一种基于多变换域的彩色图像数字水印方法技术

本发明专利技术提出一种基于多变换域的彩色图像数字水印方法，结合离散小波变换(DWT)、四元数离散余弦变换(QDCT)和奇异值分解(SVD)。首先将彩色图像分通道DWT，再将三个通道同类频率子带用四元数描述，然后根据水印尺寸大小进行分块，并将每个子块进行DQCT，并组成一个系数矩阵，最后，在保证视觉可感知质量下，将水印嵌入到系数矩阵中。本发明专利技术提供一种新的彩色图像水印方法，针对现有彩色图像数字水印算法在平衡鲁棒性与透明性关系上还具有提升空间，充分利用各个变换方法的优势，在保证透明性前提下，提高水印算法的鲁棒性和嵌入容量。

A color image digital watermarking method based on changeable domain

The present invention proposes a color image watermarking method based on multivariate transform domain, which combines discrete wavelet transform (DWT), quaternion discrete cosine transform (QDCT) and singular value decomposition (SVD). First, the color image is divided into channels DWT, and then the same frequency subbands of the three channels are described by quaternion. Then, each subblock is divided into blocks according to the size of the watermark, and each subblock is DQCT, and a coefficient matrix is formed. Finally, the watermark is embedded into the coefficient matrix to ensure the visual perceptible quality. The invention provides a new color image watermarking method, aiming at the existing color image digital watermarking algorithm has the promotion space in balancing the relationship between robustness and transparency, makes full use of the advantages of each transform method, improves the robustness and embedding capacity of the watermarking algorithm under the premise of ensuring transparency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多变换域的彩色图像数字水印方法
本专利技术属于图像信号处理领域，具体涉及一种基于多变换域的彩色图像数字水印方法。
技术介绍
随着互联网技术的迅猛发展，数字多媒体数据传输越发迅速、便捷，引发越益严重的个人版权侵害问题。因此，加强对数字作品的个人版权保护问题的需要，其中，数字水印技术作为一种有效的版权保护方式也备受重视。数字水印技术是将版权信息直接嵌入到载图中，需要验证版权时，直接通过与嵌入算法相应的提取算法提取出版权信息，以达到对作品版权保护的目的。灰度图像数字水印算法主要分为空域算法和变换域算法两类。其中，空域算法是最早的数字水印算法，主要有LSB、Patchwork以及纹理映射等方法。此类算法嵌入容量虽大，但通过改变图像的灰度值嵌入水印，导致算法的鲁棒性较差。因此，为提高算法的鲁棒性，研究人员提出变换算法，例如离散小波变换(DiscreteWaveletTransform,DWT)、四元数离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)和奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)等。此类算法是将水印嵌入到某些频率值，一般具有较好的鲁棒性和透明性。但是不同变换域具有各自的优势和缺点，例如DWT水印算法具有良好抗JPEG压缩和抗剪切能力，透明性良好，但是不能抵抗几何攻击能；DCT水印算法则对低通滤波和有损压缩能力，但透明性较差；SVD水印算法因其具有良好的几何不变性，也备受关注。为获得更好的鲁棒性和透明性，研究人员提出了双变换域水印算法的思想，即将各种变换域方法的优势结合，缺陷弥补，例如DWT_DCT、DCT_SVD、DWT_DFT等。目前，针对图像数字水印算法多是针对于灰度图像，而彩色图像的应用日益广泛，为切合实际需要，彩色图像数字水印算法的研究意义加大。现有彩色图像水印算法，主要分为三大类：1)基于颜色空间的单通道处理方式，将水印嵌入到某一个色彩通道，实质还是灰度图像处理方式，没有最大化利用彩色图像嵌入空间；2)基于色彩空间的多通道处理方式，将水印分散到多个通道进行嵌入，这种方式将各个通道独立处理，嵌入空间较大，但没有考虑各个通道间的联系，且计算复杂度较高；3)基于四元数的整体处理方式，利用一个四元数描述多个色彩通道信息，水印通过调节四元数嵌入到载体当中，这种整体处理方式，保留各个通道间的联系的同时降低计算复杂度，并且具有良好的透明性，但在嵌入容量方面还有待提升。综上所述，现有针对彩色图像水印算法存在一些问题：2)处理方式比较单一，没有将分通道处理和整体处理方式结合，不能充分利用彩色图像巨大的嵌入空间问题。2)在平衡鲁棒性、透明性以及嵌入容量方面还有提升空间。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的上述问题，结合DWT、四元数离散余弦变换(QuaternionDiscreteCosineTransform,QDCT)和奇异值变换提出一种混合变换域数字水印嵌入方法。通过分通道小波变换和四元数离散余弦变换相结合的方法，利用小波变换的多尺度频率分解特性和四元数余弦变换整体式计算的特点，将数字水印嵌入其中，该方法有较好的鲁棒性和透明性，有效提高嵌入容量。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是提出一种多变换域的彩色图像数字水印处理方法，包括水印嵌入和水印提取两个阶段，水印嵌入阶段包括：将彩色图像分通道处理后对各个色彩分量进行DWT，提取各色彩分量上同类频率子带，将其描述为一个四元数矩阵，根据水印尺寸对四元数矩阵进行分块，再将每个分块QDCT，提取QDCT的实数矩阵的第一个分量，组成一个与水印尺寸大小一致的系数矩阵，将水印嵌入到系数矩阵中。水印提取阶段包括：将彩色图像进行分通道的DWT，将嵌入阶段选定的各色彩分量的频率子带描述为一个四元数矩阵，将四元数矩阵进行分块并进行QDCT得到子块，将各子块的实数部分的第一个分量提取出组成一个系数矩阵，根据嵌入密钥提取数字水印。提取各色彩分量上同类频率子带进一步包括：读取RGB彩色图像F，分通道处理，得红色分量(R)、绿色分量(G)、蓝色分量(B)，将各个通道进行一级DWT获得四个频率子带，分别为低频(LLq)、水平(LHq)、垂直(HLq)、对角线(HHq)子带。其中，q代表所属色彩分量，即q∈{R,G,B}。例如，R分量对应的低频为LLR，G分量对应的低频为LLG，B分量对应的低频为LLB。将水印嵌入到系数矩阵中进一步包括：先将水印图像W用猫映射(Arnold)置乱得加密水印W1，其置乱次数为密钥key1。再根据公式E＝USVT将系数矩阵进行奇异值分解，提取对角矩阵S和两个酉矩阵U与V，将水印根据公式E′＝S+aW1嵌入对角矩阵S中得过渡矩阵E′，根据公式E′＝U2S2V2T将过渡水印E′分解提取对角矩阵S2，最后根据公式E″＝US2VT得到重构的系数矩阵E″。其中，S、U2、V2依次保存作嵌入密钥key2、key3、key4，a为控制嵌入强度参数，T表示转置。水印的提取中将各子块的实数部分的第一个分量提取出组成一个系数矩阵具体包括，获取含水印的彩色图像F*，分通道处理得R、G、B分量。将各个通道进行一级DWT获得四个频率子带，分别为低频(LLq*)、水平(LHq*)、垂直(HLq*)、对角线(HHq*)子带，将水印嵌入区域的三个色彩分量的频率子带用四元数描述为一个四元数矩阵再将四元数矩阵进行大小为n×n的分块，共分为l×l块子块。对每个子块进行QDCT，提取坐标为(o,p)的子块的实部矩阵Drel*O,P的第一个分量Drel*O,P(1,1)，用其构成系数矩阵E*，即E*(o,p)＝Drel*O,P(1,1)，一个四元数可表示为为Q＝Q1+Q2i+Q3j+Q4k，其中，Q1、Q2、Q3和Q4为任意实数，i，j，k为四元数的虚数单位。本专利技术中将任意彩色图像的各个色彩分量的同类频率子带用四元数描述为一个纯四元数，即实数为0，虚数部分用于表征各色分量的频率子带。低频子带四元数矩阵为LL＝LLRi+LLGj+LLBk，水平子带四元数矩阵LH＝LHRi+LHGj+LHBk，垂直子带四元数矩阵为HL＝HLRi+HLGj+HLBk，高频子带四元数矩阵为HH＝HHRi+HHGj+HHBk，选择LL、LH、HL、HH四个矩阵中的一个矩阵对作为水印待嵌入区域矩阵Qemb。根据公式确定矩阵Qemb分块尺寸为n×n，其中，彩色图像F大小M×N，u＝min(M,N)，ceil表示正无穷方向取最小整数，按照分块位置(o,p)标记子块为Qembo,p，对子块Qembo,p进行QDCT得四元数矩阵DO,P，DO,P＝DrelO,P+Dimg1O,Pi+Dimg2O,Pj+Dimg3O,Pk，其中，Dimg1O,P、Dimg2O,P、Dimg3O,P为虚部矩阵，DrelO,P为实部矩阵,且提取所有子块实部矩阵的第一个分量DrelO,P(1,1)构造一个系数矩阵E，即该系数矩阵为根据嵌入密钥提取数字水印进一步包括，按照水印嵌入阶段的方法提取的系数矩阵E*，并将E*进行奇异值分解，提取对角阵S*，计算过渡矩阵E**＝U2S*V2T，根据公式W*＝(E**-S)/a提取加密水印W*，其中，酉矩阵U2、V2分别为嵌入过程中的密钥key3、key本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多变换域的彩色图像数字水印处理方法，包括水印嵌入和水印提取两个阶段，其特征在于，将彩色图像分通道处理后，对各个色彩分量进行DWT，提取各色彩分量上同类频率子带，将其描述为一个四元数矩阵，根据水印尺寸对四元数矩阵进行分块，再将每个分块QDCT并提取实数矩阵的第一个分量，组成一个与水印尺寸大小一致的系数矩阵，将水印置乱后嵌入到系数矩阵中；水印提取阶段包括：将彩色图像进行分通道的离散小波变换，将嵌入阶段选定的各色彩分量的频率子带描述为一个四元数矩阵，将四元数矩阵进行分块并进行离散余弦变换得到子块，将各子块的实数部分的第一个分量提取出组成一个系数矩阵，根据嵌入密钥提取数字水印。

【技术特征摘要】
1.一种多变换域的彩色图像数字水印处理方法，包括水印嵌入和水印提取两个阶段，其特征在于，将彩色图像分通道处理后，对各个色彩分量进行DWT，提取各色彩分量上同类频率子带，将其描述为一个四元数矩阵，根据水印尺寸对四元数矩阵进行分块，再将每个分块QDCT并提取实数矩阵的第一个分量，组成一个与水印尺寸大小一致的系数矩阵，将水印置乱后嵌入到系数矩阵中；水印提取阶段包括：将彩色图像进行分通道的离散小波变换，将嵌入阶段选定的各色彩分量的频率子带描述为一个四元数矩阵，将四元数矩阵进行分块并进行离散余弦变换得到子块，将各子块的实数部分的第一个分量提取出组成一个系数矩阵，根据嵌入密钥提取数字水印。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取各色彩分量上同类频率子带进一步包括：读取RGB彩色图像F，分通道处理，得红色分量(R)、绿色分量(G)、蓝色分量(B)，将各个通道进行一次DWT获得四个频率子带，分别为低频(LLq)、水平(LHq)、垂直(HLq)、对角线(HHq)子带，其中，q代表频率子带所属色彩分量，即q∈{R,G,B}。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将水印置乱后嵌入到系数矩阵中进一步包括：先将水印W用猫映射(Arnold)置乱得置乱水印W1，记置乱次数为密钥key1。根据公式E＝USVT将系数矩阵进行奇异值分解，提取对角矩阵S和两个酉矩阵U与V，将水印W1根据公式E′＝S+aW1嵌入对角矩阵S中得过渡矩阵E′，根据公式E′＝U2S2V2T将过渡水印E′分解提取对角矩阵S2，最后根据公式E″＝US2VT得到重构系数矩阵E″，其中，S、U2、V2依次保存作嵌入密钥key1、key2、key3，a为控制嵌入强度参数，T表示转置。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水印的提取中将各子块的实数部分的第一个分量提取出组成一个系数矩阵具体包括，获取含水印的彩色图像F*，分通道处理得RGB分量，将各个通道进行一次离散小波变换获得四个频率子带，分别为低频(LLq*)、水平(LHq*)、垂直(HLq*)、对角线(HHq*)子带，q代表频率子带所属色彩分量，记q∈{R,G,B}，将水印嵌入区域的三个色彩分量的频率子带用四元数描述为一个四元数矩阵再将四元数矩阵进行n×n大小分块，对每个子块进行DQCT，提取坐标为(o,p)的子块的实部矩阵的第一个分量用其构成系数矩阵E*，即5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据四元数描述公式Q＝Q1+Q2i+Q3j+Q4k将在不同色彩分量上的同类频率子带描述为一个纯四元数，Q1为四元数的实数分量，Q2、Q3和Q4为四元数的虚数分量，其中，虚数分量用于表征各色分量的频率子带，i，j，k为四元数的虚数单位。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，低频子带四元数矩阵为LL＝LLRi+LLGj+LLBk，水平子带四元数矩阵LH＝LHRi+LHGj+LHBk，垂直子带四元数矩阵为HL＝HLRi+HLGj+HLBk，高频子带四元数矩阵为HH＝HHRi+HHGj+HHBk，选择LL、LH、HL、HH四个矩阵中的一个矩阵对作为水印待嵌入区域矩阵Qemb。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据公式确定矩阵Qemb分块尺寸为n×n，其中，彩色图像F大小M×N，u＝min(M,N)，ceil为正无穷方向取最小整数函数，按照分块位置(o,p)标记子块为Qembo,p，对子块Qembo,p进行QDCT得DO,P，DO,P＝DrelO,P+Dimg1O,Pi+Dimg2O,Pj+Dimg3O,Pk，其中，Dimg1O,P、Dimg2O,P、Dimg3O,P为虚部矩阵，DrelO,P为实部矩阵,且提取所有子块实部矩阵的第一个分量DrelO,P(1,1)构造一个新的系数矩阵E，即该系数矩阵为8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据嵌入密钥提取数字水印进一步包括，对E*进行奇异值分解并提取对角阵S*，计算过渡矩阵E**＝U2S*V2T，根据公式W*＝(E**-S)/a计算加密水印W*，其中，酉矩阵U2、V...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善学，漆若兰，周艳发，唐义嫄，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50