CN114897657A - 一种数字图像水印嵌入提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字图像水印嵌入提取方法，属于数字图像水印技术领域。本发明首先对原始载体图像进行离散平稳小波变换，提取中频子带LHI、HLI，将提取的中频子带LHI、HLI进行SVD分解。对水印图像进行离散小波变换(DWT)，提取中频子带LHW、HLW,将提取的中频子带LHW、HLW进行SVD分解。利用嵌入规则，将水印图像嵌入到原始载体图像中。提取水印图像时，对嵌入水印后的载体图像进行离散平稳小波变换，提取中频子带LHM、HLM，对提取的中频子带LHM、HLM进行SVD分解，利用嵌入规则的反向规则分别提取出水印的两个奇异值矩阵，然后对奇异值矩阵进行反SVD分解得到水印图像两个中频子带，对中频子带进行离散小波反变换得到提取的水印图像。

Description

一种数字图像水印嵌入提取方法
技术领域
本发明涉及一种数字图像水印嵌入提取方法，属于数字图像水印技术领域。
背景技术
随着互联网技术发展的日新月异，数字媒体已经逐步替代传统纸质媒介，逐渐成为人们日常获取信息的重要渠道之一。数字媒体内容的获取方式简单高效，但数字媒体内容大肆传播也带来诸多问题，例如非法复制，伪造，盗版等数字版权保护问题也随之而来，严重侵犯了数字内容出版商的合法权益。为保证数字媒体内容合法传播利用，数字版权保护变得尤其重要。
数字水印技术可以有效地保护数字版权信息。数字水印技术通过将可用于识别版权的信息无形地嵌入到音频、图像、视频中以达到保护数字版权的目的，目前已经得到广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数字图像水印嵌入提取方法，解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种数字图像水印嵌入提取方法，首先对原始载体图像进行离散平稳小波变换(SWT)，提取中频子带LHI、HLI，将提取的中频子带LHI、HLI进行SVD分解。对水印图像进行离散小波变换(DWT)，提取中频子带LHW、HLW，将提取的中频子带LHW、HLW进行SVD分解。利用嵌入规则，将水印图像嵌入到原始载体图像中。提取水印图像时，对嵌入水印后的载体图像进行离散平稳小波变换(SWT)，提取中频子带LHM、HLM，对提取的中频子带LHM、HLM进行SVD分解，利用嵌入规则的反向规则分别提取出水印的两个奇异值矩阵，然后对奇异值矩阵进行反SVD分解得到水印图像两个中频子带，对中频子带进行离散小波反变换(IDWT)得到提取的水印图像。
具体步骤为：
Step1：水印嵌入过程：
Step1.1：对原始载体图像I进行离散平稳小波变换(SWT)，得到LLI、LHI、HLI、HHI四个子带。载体图像I大小为M×M。子带大小为M×M。
Step1.2：提取中频子带LHI，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000011
Figure BDA0003611490030000012
Step1.3：提取中频子带HLI，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000013
Figure BDA0003611490030000021
Step1.4：水印图像W大小为N×N。原始载体图像与水印图像中M与N的关系：
M＝N/2
Step1.5：对水印图像W进行离散小波变换(DWT)，得到LLW、LHW、HLW、HHW四个子带。水印图像I大小为N×N。子带大小为
Figure BDA0003611490030000022
Step1.6：提取中频子带LHW，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000023
Figure BDA0003611490030000024
Step1.7：提取中频子带HLW，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000025
Figure BDA0003611490030000026
Step1.8：对
Figure BDA0003611490030000027
利用下式进行嵌入。
Figure BDA0003611490030000028
Step1.9：对
Figure BDA0003611490030000029
利用下式进行嵌入。
Figure BDA00036114900300000210
Step1.10：对矩阵
Figure BDA00036114900300000211
进行反SVD分解，得到矩阵LHM。
Figure BDA00036114900300000212
Step1.11：对矩阵
Figure BDA00036114900300000213
进行反SVD分解，得到矩阵HLM。
Figure BDA00036114900300000214
Step1.12：对嵌入水印信息后的中频子带LHM、HLM进行离散平稳小波反变换(ISWT)，得到嵌入水印图像后的载体图像I*。
Step2：水印提取过程：
Step2.1：对嵌入水印后的载体图像I*进行离散平稳小波变换(SWT)，得到LLI*、LHI*、HLI*、HHI*四个子带。
Step2.2：对中频子带LHI*进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000215
Figure BDA00036114900300000216
Step2.3：对中频子带HLI*进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000217
Figure BDA0003611490030000031
Step2.4：利用下式，得到水印图像的一个奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000032
Figure BDA0003611490030000033
Step2.5：利用下式，得到水印图像的另一个奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000034
Figure BDA0003611490030000035
Step2.6：对奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000036
进行反SVD分解，得到矩阵LHW*。
Figure BDA0003611490030000037
Step2.7：对奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000038
进行反SVD分解，得到矩阵HLW*。
Figure BDA0003611490030000039
Step2.8：对矩阵LHW*、HLW*进行离散平稳小波反变换(ISWT)，得到提取的水印图像W*。
本发明的有益效果是：本发明对嵌入水印后的图像进行不同类型的攻击，并对水印图像进行提取，仿真结果表明嵌入水印后的载体图像在遭受到各类攻击后具有较好的不可见性的同时也表现出较好的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的水印嵌入过程图；
图2是本发明水印提取过程图；
图3是本发明三无攻击嵌入水印后的载体图像和提取的水印图像；
图4是本发明四椒盐噪声攻击嵌入水印后的载体图像和提取的水印图像；
图5是本发明JPEG压缩攻击嵌入水印后的载体图像和提取的水印图像；
图6是本发明中值滤波攻击嵌入水印后的载体图像和提取的水印图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-6所示，一种数字图像水印嵌入提取方法，具体步骤为：
Step1：对原始载体图像进行SWT，提取中频子带LHI、HLI分别进行SVD分解，对水印图像进行DWT，提取中频子带LHW、HLW分别进行SVD分解，利用嵌入规则，将水印图像嵌入到原始载体图像中。
Step2：对嵌入水印后的载体图像进行SWT，提取中频子带LHM、HLM分别进行SVD分解，利用嵌入规则的反向规则分别提取出水印的奇异值矩阵，然后对奇异值矩阵进行反SVD分解得到水印图像两个中频子带，对中频子带进行IDWT得到提取的水印图像。
所述Step1中，利用
Figure BDA0003611490030000041
规则进行嵌入，其中
Figure BDA0003611490030000042
Figure BDA0003611490030000043
为原始载体图像奇异值矩阵，
Figure BDA0003611490030000044
为水印图像奇异值矩阵，
Figure BDA0003611490030000045
为嵌入水印后载体图像的奇异值矩阵，a为嵌入强度。
所述Step2中，利用
Figure BDA0003611490030000046
规则对水印图像进行提取，其中
Figure BDA0003611490030000047
为嵌入水印后载体图像的奇异值矩阵，
Figure BDA0003611490030000048
为提取水印图像的奇异值矩阵，a为嵌入强度。
所述Step1具体为：
对载体图像I进行离散平稳小波变换(SWT)，得到LLI、LHI、HLI、HHI四个子带。原始载体图像大小256×256。子带大小256×256。
提取中频子带LHI，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA0003611490030000049
Figure BDA00036114900300000410
提取中频子带HLI，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000411
Figure BDA00036114900300000412
对水印图像W进行离散小波变换(DWT)，得到LLW、LHW、HLW、HHW四个子带。水印图像W大小为512×512。子带大小为256×256。
提取中频子带LHW，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000413
Figure BDA00036114900300000414
提取中频子带HLW，进行SVD分解，得到奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000415
Figure BDA00036114900300000416
对
Figure BDA00036114900300000417
利用下式进行嵌入，a为嵌入强度，取值0.04。
Figure BDA00036114900300000418
对
Figure BDA0003611490030000051
利用下式进行嵌入，a为嵌入强度，取值0.04。
Figure BDA0003611490030000052
对矩阵
Figure BDA0003611490030000053
进行反SVD分解，得到矩阵LHM。
Figure BDA0003611490030000054
对矩阵
Figure BDA0003611490030000055
进行反SVD分解，得到矩阵HLM。
Figure BDA0003611490030000056
对嵌入水印信息后的中频子带LHM、HLM进行离散平稳小波反变换(ISWT)，得到嵌入水印图像后的载体图像I*。
所述Step1具体为：
对嵌入水印后的载体图像I*进行离散平稳小波变换(SWT)，得到LLI*、LHI*、HLI*、HHI*四个子带。嵌入水印后的载体图像I*大小为256×256。
对中频子带
Figure BDA00036114900300000519
进行SVD分解，得到
Figure BDA0003611490030000057
矩阵。
Figure BDA0003611490030000058
对中频子带
Figure BDA00036114900300000520
进行SVD分解，得到
Figure BDA0003611490030000059
矩阵。
Figure BDA00036114900300000510
利用下式，得到水印图像的一个奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000511
a为嵌入强度，取值0.04。
Figure BDA00036114900300000512
利用下式，得到水印图像的另一个奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000513
a为嵌入强度，取值0.04。
Figure BDA00036114900300000514
对奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000515
进行反SVD分解，得到矩阵
Figure BDA00036114900300000521
Figure BDA00036114900300000516
对奇异值矩阵
Figure BDA00036114900300000517
进行反SVD分解，得到矩阵
Figure BDA00036114900300000522
Figure BDA00036114900300000518
对矩阵LHW*、HLW*进行离散平稳小波反变换(ISWT)，得到提取的水印图像W*。
为了验证本发明的有效性，本发明使用MATLAB作为实验仿真平台。原始载体图像使用lena灰度图像，图像大小256*256。水印图像为512*512的QR码图像，离散平稳小波(SWT)方案采用Symlets小波基函数，离散小波(DWT)方案采用haar小波基函数。嵌入强度a为0.04。
如图3所示，Host image为原始载体图像lena灰度图，Watermark logo为水印图像，Watermarkedimage为无攻击时嵌入水印后的载体图像，Extractedwatermark为无攻击时提取的水印图像。
本发明使用用峰值信噪比(PSNR)来体现不可感知性。峰值信噪比(PSNR)越高，代表嵌入水印后的载体图像的视觉质量越好。结合相关参考文献，嵌入水印图像后的载体图像峰值信噪比(PSNR)达到30dB或者更高的要求时，人类视觉对嵌入水印后的载体图像不会察觉到明显变化。
本发明使用用相关系数(NC)来体现鲁棒性。相关系数(NC)所表示的含义是提取的水印图像和原水印之间的相似性。
表1是不同攻击对比实验数据。嵌入水印后的载体图像在遭受不同类型的攻击时峰值信噪比(PSNR)以及遭受不同类型的攻击后提取水印与原始水印相关系数(NC)。
Figure BDA0003611490030000061
表1
经过实验，发现本发明提出的算法对等常见的攻击都表现出较好的鲁棒性，同时对于无攻击时也表现出较好的峰值信噪比，具有较好的不可见性。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种数字图像水印嵌入提取方法，其特征在于：
Step1：对原始载体图像进行SWT，提取中频子带LHI、HLI分别进行SVD分解，对水印图像进行DWT，提取中频子带LHW、HLW分别进行SVD分解，利用嵌入规则，将水印图像嵌入到原始载体图像中；
Step2：对嵌入水印后的载体图像进行SWT，提取中频子带LHM、HLM分别进行SVD分解，利用嵌入规则的反向规则分别提取出水印的奇异值矩阵，然后对奇异值矩阵进行反SVD分解得到水印图像两个中频子带，对中频子带进行IDWT得到提取的水印图像。
2.根据权利要求1所述的数字图像水印嵌入提取方法，其特征在于：所述Step1中，利用
Figure FDA0003611490020000011
规则进行嵌入，其中
Figure FDA0003611490020000012
为原始载体图像奇异值矩阵，
Figure FDA0003611490020000013
为水印图像奇异值矩阵，
Figure FDA0003611490020000014
为嵌入水印后载体图像的奇异值矩阵，a为嵌入强度。
3.根据权利要求1所述的数字图像水印嵌入提取方法，其特征在于：所述Step2中，利用
Figure FDA0003611490020000015
规则对水印图像进行提取，其中
Figure FDA0003611490020000016
为嵌入水印后载体图像的奇异值矩阵，
Figure FDA0003611490020000017
为提取水印图像的奇异值矩阵，a为嵌入强度。
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