CN113962839A - 一种基于tmqir的多色彩模式量子图像盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于三维坐标体系下的多模式量子图像表示（TMQIR）的多色彩模式量子图像盲水印方法，其中包括量子水印嵌入方法、水印提取方法及相应的量子电路设计。将经典应用中在扫描码支付、第三方认证或远程登录认证中发挥着积极作用的二维码（QR码）引入量子世界中。以二值QR码图像作为水印，基于最低有效位（LSB）嵌入任意尺寸的TMQIR多色彩模式量子载体图像。在TMQIR中可以表示24‑bit的RGB真彩色图像和8‑bit灰度图像等多种。从量子图像表示模型来看，可以支持多种颜色模式下的任意尺寸图像，更具有普适性；从水印方法来看，在复杂度和密钥空间方面更具优势；且引入QR码后的量子水印方法，也必将在量子网络中为水印拓展更广阔的应用前景。

Description

一种基于TMQIR的多色彩模式量子图像盲水印方法

技术领域

本发明涉及一种基于TMQIR的多色彩模式量子图像盲水印方法，包括水印嵌入、水印提取及量子电路，属于量子密码、信息安全领域。

背景技术

图像处理技术已相当成熟并得到广泛应用，由于运行机制不同，传统的图像处理算法无法移植到量子计算平台上。随着量子计算和量子通信技术蓬勃发展，量子图像的存储、描述、处理的研究成为研究热点并取得一定的进展。量子图像版权保护和篡改定位的最好方式就是量子图像水印技术，将量子水印信息嵌入量子载体图像中，在不影响载体图像的视觉效果的情况下实现信息隐藏，通过对隐藏在量子图像中的水印进行提取，达到量子图像版权保护和篡改定位等目的。

在量子计算机中，量子图像表示模型是基于一定数量的量子比特及其纠缠来实现的，决定了量子图像的实用性、普适性及处理效率。支持多种色彩模式下任意尺寸H×W的图像可以在量子计算机中表示，使得TMQIR更具有普适性。在TMQIR中，标准正交量子态|0>和|1>序列分别表示图像的位置和颜色。在H×W图像中，Y坐标和X坐标分别需要

和

个qubit。因此，一个TMQIR图像可以用如下公式表示：

其中|ZYX>＝|Z>|Y>|X>＝|z_l-1z_l-2…z₀>|y_h-1y_h-2…y₀>|x_w-1x_w-2…x₀>，

z_k，y_i，x_j∈{0，1}，i∈{0，1，…，h-1}，j∈{0，1，…，w-1}，k∈{0，1，2}，

当θ＝π，φ∈{0，π/2，π，3π/2}时，|I>分别表示二值、灰度、RGB、LAB等色彩模型下的图像。当|I)表示二值图时，φ＝0，无需|z_l-1z_l-2…z₀>，即l＝0，像素位置|YX>上的颜色值|C_YX>只需1个qubit表示，即l_c＝1；当|I>表示灰度图时，φ＝π/2，|z_l-1z_l-2…z₀>用3个qubit表示，即l＝3，颜色值|C_ZYX>只需1个qubit表示，即l_c＝1；当|I>分别表示RGB，LAB颜色模型图，l＝3，

即l_c＝3，分别表示彩色模式下的三个色彩通道的颜色值。

在量子图像水印技术应用过程中，我们经常需要对水印进行提取。如果检测过程不需要原始图像的辅助，则该水印方法为盲水印，在应用中更加便利实用。近年来，有文献提出了一些基于FRQI模型或NEQR模型的量子水印方案，但基于更具普适性的TMQIR量子水印方案没有。此外，基于最低有效位(LSB)的量子水印被认为是简单有效的。

二维码(即QR码)具有数据位和纠错码字的矩阵、分隔图形、定位图形、位置图案、纠错图形。QR码在信息容量、容错能力和识别速度上具有优势，还可以对图像、声音、文本、签名、指纹等数字化信息进行编码。基于QR码的水印信息编码方法可以有效提高水印信息容量，增强水印算法的鲁棒性，便于水印检测。在经典的应用中，二维码起到了很好的线上线下通道作用，同时也兼具信息的隐私性和公开性。在扫描码支付和登录的应用中，二维码在第三方认证和远程认证中发挥着积极的作用。受此启发，QR码被引入量子图像。结合量子的纠缠特性，将为量子图像水印带来新的应用环境和研究前景。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于TMQIR的更具普适性的量子图像盲水印方法。本发明中的量子载体图像支持多种色彩模式，且尺寸大小任意，更具普适性；水印图像则是具有强容错、高信息容量和快识别速度的二维码，即兼顾了信息隐私性与公开性，又结合量子纠缠等特性在量子网络中将更好的推进量子水印的应用；本发明中采用的水印方法在密钥空间和量子电路实现复杂度等方面更有具优势。本发明进一步提高量子信息隐藏的性能、保障量子密码的安全。

本发明的技术方案如下：

基于TMQIR模型，采用了Arnold置乱和LSB的隐写技术，将一个2ⁿ×2ⁿ的QR码水印图像嵌入到一个H×W(2ⁿ≤min(H,W))任意大小的载体图像中。本发明中的水印方案主要包括两个阶段：水印嵌入和水印提取。具体描述如下：

水印嵌入阶段中，整体流程如图1所示，详细步骤说明如下：

Emb1、载体图像和水印图像分别用TMQIR表示。基于TMQIR模型，当表示RGB真彩色图时，θ＝π，φ＝π，l＝3，l_c＝3；当表示二值灰度图时，θ＝π，φ＝0，l＝0，l_c＝1。以大小为H×W的RGB真彩色载体图像和2ⁿ×2ⁿ(2ⁿ≤min(H,W))大小的二值灰度QR码水印图为例，用TMQIR模型分别表示为|I_C>和|I_W>。

Emb2、把TMQIR彩色载体图转为TMQIR灰度图。如真彩色图中每个像素位置点有红、绿和蓝的三种颜色通道，分别用I_R,I_G和I_B表示，每个颜色通道的值是一个无符号整数，范围为0到255。在灰度图像中，灰度即指黑白图像中的颜色深度，由I_gray表示。灰度图像的矩阵元素的值是0到255的无符号整数，因此其数据类型通常是8位无符号整数。当彩色图像被转换为灰度图像时，要计算每个像素的有效灰度值，如下公式所示：

I_gray＝W_R×I_R+W_G×I_G+W_B×I_B

其中W_R,W_G和W_B分别为红色，绿色和蓝色通道的权值，且W_R+W_G+W_B＝1。因此，如果确定这三个权值的任何两个，就可以获得相应的灰度图像。

本发明中我们引入量子颜色映射图|M_Cg>，信息从存储在量子计算机上的RGB真彩色TMQIR图转换到TMQIR灰度图。

我们设计并实现了从RGB真彩色TMQIR图到灰度TMQIR图的转换量子电路(详见图3)，基于量子颜色映射图|M_Cg>，实现了从彩色图像为|I_C>变换到灰度图像为|I_Cg>，即，在灰度|I_Cg>中，θ＝π，φ＝π/2，l＝3，l_c＝1。

说明：本发明中，没有对|I_Cg>进行置乱，也一定程度降上低了方案的复杂度。主要是考虑|I_Cg>只有8个位平面，其置乱周期小，且之后我们选用的是基于LSB隐写，此处置乱，对系统意义不大。

Emb3、对二值TMQIR水印图像|I_W>执行Arnold置乱算法。由于|I_W>是二值图像，我们采用了改进的量子Arnold图像置乱算法，通过改变水印图像像素的坐标来实现水印图像置乱，将|I_W>更改为不可读的水印图像|I_Ws>。

Emb4、基于LSB隐写算法实现量子水印图像嵌入。置乱后的2ⁿ×2ⁿ二值TMQIR水印图像|I_Ws>将被嵌入在H×W(2ⁿ≤min(H,W))灰度TMQIR载体图像|I_C>的LSB中。其中若

则需要将|I_Ws>缩放，得到

水印图像

其中

再将水印图像的每个像素位依次嵌入到载体图像对应位置颜色的最低位，进而得到嵌有水印的TMQIR灰度图|I_CWg>。具体水印嵌入量子电路如图4所示。

Emb5、将嵌有水印的TMQIR灰度图恢复为彩色模式。依据Emb2步骤中选中的RGB三色通道权重值的两个，可以把灰度图恢复为彩色，实现量子电路如图5所示。

借助量子颜色映射图|M_Cg>，我们可以在原始TMQIR彩色图|I_C>的帮助下，可以把带水印的TMQIR灰度图|I_CWg>转为TMQIR彩色图|I_CW>。实现转换的量子电路如图5所示。

已经嵌入水印的TMQIR彩色图|I_CW>，还可以根据需要转换为其他需要的表示模型。

水印提取阶段，整体流程如图2所示，详细步骤说明如下：

Ext1、把嵌有水印的彩色图用TMQIR模型表示，参照水印嵌入阶段的步骤Emb1，以大小为H×W的RGB真彩色嵌有水印图像为例，用TMQIR表示，记为|I_CW>。

Ext2、把带有水印的TMQIR图|I_CW>转为TMQIR灰度图|I_CWg>，参照水印嵌入阶段的步骤Emb2，转换所用量子电路与图3相似。

Ext3、基于LSB提取量子水印图像。在大小为H×W的TMQIR灰度图|I_CWg>中，依据水印嵌入阶段的步骤Emb4，从前

行和列中颜色的最低位提取出

的二值TMQIR水印图像，若

则需要进一步把水印图像缩小为2ⁿ×2ⁿ的水印图像|I_Ws>。提取过程所需量子电路如图6所示。

Ext4、对水印图像逆置乱还原出原始的TMQIR水印图像。|I_Ws>为2ⁿ×2ⁿ的水印图像为置乱后的水印图像，需要执行嵌入阶段的步骤Emb3的置乱算法的逆过程，对水印图像进行还原，从而得到原始的TMQIR水印图像|I_W>。

附图说明

图1为本发明的量子图像水印嵌入流程图

图2为本发明的量子图像水印提取流程图

图3为本发明的RGB真彩色TMQIR图到灰度TMQIR图转换量子电路图

图4为本发明的基于LSB的水印嵌入过程量子电路图

图5为本发明的灰度TMQIR图到RGB真彩色TMQIR图转换量子电路图

图6为本发明的基于LSB的水印提取过程量子电路图

具体实施方式

为更加清晰、详细的了解本发明，将结合附图具体阐述本发明的技术方案。所阐述的为本发明的一部分实施例，而不是全部。

本发明提供了一种基于TMQIR模型的多色彩模式量子图像盲水印方法。主要包括水印嵌入阶段和水印提取阶段，具体步骤分别说明如下：

水印嵌入阶段的流程图如图1所示，主要包括以下5个步骤。

Emb1、以大小为H×W的24位RGB载体图像和2ⁿ×2ⁿ(2ⁿ≤min(H,W))的二值灰度QR码水印图为例，用TMQIR模型分别表示为|I_C>和|I_W>。

其中，

z_k,y_i,x_j∈{0,1}，，i∈{0,1,…,h-1}，j∈{0,1,…,w-1}，k∈{0,1,2}。

其中，|YX>＝|Y>|X>＝|y_n-1y_n-2…y₀>,|x_n-1x_n-2…x₀>，n＝min{h,w}，|C_YX>∈{0,1}用于表示对应像素|YX>位置的二值颜色。

Emb2、把TMQIR彩色载体图|I_C>转为TMQIR灰度图。依据真彩色的红、绿和蓝色的三种颜色通道I_R,I_G和I_B及权值W_R,W_G和W_B权值构成，计算每个像素的有效灰度值，公式如下所示：

I_gray＝W_R×I_R+W_G×I_G+W_B×I_B

其中W_R+W_G+W_B＝1。

引入量子颜色映射图|M_Cg>，如下公式所示：

其中，|C>＝|c²c¹c⁰z₂z₁z₀>，|c^j>,|z_j>∈{0,1},j∈{0,1,2}，分别表示颜色信息及其所处的位置信息，

i∈{0,1,2}，分别表示灰度信息及其所处的位置信息。

依据RGB真彩色TMQIR图到灰度TMQIR的转换电路(即图3所示)，基于量子颜色映射图|M_Cg>，把彩色图像|I_C>变换到灰度图像|I_Cg>，|I_Cg>如下公式所示。

其中，

|ZYX>＝|z₂z₁z₀>|y_h-1y_h-2…y₀>|x_w-1x_w-2…x₀>，c_ZYX,z_k,y_i,x_j∈{0,1}，i∈{0,1,…,h-1}，j∈{0,1,…,w-1}，k∈{0,1,2}，|C_ZYX>∈{0,1}表示相应像素的灰度信息。

Emb3、依据改进的二值量子图像Arnold置乱算法，改变二值TMQIR水印图像|I_W>的像素坐标，使其成为置乱的二值水印图像|I_Ws>。

Emb4、若置乱后的2ⁿ×2ⁿ二值TMQIR水印图像|I_Ws>的

则依据文献中的最近邻插值方法对|I_Ws>缩放，得到水印图像

大小为

为便于描述，我们把载体图的前

行，前

列的区域记为图像

在

和

的相同坐标位置上，交换二者该坐标点上灰度值的最低位，同时把

的坐标置0，完成将

嵌入到载体图像

对应像素的最低位中，得到嵌入水印后的

大小为

最终得到带水印的H×W的灰度图|I_CWg>，TMQIR表示如下：

其中

具体量子电路如图4所示。

Emb5、将带水印的TMQIR灰度图|I_CWg>转为TMQIR彩色图|I_CW>。转换公式如下：

借助量子颜色映射图|M_Cg>，在原始TMQIR彩色图|I_C>的帮助下，把含水印的TMQIR灰度图转|I_CWg>为TMQIR彩色图|I_CW>。实现转换的量子电路如图5所示。

水印提取阶段的整体流程如图2所示，主要包括以下4个步骤。

Ext1、嵌有水印图以大小为H×W的RGB真彩色为例，将其用TMQIR表示，记为|I_CW>，表达式如下：

这里，

|ZYX>＝|z₂z₁z₀>|y_h-1y_h-2…y₀>|x_w-1x_w-2…x₀>，

z_k,y_i,x_j∈{0,1}，i∈{0,1,…,h-1}，j∈{0,1,…,w-1}，k∈{0,1,2}，

依次表示相应像素|ZYX>处R、G、B三个通道的颜色信息。

Ext2、将嵌有水印的TMQIR图|I_CW>转为TMQIR灰度图|I_CWg>，转换过程参照水印嵌入过程Emb2。其中转换所用量子电路图与图3类似。得到的带水印灰度图|I_CWg>的TMQIR表示如下：

其中

|C_ZYX>∈{0,1}表示相应像素的灰度信息。

Ext3、从大小为H×W的TMQIR灰度图|I_CWg>的前

行和

列(该区域标记为

)中，依据LSB隐写算法，从最低位提取出并处理为2ⁿ×2ⁿ的二值TMQIR水印图像|I_Ws>，其中

详细过程如下：

先将

个qubit位初始化为|0>，用来表示要提取的水印图像

其中

个qubit用于表示此水印图像的行和列坐标，状态都设置|0>和|1>的叠加。剩下的1个qubit用于表示对应像素的二值灰度。

再在载体图像

的坐标与水印图像

的对应相同的坐标位置上，交换二者该坐标点上灰度值的最低位，同时

的对应坐标置为|0>。从而获得大小为

的二值水印图像

其TMQIR表示如下公式所示，基于LSB提取载体图像中QR码水印图像的量子电路如图6所示。

其中

|C_YX>∈{0,1}用于表示对于像素位置|YX>的二值颜色信息。

最后提取出的

水印图像

依据文献中的最近邻插值方法缩小，进而还原出2ⁿ×2ⁿ的二值TMQIR水印图像|I_Ws>。

Ext4、对提取出来的2ⁿ×2ⁿ的水印图像|I_Ws>执行逆置乱，即执行嵌入过程Emb3的置乱算法的逆过程，还原出原始的二值TMQIR水印图像|I_W>。

Claims (5)

1.一种基于TMQIR的多色彩模式量子图像盲水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：

Emb1：任意大小H×W的载体图像和2ⁿ×2ⁿ(2ⁿ≤min(H,W))大小的二值灰度QR码水印图用TMQIR模型表示，以下以24-bit真彩色载体图为例；

Emb2：把TMQIR彩色载体图转为TMQIR灰度图，TMQIR中的红绿蓝三种颜色通道I_R，I_G和I_B分别对应的权重值W_R，W_G和W_B中给定两个，同时借助量子颜色映射图，依据公式I_gray＝W_R×I_R+W_G×I_G+W_B×I_B得到TMQIR灰度载体图；

Emb3：把二值TMQIR水印图像进行改进的Arnold置乱；

Emb4：基于LSB隐写算法实现量子水印图像的嵌入，将置乱后的TMQIR水印图像大小进行适度缩放，进而与TMQIR灰度载体图相应像素点颜色最低位交换，实现水印的嵌入；

Emb5：基于设定的颜色权值，借助量子颜色映射图，将嵌有水印的TMQIR灰度图转换为原色彩模式。

2.一种基于TMQIR的多色彩模式量子图像盲水印提取方法，其特征在于，包括以下步骤

Ext1:把已嵌有水印的任意大小H×W的载体图像用TMQIR模型表示，以下以24-bit真彩色图为例；

Ext2：把TMQIR带水印图转换为灰度图，设定RGB三颜色通道权重值W_R，W_G和W_B中任意两个，借助量子颜色映射图，依据公式I_gray＝W_R×I_R+W_G×I_G+W_B×I_B，把嵌有水印的TMQIR彩色图转为TMQIR灰度图；

Ext3：从灰度表示的嵌有水印的TMQIR图中提取出水印图像，基于LSB技术，从相应像素区域提取水印，适当调整图像大小得到TMQIR水印图像，该过程是权利要求1中步骤Emb4嵌入过程的逆；

Ext4：将提取出的水印图像进行Arnold逆置乱，还原出原始的TMQIR水印图像，该过程是权利要求1中Emb3的逆过程。

3.根据权利要求1水印嵌入方法所述的水印嵌入量子电路设计方法，其特征在于实现权利要求1中步骤Emb4所述的水印嵌入过程，基于LSB算法，把二值加扰TMQIR水印图像|I_Ws>嵌入到TMQIR灰度载体图像|I_Cg>相应像素的最低位中。

4.根据权利要求2水印提取方法所述的水印提取量子电路设计方法，其特征在于实现权利要求2中步骤Ext3所述的水印提取过程，基于LSB算法，在大小为H×W的TMQIR灰度图|I_CWg>中，从相应像素区域的最低位提取TMQIR水印图像。

5.根据权利要求1和2所述的真彩色TMQIR图与灰度TMQIR图之间的相互转换量子电路设计方法，其特征在于：基于RGB三色通道权重值W_R，W_G和W_B中任意两个，借助量子颜色映射图用来实现TMQIR表示的RGB真彩色图与灰度图之间的相互转换。

(上述所有量子电路中包括基本量子门、控制非门和多控制门) 。

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