[发明专利]基于矩阵Schur分解的可变步长彩色图像盲水印方法

摘要

本发明结合频域数字水印算法鲁棒性高的优点，公开了一种基于矩阵Schur分解的可变步长彩色图像盲水印方法。本发明根据Schur分解在频域中较其他矩阵分解方法复杂性低的特点，对图像块进行Schur分解得到上三角矩阵，该上三角矩阵的主对角元素即为图像块的特征值，本方法通过对特征值的和进行量化来完成彩色数字水印的嵌入与盲提取。本发明能将彩色图像数字水印嵌入到彩色宿主图像中，不但具有较强的鲁棒性、高安全性和大容量的特点，而且具有较好水印隐蔽性的特点，解决了大容量彩色图像数字水印安全性低的难题，适用于高安全性的大容量数字媒体版权保护的场合。

主权项

1.基于矩阵Schur分解的可变步长彩色图像盲水印方法，包含彩色图像数字水印的嵌入过程和提取过程，其水印嵌入的具体过程描述如下：Step1：彩色宿主图像的预处理：将大小为M×M的24位彩色宿主图像H作降维处理，得到红、绿、蓝三层颜色通道H_p，并将各颜色通道中的像素划分为m×m的非重叠像素块，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step2：彩色水印图像的预处理：对大小为N×N的24位彩色水印图像W作降维处理，得到红、绿、蓝三层颜色通道，随之将每层颜色通道进行基于私钥K_p的仿射变换得到置乱后的颜色通道W_p，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；然后，将各层颜色通道W_p中的每个十进制像素值转换为一个8位的二进制序列；Step3：嵌入水印的形成：按照红、绿、蓝的先后层序且每层以先行后列的顺序，将每8位二进制序列的高两位拼接为字符串str，复制三倍并保存在水印字符串wbit₁中；按照红、绿、蓝的先后层序且每层以先行后列的顺序，将每8位二进制序列的中三位、低三位分别拼接为水印字符串wbit₂、wbit₃；Step4：利用选块矩阵position从H_p中选择像素块schurblock，选块矩阵position由系统内置函数randperm伪随机生成，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step5：根据公式（1），对像素块schurblock进行Schur分解，得到酉矩阵U和上三角矩阵V，上三角矩阵V的前r个主对角元素V(i,i)分别为像素块schurblock的第i个特征值，i=1,2,…,r，r表示像素块schurblock的秩；  （1）Step6：按照先后顺序从水印字符串中选取水印位wt，利用公式（2）求得量化值add；  （2）其中， 为像素块schurblock所有特征值的和，i=1,2,…,r，r表示像素块schurblock的秩，mod(.)为求余函数，T_p为量化步长，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step7：利用公式（3）求得特征值，并用其替换原特征值，得到上三角矩阵V^*；  （3）其中，权值，i=1,2,…,r，r表示像素块schurblock的秩；Step8：利用公式（4）进行逆Schur分解，得到含水印像素块schurblock^*；  （4）Step9：重复执行Step4‑Step8，直到所有的水印位都被嵌入为止；最后重组三层含水印的颜色通道H_p^*得到含水印彩色宿主图像H^*；所述水印提取的具体过程描述如下：Step1：彩色含水印宿主图像的预处理：将含水印彩色宿主图像H^*作降维处理，得到红、绿、蓝三层含水印的颜色通道H_p^*，并将各颜色通道中的像素划分为m×m的非重叠像素块，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step2：利用选块矩阵position从颜色通道H_p^*中选择含水印像素块schurblock^*，选块矩阵position由系统内置函数randperm伪随机生成，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step3：根据公式（5），对含水印像素块schurblock^*进行Schur分解，得到酉矩阵U^*和上三角矩阵V^*，上三角矩阵V^*的前r个主对角元素V^*(i,i)分别为含水印像素块schurblock^*的第i个特征值，i=1,2,…,r，r表示含水印像素块schurblock^*的秩；  （5）Step4：利用公式（6）提取含水印像素块schurblock^*中含有的水印位wt^*：  （6）其中，mod(.)为求余函数，为含水印像素块schurblock^*所有特征值的和，T_p为量化步长，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step5：重复执行Step2‑Step4，直到提取所有的水印位，这样就得到了含水印字符串str^*、wbit₂^*、wbit₃^*；Step6：将str^*均分为三个序列，并以大数原则依次计算对应位置的水印信息，得到含水印字符串wbit₁^*；Step7：依次取wbit₁^*的两位、wbit₂^*及wbit₃^*的三位组成8位二进制序列并转换成十进制的像素值，重复以上操作，直到所有的序列都被转换为十进制，并依次将其拼成一个十进制数列，将该十进制数列均分为三段，分别重塑为N×N的红、绿、蓝三层颜色通道W_p^*，p=1,2,3，分别表示红、绿、蓝三层颜色通道；Step8：将每层颜色通道进行基于私钥K_p的逆仿射变换，并重组为最终提取的彩色水印图像W^*。