CN112017098B - 一种自适应彩色数字图像盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用变换域数字水印算法鲁棒性强的优点，公开了一种自适应彩色数字图像盲水印方法。本发明在不同的图像块中自适应地选择不同的嵌入系数，并在变换域中修改二维离散余弦变换后的部分中频系数，从而完成彩色数字水印的嵌入与盲提取；在水印预处理阶段，先后使用了仿射变换和Arnold变换对水印进行了双重加密，大大提高了水印算法的安全性。该发明将彩色图像水印嵌入到彩色宿主图像中，不但具有较好的水印不可见性和较强的鲁棒性，而且具有很高的安全性，适用于数字图像版权保护的场合。

Description

一种自适应彩色数字图像盲水印方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及数字图像的高不可见性、强鲁棒性、高安全性数字水印版权保护。

背景技术

随着互联网技术的发展和普及，数字作品越来越容易被获取、复制、存储和传输，给人们的生活带来极大便利的同时也使得一些非法行为日益猖獗，盗版、伪造、篡改等非法行为严重影响了互联网的健康发展。因此，对数字作品的版权保护迫在眉睫，数字水印技术应运而生。另外，日益高超的黑客技术使得水印算法的安全性面临严峻的挑战。因此，如何充分利用变换域数字水印算法的优点设计一种不可见性好、鲁棒性强和安全性高的彩色图像数字水印算法成为当前数字水印技术的难点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应彩色数字图像盲水印方法，其特征在于该方法包含水印嵌入和水印提取两个具体过程，其水印嵌入过程描述如下：

第一步：首先，将一幅大小为M×M的彩色宿主图像H分成红、绿、蓝三个分层宿主图像H_i，同时把每一个分层宿主图像H_i分为m×m的非重叠像素块；将一幅大小为N×N的彩色水印图像W分成红、绿、蓝三个分层水印图像，同时，为了提高水印的安全性，对每个分层水印图像先后进行基于密钥Ka_i的仿射变换和基于密钥Kb_i的Arnold变换，得到置乱后的三个分层水印图像W_i；将分层水印图像W_i中的每个十进制像素值转换为8位二进制数，依次连接成长度为8N²的水印位序列SW_i，其中i＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列从分层宿主图像H_i中选择嵌入块A，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

第三步：根据公式(1)，对选取的嵌入块A进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA，按照Z字形选取变换矩阵dctA的2对离散余弦变换中频系数(c_p1,c_p2)，其中p＝1,2；

dctA＝dct2(A) (1)

其中，dct2(.)为二维离散余弦变换函数；

第四步：按照先后顺序从水印序列SW_i中依次选取2个水印位w_p；利用公式(2)、(3)，对离散余弦变换中频系数(c_p1,c_p2)进行修改，以嵌入水印位w_p，其中p＝1,2；

自定义函数signc(.)的确定规则如下：

自适应嵌入系数△的确定规则如下：

Δ＝α×(dctA(1，1)-avgblock)/dctA(1，1) (5)

其中，sign(.)是取符号函数，avg＝(abs(c_p1)+abs(c_p2))/2，Diff＝abs(c_p2)-abs(c_p1)，abs(.)为求绝对值函数，avgblock为变换矩阵dctA所有元素的平均值，α和β为量化系数，T_i为第i层的量化步长，i＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第五步：用修改后的离散余弦变换系数(c_p1 ^*,c_p2 ^*)替换原有的离散余弦变换系数(c_p1,c_p2)得到含水印的变换矩阵dctA^*，其中p＝1,2分别表示第p对离散余弦变换系数；

第六步：根据公式(6)，对含水印的变换矩阵dctA^*进行逆二维离散余弦变换得到含水印的像素块A^*，并将含水印像素块A^*更新到其在分层宿主图像H_i中的对应位置，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

A^*＝idct2(dctA^*) (6)

其中，idct2(.)为逆二维离散余弦变换函数；

第七步：重复执行上述第二步到第六步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止，由此得到含水印的分层宿主图像

最后，组合含水印的分层宿主图像

得到含水印的宿主图像H^*，其中i＝1,2,3,分别表示红、绿、蓝三层；

其水印提取过程描述如下：

第一步：将含水印彩色宿主图像H*的大小调整为M×M并作分层处理，得到红、绿、蓝三层含水印的分层宿主图像

同时，将每一个含水印分层图像

分成大小为m×m的非重叠像素块，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列，从含水印分层图像

中选择含水印的像素块A^*；

第三步：对选取的含水印像素块A^*进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA^*，并按照Z字形选取变换矩阵dctA^*中与嵌入过程相同位置的2个离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)，其中p＝1,2，分别表示第p对离散余弦变换系数；

第四步：根据离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)之间的大小关系，利用公式(7)从含水印像素块A^*中提取水印位

其中，abs(.)是求绝对值函数，p＝1,2；

第五步：重复执行第二步到第四步，得到每一层提取的二进制水印序列

依次选取水印序列

的8位二进制信息划为一组并转换成十进制的像素值，重复该操作，直到所有的序列都被转换为十进制的像素值，得到各层水印图像的十进制数列，其中i＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：先后对各层的十进制数列重新排列，得到3个置乱的分层水印图像，

并进行基于密钥Kb_i的逆Arnold变换和基于密钥Ka_i的仿射变换，获得各层的提取水印W_i ^*；同时，组合各层的提取水印W_i ^*形成最终的提取水印W^*，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层。

该方法在不同的图像块中自适应地选择不同的嵌入系数，通过对二维离散余弦变换后离散余弦变换中频系数的修改，来完成数字水印的嵌入与盲提取，具有较好的水印不可见性、较强的水印鲁棒性；同时，该方法先后使用了密钥空间较大的仿射变换和Arnold变换对水印进行了双重加密，大大提高了水印算法的安全性。

附图说明

图1(a)、图1(b)是两幅原始彩色载体图像。

图2(a)、图2(b)是两幅原始彩色水印图像。

图3(a)、图3(b)是将图2(a)所示的水印依次嵌入到载体图像图1(a)、图1(b)后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.9712、0.9684，其峰值信噪比PSNR值依次是41.2072dB、40.0748dB。

图4(a)、图4(b)是依次从图3(a)、图3(b)中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.0000、1.0000。

图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)是将图3(a)所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩(5：1)、椒盐噪声(0.2％)、低通滤波(100，2)、缩放(4:1)、剪切(12.5％)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9868、0.9880、0.9561、0.9958、0.9446。

图6(a)、图6(b)是将图2(b)所示的水印依次嵌入到载体图像图1(a)、图1(b)后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.9714、0.9681，其峰值信噪比PSNR值依次是41.2200dB、39.8632dB。

图7(a)、图7(b)是依次从图6(a)、图6(b)中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.0000、1.0000。

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)是将图6(a)所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩(5：1)、椒盐噪声(0.2％)、低通滤波(100，2)、缩放(4:1)、剪切(12.5％)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9743、0.9824、0.9455、0.9939、0.9754。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种自适应彩色数字图像盲水印方法，其特征在于该方法包含水印嵌入和水印提取两个具体过程，其水印嵌入过程描述如下：

其特征在于水印的实现分为水印嵌入和水印提取两个过程，其水印嵌入过程描述如下：

第一步：首先，将一幅大小为512×512的彩色宿主图像H分成红、绿、蓝三个分层宿主图像H_i，同时把每一个分层宿主图像H_i分为4×4的非重叠像素块；将一幅大小为32×32的彩色水印图像W分成红、绿、蓝三个分层水印图像，同时，为了提高水印的安全性，对每个分层水印图像先后进行基于密钥Ka_i的仿射变换和基于密钥Kb_i的Arnold变换，得到置乱后的三个分层水印图像W_i；将分层水印图像W_i中的每个十进制像素值转换为8位二进制数(例如：可将十进制数214转换成二进制序列‘11010110’)，依次连接成长度为8N²的水印位序列SW_i，SW_i的长度为8×32²＝8192；其中i＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列从分层宿主图像H_i中选择嵌入块A，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；此处，设i＝1，从红色层中选取的嵌入块A为

第三步：根据公式(1)，对选取的嵌入块A进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA，按照Z字形选取变换矩阵dctA的2对离散余弦变换中频系数(c_p1,c_p2)，其中p＝1,2；

dctA＝dct2(A) (1)

其中，dct2(.)为二维离散余弦变换函数；此时，对嵌入块A进行二维离散余弦变换得到的变换矩阵dctA为

按照Z字形选取变换矩阵dctA的2对离散余弦变换中频系数(c_p1,c_p2)分别为(-6.2500,0.5303)、(0.2500,-0.0560)；

第四步：按照先后顺序从水印序列SW_i中依次选取2个水印位w_p；利用公式(2)、(3)，对离散余弦变换中频系数(c_p1,c_p2)进行修改，以嵌入水印位w_p，其中p＝1,2；

自定义函数signc(.)的确定规则如下：

自适应嵌入系数△的确定规则如下：

Δ＝αx(dctA(1，1)-avgblock)/dctA(1，1) (5)

其中，sign(.)是取符号函数，avg＝(abs(c_p1)+abs(c_p2))/2，Diff＝abs(c_p2)-abs(c_p1)，abs(.)为求绝对值函数，avgblock为变换矩阵dctA所有元素的平均值，α和β为量化系数，T_i为第i层的量化步长，i＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；此时，i＝1，从水印序列SW₁中选取的2个水印位w_p为‘0’、‘0’；量化步长T₁＝8.5800，量化系数α＝0.8000，量化系数β＝1.0000，自适应嵌入系数△＝0.7498，修改后的离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)为(-10.5735,-2.2936)、(7.3364,5.5307)；

第五步：用修改后的离散余弦变换系数(c_p1 ^*,c_p2 ^*)替换原有的离散余弦变换系数(c_p1,c_p2)得到含水印的变换矩阵dctA^*，其中p＝1,2，分别表示第p对离散余弦变换系数；此时，含水印的变换矩阵dctA^*为

第六步：根据公式(6)，对含水印的变换矩阵dctA^*进行逆二维离散余弦变换得到含水印的像素块A^*，并将含水印像素块A^*更新到其在分层宿主图像H_i中的对应位置，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

A^*＝idct2(dctA^*) (6)

其中，idct2(.)为二维离散余弦反变换函数；此时，含水印的像素块A^*为

第七步：重复执行上述第二步到第六步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止，由此得到含水印的分层宿主图像

最后，组合含水印的分层宿主图像

得到含水印的宿主图像H^*，其中i＝1,2,3,分别表示红、绿、蓝三层；

其水印提取过程描述如下：

第一步：将含水印彩色宿主图像H^*的大小调整为512×512并作分层处理，得到红、绿、蓝三层含水印的分层宿主图像

同时，将每一个含水印分层图像

分成大小为4×4的非重叠像素块，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列，从含水印分层图像

中选择含水印的像素块A^*；此处，设i＝1，从红色层中选取的含水印的像素块A^*为

第三步：对选取的含水印像素块A^*进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA^*，并按照Z字形选取变换矩阵dctA^*中与嵌入过程相同位置的2个离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)，其中p＝1,2，分别表示第p对离散余弦变换系数；此时，二维离散余弦变换后得到的变换矩阵dctA^*为

选取的2个离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)分别为(-10.7500,-2.3839)、(7.7500,4.8668)；

第四步：根据离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*,c_p2 ^*)之间的大小关系，利用公式(7)从含水印像素块A^*中提取水印位

其中，abs(.)是求绝对值函数，p＝1,2；此时，提取的水印位

分别为‘0’、‘0’；

第五步：重复执行第二步到第四步，得到每一层的二进制提取水印序列SW_i ^*，依次选取水印序列SW_i ^*的8位二进制信息划为一组并转换成十进制的像素值，重复该操作，直到所有的序列都被转换为十进制的像素值，得到各层水印图像的十进制数列，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：先后对各层的十进制数列重新排列，得到3个置乱的分层水印图像，

并进行基于密钥Kb_i的逆Arnold变换和基于密钥Ka_i的仿射变换，获得各层的提取水印W_i ^*；同时，组合各层的提取水印W_i ^*形成最终的提取水印W^*，其中i＝1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层。

该方法鲁棒性强、水印不可见性好、安全性高，适用于彩色数字图像作为水印的版权保护。

本发明有效性验证

为了证明本发明的有效性，选择如图1(a)、图1(b)所示的两幅大小为512×512的24位标准彩色图像作为载体图像，并分别用如图2(a)、图2(b)所示的两幅大小为32×32的24位彩色图像作为数字水印进行验证。

图3(a)、图3(b)是将图2(a)所示的水印依次嵌入到载体图像图1(a)、图1(b)后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.9712、0.9684，其峰值信噪比PSNR值依次是41.2072dB、40.0748dB；图4(a)、图4(b)是依次从图3(a)、图3(b)中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.0000、1.0000；图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)是将图3(a)所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩(5：1)、椒盐噪声(0.2％)、低通滤波(100，2)、缩放(4:1)、剪切(12.5％)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9868、0.9880、0.9561、0.9958、0.9446。

图6(a)、图6(b)是将图2(b)所示的水印依次嵌入到载体图像图1(a)、图1(b)后所得到的含水印图像，其结构相似度SSIM值依次是0.9714、0.9681，其峰值信噪比PSNR值依次是41.2200dB、39.8632dB；图7(a)、图7(b)是依次从图6(a)、图6(b)中提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是1.0000、1.0000；图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)是将图6(a)所示的含水印图像依次进行JPEG2000压缩(5：1)、椒盐噪声(0.2％)、低通滤波(100，2)、缩放(4:1)、剪切(12.5％)等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9743、0.9824、0.9455、0.9939、0.9754。

综上所述，所嵌入的数字图像水印具有较好的不可见性，满足了水印算法的不可见性要求；同时，从各种受攻击图像中提取的数字图像水印具有较好的可鉴别性和较高的NC值，说明该方法具有较强的鲁棒性，满足了数字图像版权保护的需要。

Claims (1)

1.一种自适应彩色数字图像盲水印方法，其特征在于该方法含水印嵌入和水印提取两个具体过程，其水印嵌入过程描述如下：

第一步：首先，将一幅大小为M×M的彩色宿主图像H分成红、绿、蓝三个分层宿主图像H_i，同时把每一个分层宿主图像H_i分为m×m的非重叠像素块；将一幅大小为N×N的彩色水印图像W分成红、绿、蓝三个分层水印图像，同时，为了提高水印的安全性，对每个分层水印图像先后进行基于密钥Ka_i的仿射变换和基于密钥Kb_i的Arnold变换，得到置乱后的三个分层水印图像W_i；将分层水印图像W_i中的每个十进制像素值转换为8位二进制数，依次连接成长度为8N²的水印位序列SW_i，其中i＝1，2，3分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列从分层宿主图像H_i中选择嵌入块A，其中i＝1，2，3，分别表示红、绿、蓝三层；

第三步：根据公式(1)，对选取的嵌入块A进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA，按照Z字形选取变换矩阵dctA的2对离散余弦变换中频系数(c_p1，c_p2)，其中p＝1，2；

dctA＝dct2(A) (1)

其中，dct2(.)为二维离散余弦变换函数；

第四步：按照先后顺序从水印序列SW_i中依次选取2个水印位w_p；利用公式(2)、(3)，对离散余弦变换中频系数(c_p1，c_p2)进行修改，以嵌入水印位w_p，其中p＝1，2；

自定义函数signc(.)的确定规则如下：

自适应嵌入系数Δ的确定规则如下：

Δ＝α×(dctA(1，1)-avgblock)/dctA(1，1) (5)

其中，sign(.)是取符号函数，avg＝(abs(c_p1)+abs(c_p2))/2，Diff＝abs(c_p2)-abs(c_p1)，abs(.)为求绝对值函数，avgblock为变换矩阵dctA所有元素的平均值，α和β为量化系数，T_i为第i层的量化步长，i＝1，2，3分别表示红、绿、蓝三层；

第五步：用修改后的离散余弦变换系数(c_p1 ^*，c_p2 ^*)替换原有的离散余弦变换系数(c_p1，c_p2)得到含水印的变换矩阵dctA^*，其中p＝1，2分别表示第p对离散余弦变换系数；

第六步：根据公式(6)，对含水印的变换矩阵dctA^*进行逆二维离散余弦变换得到含水印的像素块A^*，并将含水印像素块A^*更新到其在分层宿主图像H_i中的对应位置，其中i＝1，2，3，分别表示红、绿、蓝三层；

A^*＝idct2(dctA) (6)

其中，idct2(.)为逆二维离散余弦变换函数；

第七步：重复执行上述第二步到第六步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止，由此得到含水印的分层宿主图像

最后，组合含水印的分层宿主图像

得到含水印的宿主图像H^*，其中i＝1，2，3，分别表示红、绿、蓝三层；

其水印提取过程描述如下：

第一步：将含水印彩色宿主图像H^*的大小调整为M×M并作分层处理，得到红、绿、蓝三层含水印的分层宿主图像

同时，将每一个含水印分层图像

分成大小为m×m的非重叠像素块，其中i＝1，2，3，分别表示红、绿、蓝三层；

第二步：利用MATLAB内置函数randperm函数生成的伪随机序列，从含水印分层图像

中选择含水印的像素块A^*；

第三步：对选取的含水印像素块A^*进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA^*，并按照Z字形选取变换矩阵dctA^*中与嵌入过程相同位置的2个离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*，c_p2 ^*)，其中p＝1，2，分别表示第p对离散余弦变换系数；

第四步：根据离散余弦变换中频系数对(c_p1 ^*，c_p2 ^*)之间的大小关系，利用公式(7)从含水印像素块A^*中提取水印位

其中，abs(.)是求绝对值函数，p＝1，2；

第五步：重复执行第二步到第四步，得到每一层提取的二进制水印序列SW_i ^*，依次选取水印序列SW_i ^*的8位二进制信息划为一组并转换成十进制的像素值，重复该操作，直到所有的序列都被转换为十进制的像素值，得到各层水印图像的十进制数列，其中i＝1，2，3分别表示红、绿、蓝三层；

第六步：先后对各层的十进制数列重新排列，得到3个置乱的分层水印图像，并进行基于密钥Kb_i的逆Arnold变换和基于密钥Ka_i的仿射变换，获得各层的提取水印

同时，组合各层的提取水印

形成最终的提取水印W^*，其中i＝1，2，3，分别表示红、绿、蓝三层。

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