[发明专利]一种基于哈尔变换的四进制彩色数字图像盲水印方法

摘要

本发明结合变换域数字水印算法鲁棒性强的优点，公开了一种基于哈尔变换的四进制彩色数字图像盲水印方法。本发明根据哈尔变换具有计算复杂度低的特点，对图像块进行哈尔变换得到变换后矩阵中的最大能量系数，并将最大能量系数量化到多个区间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、较好的不可见性和较高安全性的特点，而且具有大容量的特点，适用于高安全性的大容量彩色数字图像版权保护的场合。

主权项

1.一种基于哈尔变换的四进制彩色数字图像盲水印方法，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：Step 1：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作分层处理，得到红、绿、蓝三个分层宿主图像H_p，并将各层中的像素划分为m×m的非重叠图像块，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 2：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作分层处理，得到红、绿、蓝三个分层水印图像，随之对每层进行基于私钥K_p的仿射变换得到置乱后的分层水印图像W_p，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；然后，将各分层水印图像W_p中的每个十进制像素值转换为一个4位的四进制序列，并依次拼接为水印字符串wat_p，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 3：构建m阶的哈尔变换矩阵har_m，其中，m为宿主图像块的分块大小；Step 4：选择图像块：利用选块矩阵selection从分层宿主图像H_p中选择图像块haarblock，其中，选块矩阵selection由MATLAB内置函数randperm伪随机生成，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 5：求得图像块的最大能量系数：根据公式（1），利用哈尔变换矩阵har_m对图像块haarblock进行哈尔变换，得到变换后的矩阵HR，其第一行第一列元素HR(1,1)即为图像块的最大能量系数E_max；  （1）其中，m为宿主图像块的分块大小，har_m为m阶的哈尔变换矩阵，(har_m)^‑1为矩阵har_m的逆矩阵；Step 6：计算最大能量系数的上下边界：按照先后顺序从水印字符串中选取水印位w，利用公式（2）、（3），求得最大能量系数的上边界E_upper和下边界E_lower；  （2）  （3）其中，E_max是图像块haarblock的最大能量系数，mod(.)是求余函数，T是量化步长，为量化系数，，；Step 7：计算最优边界值：利用公式（4）求得最大能量系数的最优边界值E_max^*，并用其替换原最大能量系数E_max，得到新的矩阵HR^*；  （4）其中，E_upper和E_lower分别为最大能量系数的上下边界，abs(.)是取绝对值函数；Step 8：求得含水印图像块：利用公式（5）进行逆哈尔变换，得到含水印图像块haarblock^*；  （5）其中，m为宿主图像块分块的大小，har_m为m阶的哈尔变换矩阵，(har_m)^‑1为矩阵har_m的逆矩阵；Step 9：获得含水印宿主图像：重复执行本过程的Step 4‑Step 8，直到所有的水印位都被嵌入为止；最后重组三层含水印的分层宿主图像H_p^*得到含水印彩色宿主图像H^*；其水印提取的具体过程描述如下：Step 1：彩色含水印宿主图像的预处理：将含水印彩色宿主图像H^*作分层处理，得到红、绿、蓝三层含水印的分层宿主图像H_p^*，并将各分层宿主图像中的像素划分为m×m的非重叠图像块，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 2：构建m阶的哈尔变换矩阵har_m，其中，m为宿主图像的分块大小；Step 3：选取含水印图像块：利用选块矩阵selection从分层宿主图像H_p^*中选择含水印图像块haarblock^*，其中，选块矩阵selection由MATLAB内置函数randperm伪随机生成，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 4：求得含水印块的最大能量系数：根据公式（6），利用哈尔变换矩阵har_m对含水印图像块haarblock^*进行哈尔变换，得到含水印的矩阵HR^*，其第一行第一列元素HR^*(1,1)即为图像块haarblock^*的最大能量系数E_max^*；  （6）其中，m为宿主图像块的分块大小，har_m为m阶的哈尔变换矩阵，(har_m)^‑1为矩阵har_m的逆矩阵；Step 5：提取水印位：利用公式（7）提取含水印图像块haarblock^*中含有的水印位w^*；  （7）其中，mod(.)是求余函数，T是量化步长，E_max^*是图像块haarblock^*的最大能量系数；Step 6：提取所有的水印位：重复执行本过程的Step 3‑Step 5，直到提取所有的水印位，依次连接得到含水印字符串wat_p^*，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 7：获得各分层水印图像：依次取wat_p^*的4位组成四进制序列并转换成十进制的像素值，重复该操作，直到所有的序列都被转换为十进制的像素值；然后重新排列这些像素值，得到三个N×N的分层水印图像W_p^*，p=1,2,3分别表示红、绿、蓝三层；Step 8：解密得到提取的水印图像：将每层分层水印图像W_p^*进行基于私钥K_p的逆仿射变换，并重组得到最终提取的彩色水印图像W^*。