基於dct域的彩色圖像數字水印的嵌入及提取方法
2023-06-10 09:33:26 1
專利名稱：基於dct域的彩色圖像數字水印的嵌入及提取方法
技術領域：
本發明涉及數字水印技術，特別涉及一種將彩色水印圖像嵌入到原始彩色圖像的
方法以及相應的水印提取方法。
背景技術：
隨著網際網路和多媒體技術的迅猛發展，數字媒體盜版問題也變得非常嚴重。數字 水印作為傳統加密方法的補充手段，可以有效地保護數字產品的版權。數字水印分為可見 水印和不可見水印。對於不可見水印而言，不可感知性和魯棒性是其兩個重要特性。不可 感知性是指經過一系列隱藏處理，使目標數據沒有明顯的降質現象，而隱藏的數據卻無法 被人感知到。魯棒性是指不因圖像文件的某種改動而導致隱藏信息丟失的能力。不可感知 性和魯棒性有時卻是相互矛盾的，一個特性的改進往往是以犧牲另一種特性為代價的，這 就需要水印設計者做出折中。 目前已有的水印方法很多是針對灰度圖像的，彩色圖像數字水印方法尚未得到廣 泛研究。絕大部分的水印嵌入技術採用的是一維ID序列和二維二值數字水印技術，這兩種 水印所包含的智慧財產權的信息量少，保密性差，而彩色圖像數字水印可以彌補這些不足。色 彩感知是人類視覺的一個重要特性，彩色空間可用於表示色彩之間的相互關係。彩色空間 有RGB、 YCrCb、 CMY、 HIS等，其中RGB彩色空間主要用於計算機顯示。
發明內容
本發明針對現有水印嵌入技術所存在的不足，而提供一種基於RGB彩色空間將彩 色數字水印嵌入到彩色宿主圖像中的方法以及相應的水印提取方法。該方法充分利用人眼 視覺特性，實現了數字水印圖像的自適應嵌入，有效地平衡了水印的魯棒性和不可感知性。 由於彩色數字水印所包含的版權保護信息量非常大，可以將智慧財產權擁有者的信息更多地 嵌入到其數字產品中。 為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案 基於DCT域的彩色圖像數字水印的嵌入方法，該方法包括如下步驟 (100)置亂彩色水印圖像利用混沌系統對彩色水印圖像進行加密和置亂操作； (200)生成水印序列將經步驟(1)置亂加密的彩色水印圖像的R、 G、 B分量進行
分離，形成相應的分量灰度圖，並以每個灰度圖上各個像素點的灰度值的二進位數與圖像
象素形成相應分量灰度圖的二進位的水印序列； (300)水印嵌入包括以下步驟 (301)宿主圖像分塊的DCT變換將宿主圖像的R、 G、 B分量灰度圖分別分成相應 的互不覆蓋的圖像塊，並對每個圖像塊分別進行DCT變換； (302)水印序列的嵌入將由步驟(200)得到的水印序列，分別嵌入到相應的經步 驟(301)DCT變換後的宿主圖像塊中； (303)DCT反變換對宿主圖像R、G、B分量每個加入水印後的圖像塊進行DCT反變換，得到含彩色水印的圖像。 基於DCT域的嵌入彩色圖像數字水印的提取方法，該方法包括以下步驟 (1)對原始宿主圖像和待提取圖像分別進行R、G、B三個分量的分離； (2)分別把原始宿主圖像和待提取圖像的R、 G、 B分量分成相應塊，對每個分塊進
行DCT變換，計算得到水印圖像相應分量的二進位水印序列 (3)將二進位水印序列轉化為十進位數，並分別作為水印圖像R、 G、 B分量的灰度 值，形成相應的圖像； (4)利用水印圖像置亂時使用的密鑰對步驟(3)得到的圖像進行逆置亂，將提取 到相應的水印圖像。 本發明提供了一種基於RGB彩色空間將彩色數字水印嵌入到彩色宿主圖像中的 方法，其包括嵌入方法和相應的提取方法。整個方法充分利用人眼視覺特性，實現了數字水 印圖像的自適應嵌入，有效地平衡了水印的魯棒性和不可感知性。由於彩色數字水印所包 含的版權保護信息量非常大，可以將智慧財產權擁有者的信息更多地嵌入到其數字產品中。 本發明提出的方法具有很強的現實意義，對諸如高斯噪聲，椒鹽噪聲和JPEG壓縮的攻擊具 有較好的魯棒性。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。 圖1為本發明嵌入水印的流程圖。 圖2為本發明提取水印的流程圖 圖3a為宿主圖像。 圖3b為宿主圖像R分量分類圖。 圖3c為宿主圖像G分量分類圖。 圖3d為宿主圖像B分量分類圖。 圖4a為原始宿主圖像。 圖4b為作為水印的彩色圖像。 圖4c為圖4b置亂後的圖像。 圖4d為嵌入水印後的圖像。 圖4e為提取出的水印圖像。 圖5a為圖4d在高斯噪聲攻擊後提取的水印圖像。 圖5b為圖4d在椒鹽噪聲攻擊後提取的水印圖像。 圖5c為圖4d在JPEG壓縮攻擊後提取的水印圖像。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。 本發明提供的彩色圖像數字水印的嵌入方法是在彩色水印圖像嵌入前利用 Logistic映射對其R，G，B各分量的坐標進行置亂，置亂後的彩色水印圖像的各分量作為水 印序列嵌入到宿主圖像，根據亮度，對比度和紋理複雜度對宿主圖像的圖像塊進行分類，利用人眼視覺特性，可以讓不同強度的水印分量嵌入到不同分類的圖像塊DCT係數中去。
基於上述的原理，本發明提供的基於DCT域的彩色圖像數字水印的嵌入方法，該 方法包括如下步驟(如圖1所示)
(100)彩色水印圖像置亂 為了使嵌入的彩色水印圖像有更好的隱秘性，首先利用混沌序列來對彩色水印圖 像進行置亂加密，使用的混沌系統是Logistic映射，定義如下xi+l = P xi(l-xi)，其中 xi G (O，l)， ii G (3. 5699456,4]， i = 0，1，2， . n. (1) 利用一個初值xO可以生成一個混沌序列，利用這個序列進行圖像的加密操作，初
值xO可以作為密鑰。混沌系統具有初值敏感性，如果不知道密鑰就很難破譯加密的水印序
列，這樣可以使水印有較好的保密性，即使盜版者提取出水印也無法恢復。 對彩色水印圖像置亂時，首先對彩色水印圖像的R、G、B分量進行分離。利用
Logistic映射生成的兩組混沌序列進行R、G、B分量各像素坐標位置的置亂，再將置亂所得
的R、G、B分量圖進行組合，最後得到了置亂後的彩色水印圖像。置亂後的彩色水印圖像較
之原始水印圖像已經完全不同，只有掌握初始密鑰才能恢復成置亂前的圖像。
(200)水印序列的生成 對置亂後彩色水印圖像的R、G、B分量進行分離。R、G、B三個分量都是以灰度形式 表示，它們分別代表圖像中像素點在R、G、B三個顏色通道上的原色信息。以R分量為例，依 次取R分量灰度圖各個像素點的灰度值，然後將每個灰度值轉化為r位二進位數。設圖像 的尺寸是MXN像素，則由R分量灰度圖可以得到rXMXN的二進位數序列。此序列作為水 印序列，留待嵌入宿主圖像的紅色顏色通道上。對於水印圖像的G、B分量也是同理，它們生 成的水印序列將會分別嵌入到宿主圖像的綠色和藍色顏色通道上。本發明中水印圖像R、 G、B三個顏色通道上灰度值取值範圍是
，可以用8位二進位數來表示。
(300)水印的嵌入 人類視覺系統HVS具有這樣的特點①亮度敏感性在均勻背景中，人眼對很亮或 者很暗的部分的敏感性較低；②對比度掩碼它體現了當兩個信號有相同的空間頻率特性 和方向時，一個信號在另一個信號當中的可檢測性。對比度強的地方(通常體現在邊緣)， 人眼的視覺門限較高；③紋理掩碼在紋理複雜的地方，視覺門限也會明顯高於圖像中的 平坦區域。亮度敏感性可以用灰度值的高低來衡量。灰度值很高或很低則說明人眼的視覺 門限高，適合加入較強的水印。圖像塊的邊緣點密度可以用來衡量對比度和紋理複雜度。 邊緣點密度越高，說明對比度越高，紋理越複雜，就適合加入較強的水印。根據上述原理，將 宿主圖像分成R、G、B三個顏色分量的灰度圖，每幅灰度圖又劃分成8X8像素的塊，這些塊
被分為三類亮度很高或很暗，圖像塊內邊緣點較多的塊為第一類(Cl)，嵌入強水印；亮度
較低，或圖像塊內邊緣點較少的塊為第三類(C3)，嵌入最弱的水印；餘下的為第二類(C2)， 嵌入中等強度的水印。利用Ca皿y算子來進行圖像邊緣檢測，然後根據每個圖像塊內的邊 緣點數目來判斷紋理和對比度的複雜度。由於圖像塊為8X8像素，如果一條直線穿過，那 麼最少得要8個像素點來表示該直線。設L表示圖像塊亮度，Edge表示圖像塊內邊緣點數 目。塊分類器可以描述如下①L > Tl或L 8的塊為Cl ;②T2《L《T3 或Edge = 0的塊屬於C3 ;③除此之外的塊為C2。上述Tl， T2， T3都是閾值，由實驗獲得。
水印的魯棒性既跟水印的嵌入強度有關，也跟水印嵌入位置有關。通常來說，人眼對於低頻係數敏感度較高，而對高頻係數較不敏感。如果將水印嵌入到低頻係數，可能會導
致不可見性的降低，容易引起圖像的失真；如果將水印嵌入到高頻係數，魯棒性不夠理想。
所以，在DCT變換後對每個8 X 8塊按照JPEG的Zigzag排序，選擇順序號為3 10的8個 AC係數來嵌入水印，設每個塊中的這些順序號的係數構成了集合S。 根據人眼對顏色不同的敏感性，可以調整嵌入水印的強度。人眼對綠色(G)最敏 感，對紅色(R)其次，對藍色(B)最不敏感。亮度方程為y = 0. 299R+0. 587G+0. 144B，由 0.299 : 0.587 : 0. 144 " 2 : 4 : 1，可以為R、G、B分量設定嵌入水印時的加權係數分別 為Mr = 2， Mg = 1， Mb = 4。 基於上述原理，本發明中的水印嵌入包括如下步驟 (301)宿主圖像分塊的DCT變換將宿主圖像的R、G、B分量灰度圖分別分成8X8 的互不覆蓋的圖像塊fkr(x， y) ， fkg(x， y) ， fkb (x， y) ， 0《x， y < 8， k = 0， 1， ， K_l 。 K 是圖像塊的數目。對fkr(x， y)， fkg(x， y)， fkb(x， y)分別進行DCT變換，得到宿主圖像相 應分量的DCT係數Fkr(u， v) ， Fkg(u， v) ， Fkb(u， v) ， (u， v)表示DCT變換域內的坐標。
(302)水印序列的嵌入將由彩色水印圖像R、 G、 B分量置亂後生成的二進位序列 作為水印序列(即步驟200中得到的水印序列)，分別記為Wr，Wg，Wb。 Wr，Wg，Wb分別可用 {xi = 0或1， i = 8XMXN}表示，其中M， N是水印圖像長與寬。Wr， Wg， Wb分別對應地嵌 入到宿主圖像的Fkr(u，v)，Fkg(u，v)，Fkb(u，v)中。設F' kr (u， v)為嵌入水印後R分量 的DCT係數。Wr採用下式嵌入到宿主圖像R分量的DCT係數Fkr (u， v)中 Fb(u，v)=
& (u, v)(l + ~~9, (u， v) e & 8k S / < 8(k + 1) 門、 屍kr(u,v)， of/ienw'se Wg與Wb分別嵌入到宿主圖像G與B分量的方法也與Wr同理。a是調節因子，實 驗中a = 30。 b的取值是當圖像塊是Cl，b = 9 ;當圖像塊是C2，b = 6 ;當圖像塊是C3，b =2。 m的取值是當水印嵌入到紅色分量，m = Mr ;當水印嵌入到綠色分量，m = Mg ;當水 印嵌入到藍色分量，m = Mb。故根據b和m取值的不同，共有9種嵌入水印的情況。
(303)DCT反變換對宿主圖像R、G、B分量每個加入水印後的圖像塊進行DCT反變 換，最後得到含彩色水印的圖像。 通過上述方法能夠得到的嵌入彩色水印的圖像，為對此類圖像進行檢測，本發明 還提供了相應的水印提取方法。 水印提取過程是水印嵌入的逆過程，需要用到原始宿主圖像，提取過程如下(參 見圖2，) 步驟1，對原始宿主圖像和待檢測圖像分別進行R、 G、 B三個分量的分離。 步驟2，分別把原始宿主圖像和待檢測圖像的R、 G、 B分量分成8X8像素的塊，對
每個分塊進行DCT變換，計算得到相應水印圖像相應分量的水印序列。 設水印圖像R分量的水印序列Wr = {xi = 0或1， i = 8XMXN}，其計算公式如
下(b，m取值同上) xi = a (F' kr(u， v)/Fkr(u， v)-l)/b/m， (u， v) G S，8k《i < 8(k+l) ， k = 0， 1， . ， K-l(3) 水印圖像G分量的水印序列Wg與B分量的水印序列Wb同理可得。
步驟3，將二進位水印序列Wr， Wg與Wb每8位轉化為十進位數，分別作為圖像R、 G、B分量的灰度值，得到相應的圖像，設該圖像為Ichaos ; 步驟4，利用水印圖像置亂時使用的密鑰對Ichaos做逆置亂，得到檢測圖像的水 印圖像。 基於上述方法，本發明的優選實施例如下 該實施例中使用的原始宿主圖像是512X512的24位的真彩"Lena"圖像，水印圖 像是64X64的24位真彩圖像。 參見圖3a-3d，以512 X 512像素的24位真彩色圖像"Lena"作為宿主圖像，根據 塊分類器分別對R、G、B分量進行塊分類，結果如圖l所示。圖la為宿主圖像"Lena"。圖 lb，圖lc和圖ld中最明亮處代表Cl，黑暗處代表C3，稍暗處代表C2。 參見附圖4a-4e，其為本發明的實驗結果。其中圖4a是原始的宿主圖像，圖4b是 作為水印的彩色圖像，對圖4b進行置亂後得到圖4c，圖4d是嵌入水印後的圖像，它的PSNR =37.68dB，說明含水印圖像的圖像質量沒有明顯下降。圖4e是提取出的水印圖像，它的 NC= 1.0000，說明提取出的水印圖像與原始水印圖像(圖4b)相同。 參見圖5a-5c，其所示為對含水印宿主圖像(圖4d)分別進行高斯噪聲(均值為 0，方差為0.05)，椒鹽噪聲(方差為O. 1)和JPEG壓縮(壓縮率為66% )攻擊後提取的水 印圖。 對於此類圖像處理結果的判別可採用主觀評價，歸一化相關係數NC和峰值信噪 比PSNR綜合作為判別標準。主觀評價是指是否可以在視覺上辨別出水印圖像。歸一化相關 係數NC可從客觀上判別原始水印圖像和提取出的水印圖像的相似度。如果NC值越接近1， 表明提取的水印越接近初始水印。峰值信噪比PSNR在本發明中是用來判斷含水印的宿主 圖像在遭到攻擊後的圖像質量，它的值越大，說明圖像質量越好。由圖5a-5c可見，本發明 處理得到的結果只有JPEG壓縮後提取的水印圖像效果較差，但是其NC值較高，說明提取出 的水印信號仍然較強。即通過本發明提供的方法得到的圖像對這三種攻擊的魯棒性較強。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
基於DCT域的彩色圖像數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟(100)置亂彩色水印圖像利用混沌系統對彩色水印圖像進行加密和置亂操作；(200)生成水印序列將經步驟(1)置亂加密的彩色水印圖像的R、G、B分量進行分離，形成相應的分量灰度圖，並以每個灰度圖上各個像素點的灰度值的二進位數與圖像象素形成相應分量灰度圖的二進位的水印序列；(300)水印嵌入包括以下步驟(301)宿主圖像分塊的DCT變換將宿主圖像的R、G、B分量灰度圖分別分成相應的互不覆蓋的圖像塊，並對每個圖像塊分別進行DCT變換；(302)水印序列的嵌入將由步驟(200)得到的水印序列，分別嵌入到相應的經步驟(301)DCT變換後的宿主圖像塊中；(303)DCT反變換對宿主圖像R、G、B分量每個加入水印後的圖像塊進行DCT反變換，得到含彩色水印的圖像。
2. 基於DCT域的嵌入彩色圖像數字水印的提取方法，其特徵在於，所述方法包括以下 步驟(1) 對原始宿主圖像和待提取圖像分別進行R、G、B三個分量的分離；(2) 分別把原始宿主圖像和待提取圖像的R、G、B分量分成相應塊，對每個分塊進行DCT變換，計算得到水印圖像相應分量的二進位水印序列(3) 將二進位水印序列轉化為十進位數，並分別作為水印圖像R、G、B分量的灰度值，形 成相應的圖像；(4) 利用水印圖像置亂時使用的密鑰對步驟(3)得到的圖像進行逆置亂，將提取到相 應的水印圖像。
全文摘要
本發明公開了基於DCT域的彩色圖像數字水印的嵌入及提取方法，該方法在彩色水印圖像嵌入前利用Logistic映射對其R，G，B各分量的坐標進行置亂。置亂後的彩色水印圖像的各分量作為水印序列嵌入到宿主圖像。根據亮度，對比度和紋理複雜度對宿主圖像的圖像塊進行分類。利用人眼視覺特性，可以讓不同強度的水印分量嵌入到不同分類的圖像塊DCT係數中去。本方法生成的水印圖像具有感知效果好和魯棒性強的特點，對一些常見的攻擊具有良好的抵抗性。
文檔編號G06T1/00GK101739657SQ200910198439
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者張挺, 杜奕 申請人:上海第二工業大學