确定最佳颜色模式，分别以RGB和YCbCr色彩模式重复步骤2～4，对比打印—扫描/拍照后的提取水印和原始水印之间的PSNR来确定最佳的颜色模式，参见表2和3的结果，本例中将图像转换至YCbCr颜色模式进行嵌入与提取效果最佳。

表2打印拍照后RGB模式和YCbCr模式提取水印图像和水印图像之间PSNR

表3打印扫描后RGB模式和YCbCr模式提取水印图像和水印图像之间PSNR

由实施例可知，本发明提供了一种最佳嵌入和提取环境(嵌入强度、图像色彩模式)的确定方法，且所述的方法大大提升了数字水印的水印容量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT-SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像；

S2：打印嵌入图像并进行扫描或拍照，得到扫描图像；

S3：将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；

S4：修改预设嵌入强度和色彩模式并重复S1～S3；通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。

2.根据权利要求1所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述S1中的水印图像和宿主图像为经过预处理的图像，所述预处理的具体过程为：

将原始水印图像和原始宿主图像均在Photoshop中，将分辨率设定为300～600dpi，尺寸设定为128px*128px～1024px*1024px，得到水印图像和宿主图像，得到水印图像和宿主图像。

3.根据权利要求1所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述S1的具体方法为：

S1-1：通过MATLAB读取宿主图像I，将宿主图像I的色彩模式转换至预设色彩模式；

S1-2：在MATLAB中提取宿主图像I中的单色通道所对应的二维矩阵数据，得到宿主图像I所需嵌入水印图像的单色通道A₁，并对单色通道A₁进行DCT变换得到图像A_DCT；

S1-3：将图像A_DCT进行SVD分解得矩阵S、U和V；其中，矩阵S是图像A_DCT的特征值矩阵，矩阵U是图像A_DCT的左奇异矩阵，矩阵V是图像A_DCT的右奇异值矩阵；

S1-4：通过MATLAB读取水印图像M，对水印图像M依次进行灰度化处理和DCT变换得到图像M_DCT，再对图像M_DCT进行SVD分解得到矩阵S₁、U₁和V₁；其中，矩阵S₁是图像M_DCT的特征值矩阵，矩阵U₁是图像M_DCT的左奇异矩阵，矩阵V₁是图像M_DCT的右奇异矩阵；

S1-5：将矩阵S₁以预设嵌入强度k采用式(1)并通过imadd函数嵌入到矩阵S中，得到嵌入图像的特征值矩阵S₂：

S₂＝S+kS₁ (1)

S1-6：通过下式得到嵌入中间图像A₂：

A₂＝US₂V^T (2)

S1-7：将中间图像A₂进行逆DCT变换，然后将单色通道A₁还原为彩色图像并将预设的色彩模式转换至RGB色彩模式得到嵌入图像I_w。

4.根据权利要求3所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述预设嵌入强度k的取值范围为[-0.5,0)∪(0,0.5]。

5.根据权利要求1所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述S2的具体方法为：

通过彩色打印机打印嵌入图像I_w，使用300dpi的扫描分辨率对打印的嵌入图像I_w进行扫描或者使用分辨率为800万以上的镜头对打印的嵌入图像I_w进行拍照，得到初始扫描图像，将初始扫描图像的尺寸通过Photoshop处理至与宿主图像I相同，得到扫描图像I_wm。

6.根据权利要求3所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述S3的具体方法为：

S3-1：通过MATLAB读取扫描图像I_wm，将扫描图像I_wm的色彩模式转换至预设色彩模式；

S3-2：在MATLAB中提取扫描图像I_wm中被嵌入水印的单色通道A₁所对应的二维矩阵数据，得到颜色通道A^*，对颜色通道A^*进行DCT变换得到图像

将图像

进行SVD分解得到矩阵S₃、U₃和V₃；其中，矩阵S₃为图像

的特征值矩阵，矩阵U₃是图像

的左奇异矩阵，矩阵V₃是图像

的右奇异矩阵；

S3-3：利用imsubtract函数，通过式(3)从矩阵S₃中提取提取水印图像特征值矩阵S₄：

S₄＝(S₃-S₁)/k (3)

S3-4：通过式(4)得到提取中间图像W：

S3-5：将提取中间图像W进行逆DCT变换得到提取水印图像W_m。

7.根据权利要求1所述的数字水印嵌入环境确定方法，其特征在于，所述S4的具体方法为：

修改预设嵌入强度和色彩模式并重复S1～S3；通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度范围和嵌入色彩模式；

其中，嵌入图像和宿主图像之间的PSNR等于30±1.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的上限，提取水印图像和水印图像之间的PSNR等于5±0.5内任一数值时对应的嵌入强度为最佳嵌入强度范围的下限；提取水印图像和水印图像之间的PSNR平均值最大时对应的色彩模式为最佳嵌入色彩模式。

8.一种数字水印嵌入环境确定装置，其特征在于，包括：

嵌入模块，用于以预设嵌入强度和色彩模式，通过DCT-SVD的方法将水印图像嵌入宿主图像，得到嵌入图像；

打印模块，用于打印嵌入图像；

扫描或拍照模块，用于扫描或拍照打印的嵌入图像，得到扫描图像；

水印提取模块，用于将扫描图像进行水印提取，得到提取水印图像；

以及评价模块，用于修改嵌入模块的预设嵌入强度和色彩模式；并通过将嵌入图像和宿主图像以及提取水印图像和水印图像分别通过PSNR图像评价方法进行对比评价，得到水印图像的最佳嵌入强度和嵌入色彩模式。

9.一种数字水印嵌入环境确定设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述方法的S1、S3和S4。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述方法的S1、S3和S4。

Images