[发明专利]一种基于可变步长的DCT域彩色数字图像盲水印方法

摘要

本发明利用频域数字水印算法鲁棒性强的优点，公开了一种基于可变步长及二维离散余弦变换（2D‑DCT）的彩色数字图像盲水印方法。本发明在变换域中选取图像块经过二维离散余弦变换后的部分DCT系数，并以不同的量化步长对不同位置的DCT系数进行量化，完成数字水印的嵌入与盲提取。该发明将彩色数字图像水印嵌入到彩色宿主图像中，不但具有较高的水印不可见性，而且具有较强的鲁棒性，适用于数字图像版权保护的场合。

主权项

1.一种基于可变步长及二维离散余弦变换（2D‑DCT）的彩色数字图像盲水印方法，包含具体的量化步长选取、水印嵌入和水印提取三个过程;其量化步长选取过程描述如下:第一步：将选取的每一个标准宿主图像（Lena，F16，Peppers，House，Baboon，Bear，Barbara，Couple，Kid，Sailboat）分为m×m的非重叠像素块，并对各像素块进行DCT变换；第二步：选取像素块的前4个DCT系数，即直流系数以及前3个交流系数，进行回归分析，获得各系数之间的大小关系；根据4个DCT系数之间的关系，得到4个不同的量化步长T_j，其中j=1,2,3,4；其水印嵌入过程描述如下：第一步：通过降维处理将一幅大小为M×M的彩色宿主图像H分成红、绿、蓝三个分层宿主图像H_i，并把每一个分层宿主图像H_i分为m×m的非重叠像素块；其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第二步：将一幅大小为N×N的彩色水印图像W分成红、绿、蓝三个分层水印图像W_i，并进行基于密钥Ka_i的Arnold变换以提高水印的安全性；将分层水印图像W_i中的每个十进制像素值转换为8位二进制数，依次连接成长度为8N²的水印位序列SW_i，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第三步：利用基于密钥为Kb_i的MD5哈希伪随机选择算法从分层宿主图像H_i中选择像素块A，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第四步：根据公式(1)，对选取的像素块A进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA,并按照Z字形选取变换矩阵dctA的前4个DCT系数c_j，其中j=1,2,3,4；   （1）其中，dct2(.)为二维离散余弦变换函数；第五步：按照先后顺序从水印序列SW_i中依次选取4个水印位w_j；利用公式(2)、(3)，对4个DCT系数c_j分别使用对应的量化步长T_j进行量化，以得到各DCT系数的上边界值Chigh_j和下边界值Clow_j；  (2)  (3)其中，w_j为第j个待嵌入水印位，abs(.)是求绝对值函数，mod(.)是取余函数，T_j为量化步长，j=1,2,3,4；第六步：依据公式(4)，计算最佳边界值CC_j，并用CC_j替换变换矩阵dctA相应位置的原有DCT系数，得到含水印的变换矩阵dctA^*；   (4)其中，sign(.)是取符号函数，abs(.)是求绝对值函数，j=1,2,3,4；第七步：根据公式(5)，对变换矩阵dctA^* 进行逆二维离散余弦变换得到含水印的像素块，并将含水印像素块更新到其在分层宿主图像H_i中相对应的位置，其中i=1,2,3,分别表示红、绿、蓝三层；                          (5)其中，idct2(.)为二维离散余弦反变换函数；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，由此得到含水印的分层宿主图像；最后，组合含水印的分层宿主图像得到含水印宿主图像，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；其水印提取过程描述如下：第一步：将含水印宿主图像分成红、绿、蓝三个分层图像；同时，将每一个含水印分层图像分成大小为m×m的非重叠像素块，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第二步：利用基于密钥为Kb_i的MD5哈希伪随机选择算法，从含水印分层图像中选择含水印的像素块，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第三步：对选取的含水印像素块进行二维离散余弦变换得到变换矩阵dctA^*，并按照Z字形选取变换矩阵dctA^*中与嵌入过程相对应位置的4个DCT系数c_j^*，其中j=1,2,3,4分别表示第j个DCT系数；第四步：使用对应的量化步长T_j，利用公式（6）从含水印像素块中提取水印位；             (6)其中，mod(.)是取余函数，abs(.)是求绝对值函数，j=1,2,3,4；第五步：重复执行本过程的第二步到第四步，提取并获得每一层的二进制水印序列，将水印序列中每8位二进制信息划为一组并转换成十进制的像素值，形成分层水印图像，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；第六步：对每个分层水印图像进行基于密钥Ka_i的逆Arnold变换，获得各层的提取水印图像；同时，组合各层的提取水印图像形成最终的提取水印图像，其中i=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层。