CN117495647A - 基于ulv分解的彩色图像数字水印方法 - Google Patents

基于ulv分解的彩色图像数字水印方法 Download PDF

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Abstract

本发明利用频域数字水印算法鲁棒性强的优点，公开了一种基于ULV分解的彩色图像数字水印方法。本发明根据ULV分解后下三角矩阵中的元素分布规律，通过对其最大能量元素进行量化完成了彩色数字水印嵌入与盲提取。本发明将彩色数字水印图像嵌入到彩色宿主图像中，在具有较好的水印隐蔽性的基础上，本发明既具有较强的鲁棒性，又具有较高的安全性，解决了大容量彩色图像数字水印算法鲁棒性差和安全性低的难题，适用于强鲁棒性、高安全性的大容量数字媒体版权保护的场合。

Description

基于ULV分解的彩色图像数字水印方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，涉及强鲁棒性和高安全性的大容量彩色数字图像的版权保护。
背景技术
在以数字信息为特征的信息社会，各种形式的多媒体数字作品都可以被随意复制且易于改造，并能够以不同形式在网络上方便、快捷地发表和传输，其中彩色数字图像因为能够形象生动地传达信息，所以其被广泛使用；但是，这给我们带来便利的同时也带来了安全隐患，因此为保证作品作者以及合法用户的权利，如何有效地对彩色数字图像的版权进行保护吸引了国内外学者的广泛关注。然而，现有的应用于数字图像版权保护的数字水印算法具有一定的局限性：首先，在网络上的广泛传输使得数字作品受攻击的可能性大大增加，所以需要进一步增强水印算法的鲁棒性以抵抗多样的攻击；其次，随着侵权者对计算机技术的深入研究，其破解版权保护算法的能力日益增强，所以较小密钥空间的水印算法难以满足高安全性的应用需求；最后，版权保护的标识更趋向于信息量更大和视觉效果更佳的彩色图像数字水印，而容量较小的伪随机序列、二值图像或灰度图像已逐渐不能满足人们的需求。因此，如何充分利用频域数字水印算法鲁棒性强的优点，设计一种强鲁棒性、高安全性的大容量彩色图像数字水印算法成为目前亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ULV分解的彩色图像数字水印方法，其特征在于通过具体的水印嵌入过程和提取过程来实现的，其水印嵌入过程描述如下：
第一步：彩色水印图像的预处理：首先，将一幅像素个数为的彩色水印图像依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像；然后，利用基于密钥的仿射变 换对每个分层水印图像进行置乱；最后，将置乱后的分层水印图像中每个十进制像素值用8 位二进制数表示，并依次连接形成长度为的分层水印位序列，其中分别表 示红、绿、蓝三层；
第二步：获取宿主图像的嵌入块：将一幅像素个数为的原始彩色宿主图像依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像，并将其分成像素个数为的 图像块；根据分层水印位序列长度，利用基于密钥的Matlab系统内置函数randperm (.)生成的伪随机序列在3个分层水印图像中选择随机位置的所有图像块，其中 分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（1）对一个待嵌入水印的图像块进行ULV分解，得到 两个正交矩阵、和一个下三角矩阵；
(1)
第四步：嵌入水印信息：按先后顺序从分层水印位序列中取出一个待嵌入水 印信息，依据该嵌入水印信息及公式（2）对下三角矩阵的最大值进行量化得到并得到新的下三角矩阵；
(2)
其中，sign(.)是符号函数，abs(.)是绝对值函数，mod(.)是求余函数，是第个 图像通道的量化步长，分别表示红、绿、蓝三层；
第五步：逆ULV分解：利用公式（3）进行逆ULV分解，得到含水印图像块；
(3)
第六步：溢出检测和处理：利用公式（4）对含水印图像块进行溢出检测并对溢出 情况进行处理，对下三角矩阵量化后的最大值进行更新，溢出处理后执行第五步得 到最终的含水印图像块并跳过第六步，否则，如果未溢出，则执行第七步；
(4)
其中，是含水印图像块在第行第列的像素值，是图像块的 像素个数，是下三角矩阵的最大值，sign(.)是符号函数，是第个图像通道的量化 步长，分别表示红、绿、蓝三层；
第七步：用含水印图像块替换载体图像中相应位置上的待嵌入水印的图像 块，完成一个水印信息嵌入到一个图像块的过程；
第八步：重复执行本过程的第三步到第七步，直到所有的水印信息都被嵌入完成 为止，最后，重组3个分层含水印图像获得含水印图像，其中，分别表示红、 绿、蓝三层；
其水印提取过程描述如下：
第一步：彩色含水印图像的预处理：将含水印图像依照红、绿、蓝三基色的顺序 分成3个分层含水印图像，并将其分成像素个数为的图像块，其中，分别表 示红、绿、蓝三层；
第二步：获取含水印图像块：利用上述水印嵌入过程中所提到的基于密钥的 Matlab系统内置函数randperm(.)生成的伪随机序列选择出所有待提取水印的图像块，其 中，分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（5）对一个待提取水印的图像块进行ULV分解，两个 正交矩阵、和一个下三角矩阵；
(5)
第四步：提取水印位：利用公式（6），从待提取水印的图像块中提取所含有的水 印；
(6)
其中，是下三角矩阵的最大值，是第个图像通道的量化步长，分 别表示红、绿、蓝三层，abs(.)是绝对值函数，round(.)是四舍五入函数，mod(.)是求余函 数；
第五步：重复执行第三步到第四步，直到提取出所有的二进制水印位为止，然后得 到提取的分层二进制水印序列，再把每8位二进制信息作为一组转换成十进制的像素 值，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第六步：对转化后的每层十进制像素值执行基于密钥的逆仿射变换并获得分 层水印，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第七步：组合获得的分层水印形成最终的提取水印图像，其中，分 别表示红、绿、蓝三层。
该方法利用ULV分解后下三角矩阵中的元素分布规律，通过对其最大能量元素 进行量化完成了数字水印嵌入与盲提取；该方法具有较强的鲁棒性、较大的密钥空间、较好 的水印不可见性和较大的嵌入容量。
附图说明
图1（a）、图1（b）是两幅原始彩色宿主图像。
图2是一幅原始彩色水印图像。
图3（a）、图3（b）是将图2所示的水印依次嵌入到宿主图像图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0.9627、0.9710，其峰值信噪比PSNR值依次是40.2380dB、40.4545dB。
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）、图5（f）是将图3（a）所示的含水印图像依次进行JPEG 70、JPEG 2000（5: 1）、椒盐噪声（0.2%）、剪切（12.5%）、缩放（400%）、高斯低通滤波（3×3）等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9974、1.0000、0.9824、0.8831、1.0000、0.9916。
图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）、图6（e）、图6（f）是将图3（b）所示的含水印图像依次进行JPEG 70、JPEG 2000（5: 1）、椒盐噪声（0.2%）、剪切（12.5%）、缩放（400%）、高斯低通滤波（3×3）等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9931、0.9990、0.9851、0.8831、0.9991、0.9458。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种基于ULV分解的彩色图像数字水印方法，其特征在于通过具体的水印嵌入过程和提取过程来实现的，其水印嵌入过程描述如下：
第一步：彩色水印图像的预处理：首先，将一幅像素个数为32×32的彩色水印图像依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像；然后，利用基于密钥的仿射变 换对每个分层水印图像进行置乱；最后，将置乱后的分层水印图像中每个十进制像素值用8 位二进制数表示（例如：可将180转换成二进制数10110100），并依次连接形成长度为8×322 =8192的分层水印位序列，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第二步：获取宿主图像的嵌入块：将一幅像素个数为512×512的原始彩色宿主图 像依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像，并将其分成像素个数为4×4的 图像块；根据分层水印位序列长度8×322=8192，利用基于密钥的Matlab系统内置函数 randperm(.)生成的伪随机序列在3个分层水印图像中选择随机位置的所有图像块，其 中，分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（1）对一个待嵌入水印的图像块进行ULV分解，得到 两个正交矩阵、和一个下三角矩阵；
(1)
此处，设选取的图像块，得到两个正交矩阵、和一个下三角矩阵；
第四步：嵌入水印信息：按先后顺序从分层水印位序列中取出一个待嵌入水 印信息，依据该嵌入水印信息及公式（2）对下三角矩阵的最大值进行量化得到并得到新的下三角矩阵；
(2)
其中，sign(.)是符号函数，abs(.)是绝对值函数，mod(.)是求余函数，是第个 图像通道的量化步长，分别表示红、绿、蓝三层；此处，下三角矩阵的最大值，得到量化后的和新的下三角矩阵；
第五步：逆ULV分解：利用公式（3）进行逆ULV分解，得到含水印图像块；
(3)
此处，含水印图像块；
第六步：溢出检测和处理：利用公式（4）对含水印图像块进行溢出检测并对溢出 情况进行处理，对下三角矩阵量化后的最大值进行更新，溢出处理后执行第五步得 到最终的含水印图像块并跳过第六步，否则，如果未溢出，则执行第七步；
(4)
其中，是含水印图像块在第行第列的像素值，是图像块的 像素个数，是下三角矩阵的最大值，sign(.)是符号函数，是第个图像通道的量化 步长，分别表示红、绿、蓝三层；此处，，含水印图像块未发生溢出，因此无 需进行溢出处理；
第七步：用含水印图像块替换载体图像中相应位置上的待嵌入水印的图像 块，完成一个水印信息嵌入到一个图像块的过程；
第八步：重复执行本过程的第三步到第七步，直到所有的水印信息都被嵌入完成 为止，最后，重组3个分层含水印图像获得含水印图像，其中，分别表示红、 绿、蓝三层；
其水印提取过程描述如下：
第一步：彩色含水印图像的预处理：将含水印图像依照红、绿、蓝三基色的顺序 分成3个分层含水印图像，并将其分成像素个数为的图像块，其中，分别表 示红、绿、蓝三层；
第二步：获取含水印图像块：利用上述水印嵌入过程中所提到的基于密钥的 Matlab系统内置函数randperm(.)生成的伪随机序列选择出所有待提取水印的图像块，其 中，分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（5）对一个待提取水印的图像块进行ULV分解，两个 正交矩阵、和一个下三角矩阵；
(5)
此处，设选取的图像块，得到两个正交矩阵、和一个下三角矩阵；
第四步：提取水印位：利用公式（6），从待提取水印的图像块中提取所含有的水 印；
(6)
其中，是下三角矩阵的最大值，是第个图像通道的量化步长，分 别表示红、绿、蓝三层，abs(.)是绝对值函数，round(.)是四舍五入函数，mod(.)是求余函 数；此处，，得到；
第五步：重复执行第三步到第四步，直到提取出所有的二进制水印位为止，然后得 到提取的分层二进制水印序列，再把每8位二进制信息作为一组转换成十进制的像素 值，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第六步：对转化后的每层十进制像素值执行基于密钥的逆仿射变换并获得分 层水印，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第七步：组合获得的分层水印形成最终的提取水印图像，其中，分 别表示红、绿、蓝三层。
该方法利用ULV分解后下三角矩阵中的元素分布规律，通过对其最大能量元素 进行量化完成了数字水印嵌入与盲提取；该方法具有较强的鲁棒性、较大的密钥空间、较好 的水印不可见性和较大的嵌入容量。
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）所示的两幅像素个数为512×512的24位标准图像作为宿主图像，并分别用如图2所示的一幅像素个数为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所示的水印依次嵌入到宿主图像图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0.9627、0.9710，其峰值信噪比PSNR值依次是40.2380dB、40.4545dB；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）、图5（f）是将图3（a）所示的含水印图像依次进行JPEG 70、JPEG 2000（5: 1）、椒盐噪声（0.2%）、剪切（12.5%）、缩放（400%）、高斯低通滤波（3×3）等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9974、1.0000、0.9824、0.8831、1.0000、0.9916；图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）、图6（e）、图6（f）是将图3（b）所示的含水印图像依次进行JPEG 70、JPEG 2000（5: 1）、椒盐噪声（0.2%）、剪切（12.5%）、缩放（400%）、高斯低通滤波（3×3）等攻击后所提取的水印，其归一化互相关系数NC值分别是0.9931、0.9990、0.9851、0.8831、0.9991、0.9458。
综上所述，所嵌入的彩色数字水印图像具有较好的视觉效果，满足了水印算法的不可见性要求；其次，从各种受攻击图像中所提取的彩色数字水印图像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；同时，本方法的密钥空间达到了2432，说明该方法具有较高的安全性；另外，实际嵌入彩色数字图像中的二进制信息为3×213位，具有较大的水印容量，满足了大容量的彩色图像数字水印版权保护的需要。

Claims (1)

1.一种基于ULV分解的彩色图像数字水印方法，其特征在于通过具体的水印嵌入过程和提取过程来实现的，其水印嵌入过程描述如下：
第一步：彩色水印图像的预处理：首先，将一幅像素个数为的彩色水印图像/>依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像/>；然后，利用基于密钥/>的仿射变换对每个分层水印图像进行置乱；最后，将置乱后的分层水印图像中每个十进制像素值用8位二进制数表示，并依次连接形成长度为/>的分层水印位序列/>，其中/>分别表示红、绿、蓝三层；
第二步：获取宿主图像的嵌入块：将一幅像素个数为的原始彩色宿主图像/>依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层水印图像/>，并将其分成像素个数为/>的图像块；根据分层水印位序列长度/>，利用基于密钥/>的Matlab系统内置函数randperm(.)生成的伪随机序列在3个分层水印图像/>中选择随机位置的所有图像块，其中/>分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（1）对一个待嵌入水印的图像块进行ULV分解，得到两个正交矩阵/>、/>和一个下三角矩阵/>；
(1)
第四步：嵌入水印信息：按先后顺序从分层水印位序列中取出一个待嵌入水印信息，依据该嵌入水印信息及公式（2）对下三角矩阵/>的最大值/>进行量化得到/>并得到新的下三角矩阵/>；
(2)
其中，sign(.)是符号函数，abs(.)是绝对值函数，mod(.)是求余函数，是第/>个图像通道的量化步长，/>分别表示红、绿、蓝三层；
第五步：逆ULV分解：利用公式（3）进行逆ULV分解，得到含水印图像块；
(3)
第六步：溢出检测和处理：利用公式（4）对含水印图像块进行溢出检测并对溢出情况进行处理，对下三角矩阵/>量化后的最大值/>进行更新，溢出处理后执行第五步得到最终的含水印图像块/>并跳过第六步，否则，如果/>未溢出，则执行第七步；
(4)
其中，是含水印图像块/>在第/>行第/>列的像素值，/>是图像块的像素个数，/>是下三角矩阵/>的最大值，sign(.)是符号函数，/>是第/>个图像通道的量化步长，/>分别表示红、绿、蓝三层；
第七步：用含水印图像块替换载体图像/>中相应位置上的待嵌入水印的图像块/>，完成一个水印信息嵌入到一个图像块的过程；
第八步：重复执行本过程的第三步到第七步，直到所有的水印信息都被嵌入完成为止，最后，重组3个分层含水印图像获得含水印图像/>，其中，/>分别表示红、绿、蓝三层；
其水印提取过程描述如下：
第一步：彩色含水印图像的预处理：将含水印图像依照红、绿、蓝三基色的顺序分成3个分层含水印图像/>，并将其分成像素个数为/>的图像块，其中，/>分别表示红、绿、蓝三层；
第二步：获取含水印图像块：利用上述水印嵌入过程中所提到的基于密钥的Matlab系统内置函数randperm(.)生成的伪随机序列选择出所有待提取水印的图像块，其中，分别表示红、绿、蓝三层；
第三步：ULV分解：利用公式（5）对一个待提取水印的图像块进行ULV分解，两个正交矩阵/>、/>和一个下三角矩阵/>；
(5)
第四步：提取水印位：利用公式（6），从待提取水印的图像块中提取所含有的水印/>；
(6)
其中，是下三角矩阵/>的最大值，/>是第/>个图像通道的量化步长，/>分别表示红、绿、蓝三层，abs(.)是绝对值函数，round(.)是四舍五入函数，mod(.)是求余函数；
第五步：重复执行第三步到第四步，直到提取出所有的二进制水印位为止，然后得到提取的分层二进制水印序列，再把每8位二进制信息作为一组转换成十进制的像素值，其中，/>分别表示红、绿、蓝三层；
第六步：对转化后的每层十进制像素值执行基于密钥的逆仿射变换并获得分层水印/>，其中，/>分别表示红、绿、蓝三层；
第七步：组合获得的分层水印形成最终的提取水印图像/>，其中，/>分别表示红、绿、蓝三层。
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