CN113362213B - 基于直方图的加密域水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直方图的加密域水印方法，包括：步骤S1，采用图像置乱法对明文图像进行加密，获得加密图像；具体地，可采用基于混沌序列的图像置乱法，生成混沌序列；再按照不同的通道进行图像分块，将混沌序列进行排序后，按照混沌序列调整对应的图像块顺序，得到加密图像；步骤S2，更改加密图像的像素值嵌入数字水印，得到嵌入水印后的加密图像；具体地，通过均值法确定直方图需要嵌入数字水印的像素值；根据预设水印嵌入规则遍历加密图像对其像素值进行修改，且整体像素值总和不变，直至所有水印比特全嵌入，得到嵌入水印后的加密图像。该方法嵌入到图像的数字水印信息不会因加解密的过程发生变化，进而保证数字水印在解密后的图像中发挥作用。

Description

基于直方图的加密域水印方法

技术领域

本发明涉及数字保护技术领域，特别涉及一种基于直方图的加密域水印方法。

背景技术

随着互联网技术的发展，海量的数字图像、视频、音频等媒体数据被应用到生活的各个方面，给人们带来了极大便利。但是，随着存储、通信和分发技术的进步，以及开源软件的普及。媒体数据面临着越来越严峻的侵权威胁，例如媒体数据被非授权地上传到图像、视频共享网站以及社交媒体平台上进行传播，对知识产权所有者的收入和商誉都会造成较大甚至严重影响。正因如此，确认媒体数据实际来源以及相关版权信息、隐私信息未受恶意破坏或使用，成为一种迫切的需求。此外，国际国内对版权的管理也越来越严格和正规，因此，可以预见，今后会有更多的与版权管理、鉴别和认证相关的平台和业务出现。经过20多年的长期充分发展之后，数字水印技术被普遍认为是保护媒体数据知识产权的最有效手段之一。

数字水印(Digital Watermarking)是一种利用数据冗余性来嵌入特定标识信息的一种数据保护技术，主要分为图像水印、视频水印、音频水印等等。数字水印的研究已经有很多年了，其技术也是不断的丰富和完善，数字水印被广泛应用在多媒体版权保护、用户侵权检测、隐蔽通信以及内容认证等方面。一般的，嵌入在数据载体中的水印，人的肉眼是很难察觉的，除了嵌入者知道水印之外，其他人由于不了解技术的手段而很难发现水印。而嵌入者在需要时则可以利用一定的技术来提取水印，进而安全性极低。

虽然传统的一些方法也可以用来进行数据保护，比如加密技术，加密技术一般将原数据与一定的密钥结合转换为另一种数据形式或者根据某些方法映射到其他空间，但加密后的数据可能是没有规律或者很难看懂的，只有在解密端解密之后才能看到数据本身，即加密后的数据是不可见的，别人无法使用的，这就很大程度上影响了原数据的使用。

此外，与数字水印相似的技术还有隐写术，隐写术一般是利用多媒体本身的特性，尽可能多的嵌入信息，其主要考虑的是嵌入的容量，而不考虑鲁棒性。这意味着隐写术嵌入的信息较多，但受到攻击以后，其信息就很难提取出来。

因此，亟待一种显著的、公平的、有应用价值的、还鲁棒的数字水印技术。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于直方图的加密域水印方法。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于直方图的加密域水印方法，包括以下步骤：步骤S1，采用图像置乱法对明文图像进行加密，获得加密图像；步骤S2，更改所述加密图像的像素值嵌入数字水印，得到嵌入水印后的加密图像。

本发明实施例的基于直方图的加密域水印方法，采用基于图像置乱的方法对明文图像进行加密，对置乱加密域上的图像嵌入基于直方图方法的加密域水印，由于像素置乱不会改变图像的直方图特性，嵌入到图像的数字水印信息不会因为加密和解密的过程发生变化，能够保证数字水印在解密后的图像中发挥作用；同时，由于数字水印嵌入的过程主要面对的是加密后的图像，而加密的密钥由内容提供者掌握，水印嵌入者无法获取需要嵌入水印图像的内容，进而保护了在数字水印嵌入过程中图像内容的安全性。

另外，根据本发明上述实施例的基于直方图的加密域水印方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1具体包括：步骤S101，采用基于混沌序列的图像置乱法，由Logistics混沌映射生成所述明文图像的混沌序列；步骤S102，将所述明文图像按照不同的通道进行图像分块，以确定所述混沌序列的长度，其中，所述混沌序列的元素对应所述明文图像中的一个像素；步骤S103，将所述混沌序列进行大小排序，使所述明文图像中像素的位置信息与所述混沌序列中相应的元素相应变化，以重新组合图像的像素，获得置乱后的图像，即所述加密图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1的加密过程中，只改变所述明文图像中像素的位置信息，不改变像素值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2具体包括：步骤S201，生成所述加密图像的直方图；步骤S202，通过均值法确定所述直方图需要嵌入数字水印的像素值，并规定所述直方图上预设个数的像素值嵌入1bit的数字水印；步骤S203，根据预设水印嵌入规则遍历所述加密图像对其像素值进行修改，且修改过程保证所述加密图像的整体像素值总和不变，直至完成所有水印比特的嵌入，得到所述嵌入水印后的加密图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当像素值的预设个数为4时，所述预设水印嵌入规则为：

h1–h3>threshold(h1,h3)&&h2–h4>threshold(h2,h4)嵌入1

h3–h1>threshold(h3,h1)&&h4–h2>threshold(h4,h2)嵌入0

threshold(x,y)＝k*(x+y),0<k<1

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度，threshold为阈值函数用于确定像素修改的幅度，k为阈值函数的参数，k值与像素修改的幅度和个数成正相关关系。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述直方图的生成方式还包括所述加密图像经过任何颜色空间变换后的直方图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S3，根据预设数字水印提取规则提取所述嵌入水印后的加密图像中的数字水印，其中，当像素值的预设个数为4时，所述预设数字水印提取规则为：

h1+h3>h2+h4        提取1

h1+h3<h2+h4        提取0

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于直方图的加密域水印方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的基于直方图的加密域水印方法的流程示意图；

图3是本发明一个实施例的图像像素分割并排序示意图；

图4是本发明一个实施例的图像直方图的变换示意图；

图5是本发明一个实施例的每四个像素嵌入1bit的示意图；

图6是本发明一个实施例的直方图水印的嵌入算法流程图；

图7是本发明一个实施例的嵌入水印前后的对比示意图；

图8是本发明一个实施例的缩放攻击实验结果示意图；

图9是本发明一个实施例的压缩攻击实验结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于直方图的加密域水印方法。

图1是本发明一个实施例的基于直方图的加密域水印方法的流程图。

图2是本发明一个实施例的基于直方图的加密域水印方法的流程示意图。

如图1和2所示，该基于直方图的加密域水印方法包括以下步骤：

在步骤S1中，采用图像置乱法对明文图像进行加密，获得加密图像。

需要说明的是，本发明实施例中首先采用基于图像置乱的方法对明文图像进行加密，在图像加密过程中只改变了图像中像素的位置信息，并没有改变像素的值，所以该图像置乱法对于不同的图像置乱加密算法都具有良好的适用性，基于置乱的图像加密方法都可以应用到该加密域水印算法中。

下面本发明实施例以基于混沌序列的置乱加密算法为例，步骤S1进一步包括：

步骤S101，采用基于混沌序列的图像置乱法，由Logistics混沌映射生成明文图像的混沌序列；

步骤S102，将明文图像按照不同的通道进行图像分块，以确定混沌序列的长度，其中，混沌序列的元素对应明文图像中的一个像素；

步骤S103，将混沌序列进行大小排序，使明文图像中像素的位置信息与混沌序列中相应的元素相应变化，以重新组合图像的像素，获得置乱后的图像，即加密图像。

具体地，基于混沌序列的图像加密首先由Logistics混沌映射生成一个混沌序列，Logistics混沌映射:

f(x)＝μx(1-x)                          (1)

其中，μ为混沌序列的参数，μ∈(0,0.75)。通过不断迭代生成一个混沌序列，即：

x_n+1＝μx_n(1-x_n)                         (2)

其中，x₀为混沌序列的初值，混沌序列对于初值敏感，即使对于数值上接近的初值由混沌序列也会产生顺序相差较大的混沌序列。所以可以将参数μ和初值x₀共同作为图像加密解密的密钥。本发明实施例可以将图像分块以确定混沌序列的长度，即对于图像尺寸为m×n×c的图像，然后采取在不同通道分别进行分块的方式生成的混沌序列长度也为m×n×c。

如图3所示，将要加密的图像按照不同的通道分割，在生成的长度为m×n×c的混沌序列中，每一个混沌序列的元素对应着图像中的一个像素值。将混沌序列进行大小排序，而图像像素的位置与混沌序列中相对应的元素相应的变化。这样，本发明实施例就由混沌序列获得了一个对于图像的置乱，再将置乱后的像素重新组合，就得到了一个加密后的图像。

在步骤S2中，更改加密图像的像素值嵌入数字水印，得到嵌入水印后的加密图像。

需要说明的是，基于混沌序列的图像置乱加密方法只改变了图像中像素的位置信息，并没有改变图像像素的值，即像素置乱不会改变图像的直方图特性，因此本发明实施例可以利用这一特性在图像的加密域嵌入基于直方图的水印，对置乱加密域上的图像嵌入基于直方图方法的加密域水印，根据图像直方图特性在图像加密解密前后没有发生改变。

进一步需要强调的是，本发明实施例的“直方图”并不仅仅指图像加密后像素值的直方图，而是也包括了经过RGB到YUV，RGB到YCbCr等色彩空间变换，及各种整数变换后的加密图像的直方图。

进一步地，步骤S2具体包括：

步骤S201，生成加密图像的直方图；

步骤S202，通过均值法确定直方图需要嵌入数字水印的像素值，并规定直方图上预设个数的像素值嵌入1bit的数字水印；

步骤S203，根据预设水印嵌入规则遍历加密图像对其像素值进行修改，且修改过程保证加密图像的整体像素值总和不变，直至完成所有水印比特的嵌入，得到嵌入水印后的加密图像。

也就是说，在加密域中通过更改像素值，在直方图中嵌入水印。举例而言，生成加密图像的直方图，在直方图上以每4个像素值嵌入1bit的数字水印，每幅图像共嵌入10bit的数字水印，即需要直方图上40个像素值来嵌入数字水印，本领域技术人员可根据实际情况嵌入别的bit数目，在此不作具体限定。

由图像直方图的定义可知，RGB图像最多有256个像素值，采用均值的方法来确定需要嵌入水印的像素值，即：

H_mid为第20个用于嵌入水印的像素值，顺序地扩展确定需要嵌入水印的范围，即:

[H_mid-19,H_mid+２０](4)

通过修改像素值的方式来嵌入数字水印，当像素值的预设个数为4时，预设水印嵌入规则具体规则如下：

h1–h3>threshold(h1,h3)&&h2–h4>threshold(h2,h4)嵌入1

h3–h1>threshold(h3,h1)&&h4–h2>threshold(h4,h2)嵌入0

阈值函数:threshold(x,y)＝k*(x+y),0<k<1

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度，threshold为阈值函数用于确定像素修改的幅度，k为阈值函数的参数，k值越大，像素修改的幅度和个数就越大。如图4所示，在像素更改的过程中保证像素值增加的量和改变的量相等，保证整体均值不改变，提取水印时的像素值也不会改变，即提取水印时要保证提取水印的像素值与用于嵌入水印的像素值相同。

如图5和6所示，对于加密域上的图像，首先通过均值确定嵌入直方图中用于嵌入数字水印的像素值，每4个像素值嵌入1bit水印。若满足水印嵌入规则，则不做出更改。若不满足水印嵌入规则，则遍历图像对像素值进行修改，满足水印嵌入规则。修改像素值保证图像整体的像素值总和不变，保证提取水印时确定像素值与嵌入时仍然相同。

进一步地，本发明实施例还包括：步骤S3，根据预设数字水印提取规则提取嵌入水印后的加密图像中的数字水印，数字水印提取采取较嵌入更为宽松的规则，以保证图像经过处理后数字水印仍然具有一定的鲁棒性，另外，提取嵌入水印也可以在嵌入水印后的加密或者解密图像中提取水印。其中，当像素值的预设个数为4时，预设数字水印提取规则为：

h1+h3>h2+h4        提取1

h1+h3<h2+h4        提取0

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度，仍然使用均值的方式确定像素值，保证嵌入和提取数字水印的像素值不变。

具体地，下面举例基于直方图的加密域水印嵌入和提取水印的算法伪代码为：

表1为基于直方图的加密域水印嵌入算法为：

表2为基于直方图的加密域水印提取算法

下面通过一个具体实施例对基于直方图的加密域水印方法进一步验证。

在实验过程中,logistics映射的参数μ可以设置为一个固定参数，同样也可以每次加密将参数μ作为密钥的一部分。x₀为logistics映射的初值，x₀∈(0,1)。x₀用来生成混沌序列，被作为密钥加密和解密。

在更改像素值嵌入水印的过程中，首先确定原始的像素值source_val和要更改到的像素值target_val。在该水印算法中，source_val和target_val都对应为(h₀,h₂),(h₁,h₃)，也就是说更改像素值的过程只会在(h₀,h₂)和(h₁,h₃)之间进行。也就是说|source_val-target_val|＝2尽量减少像素更改的幅度，保证嵌入的水印肉眼难以察觉，如图7所示。

如图8所示，同时本发明实施例具有良好的鲁棒性，能够有效地抵抗缩放、JPEG压缩等攻击方式。在缩放攻击测试中，在面对缩小超过75％，放大超过150％的攻击中，都表现出了较好的鲁棒性。进行的100bit的测试中，准确率达到了100％。

如图9所示，采用JPEG压缩攻击对图像进行压缩攻击，对于不同的JPEG压缩因子，每个因子进行100bit的测试，可以看到。在JPEG压缩因子为50时，算法仍然保持了90％左右的准确率，说明具有一定的抗压缩能力。

此外，基于直方图的水印算法对于图像加密的范围也没有固定的要求。即，图像可以部分加密。利用这一特性，对于部分加密的图像，也能够正常嵌入水印。在具体的应用场景中，可以对譬如人脸等关键区域选择性加密，并嵌入水印。选择性加密对于水印的效果也没有任何影响。项目利用开源的人脸识别算法，实现了一个针对人脸的选择性加密和水印嵌入的功能。

因此，本发明实施例提出的基于直方图的加密域水印方法，结合了图像的置乱加密技术和基于直方图的数字水印技术，利用图像置乱加密前后，图像的直方图特性不会发生变化的特点，通过改变图像像素值的方式在直方图上嵌入数字水印，保证了在水印嵌入的过程中，图像信息的安全性，即水印嵌入者在提供水印嵌入服务的过程中，不能获得图像的内容，极大地减少了信息泄露的风险；并且嵌入的水印不会影响图像解密过程，图像的内容提供者对嵌入水印后的加密图像进行解密后即可用于各种用途；同时也尽量减小改变的幅度，以使得获得嵌入数字水印前后图像的差异尽可能的小；在水印的提取过程中，也也不需要对待检测图像重新加密，直接对待检测图像应用水印提取算法就可以提取出图像在加密域中嵌入的水印。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于直方图的加密域水印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，采用图像置乱法对明文图像进行加密，获得加密图像，具体包括：

步骤S101，采用图像置乱法生成所述明文图像的混沌序列；

步骤S102，将所述明文图像按照不同的通道进行图像分块，以确定所述混沌序列的长度，其中，所述混沌序列的元素对应所述明文图像中的一个像素；

步骤S103，将所述混沌序列进行大小排序，使所述明文图像中像素的位置信息与所述混沌序列中相应的元素相应变化，以重新组合图像的像素，获得置乱后的图像，即所述加密图像，其中，加密过程中只改变所述明文图像中像素的位置信息，不改变像素值；

步骤S2，更改所述加密图像的像素值嵌入数字水印，得到嵌入水印后的加密图像，具体包括：

步骤S201，生成所述加密图像的直方图；

步骤S202，通过均值法确定所述直方图需要嵌入数字水印的像素值，并规定所述直方图上预设个数的像素值嵌入1bit的数字水印；

步骤S203，根据预设水印嵌入规则遍历所述加密图像对其像素值进行修改，且修改过程保证所述加密图像的整体像素值总和不变，直至完成所有水印比特的嵌入，得到所述嵌入水印后的加密图像；

当像素值的预设个数为4时，所述预设水印嵌入规则为：

h1–h3>threshold(h1,h3)&&h2–h4>threshold(h2,h4)嵌入1

h3–h1>threshold(h3,h1)&&h4–h2>threshold(h4,h2)嵌入0

threshold(x,y)＝k*(x+y),0<k<1

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度，threshold为阈值函数用于确定像素修改的幅度，k为阈值函数的参数，k值与像素修改的幅度和个数成正相关关系。

2.根据权利要求1所述的基于直方图的加密域水印方法，其特征在于，所述步骤S101中采用基于混沌序列的图像置乱法，由Logistics混沌映射生成所述明文图像的混沌序列。

3.根据权利要求1所述的基于直方图的加密域水印方法，其特征在于，所述直方图的生成方式还包括所述加密图像经过任何颜色空间变换后的直方图。

4.根据权利要求1所述的基于直方图的加密域水印方法，其特征在于，还包括：

步骤S3，根据预设数字水印提取规则提取所述嵌入水印后的加密图像中的数字水印，其中，当像素值的预设个数为4时，所述预设数字水印提取规则为：

h1+h3>h2+h4提取1

h1+h3<h2+h4提取0

其中，h1为第一像素值的直方图高度，h2为第二像素值的直方图高度，h3为第三像素值的直方图高度，h4为第四像素值的直方图高度。

Images