一种基于四元数变换的彩色图像自适应水印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四元数变换的彩色图像自适应水印方法，1)首先定义QDFRNT，解决传统DFRNT在彩色图像处理中未考虑彩色载体色彩信息及其三通道间整体性和相关性等问题；2)然后基于HVS直接从彩色载体提取纹理、边缘和色调特性，解决自适应水印算法在自适应阶段未充分考虑彩色载体色彩信息的问题；3)随后根据提取的掩蔽特性，并通过遗传算法同时从不可见性和鲁棒性两方面寻求最优的水印嵌入强度，实现水印算法不可见性和鲁棒性的最优平衡。解决自适应阶段主要考虑不可见性以及获取的水印强度并不是最优的问题。

An adaptive watermarking algorithm for color images based on four variables transform

The invention discloses a four element transform based on Adaptive Watermarking Algorithm of color image, 1) definition of QDFRNT, traditional DFRNT does not consider the overall and relevant problems of color carrier and three channel color information in color image processing; 2) based on the HVS directly from the color carrier extraction texture, edge and color the characteristics, adaptive watermarking algorithm of color vector of color information does not consider the issue fully in the adaptive stage; 3) according to the masking characteristics of the extraction of the watermark embedding strength and by seeking the optimal genetic algorithm from both the invisibility and robustness of the two aspects, to achieve the optimal balance of watermark imperceptibility and robustness. Solving the adaptive stage mainly considers imperceptibility and the watermark strength obtained is not the optimal problem.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四元数变换的彩色图像自适应水印方法
本专利技术属于彩色图像水印
，具体涉及一种基于四元数离散分数阶随机变换和遗传算法的彩色图像自适应水印方法。
技术介绍
随着网络的普及以及信息处理和通信技术的飞速发展，图像、音频、视频等多媒体信息可以在各通信网络中快捷传输，信息安全问题也逐渐引起人们的重视。数字水印技术的出现为这一问题提供了解决方案，该技术将具有代表性的标识信息(即数字水印)嵌入到数字载体中，可应用于保密通信、广播监视、访问控制以及版权保护等领域[HartungF,KutterM.Multimediawatermarkingtechniques[J].ProceedingsoftheIEEE,1999,87(7):1079-1107]。对于数字图像水印，当前大部分算法仍是针对灰度图像。相对少量的针对彩色图像的水印算法大致可以分为3类：灰度化方法[王方,林泓.基于DCT变换的彩色图像数字水印嵌入算法研究[J].软件导刊,2007,7(13):116–117]、三通道分别处理方法[THABITR,andKHOOBE.Anewrobustlosslessdatahidingschemeanditsapplicationtocolormedicalimages[J].DigitalSignalProcessing,2015,38:77–94]与基于四元数的方法[江淑红,张建秋,胡波.彩色图像超复数空间的自适应水印算法[J].电子学报,2009,37(8):1773–1778]。基于四元数的方法将彩色图像采用纯四元数表示，然后在四元数空间域或变换域嵌入水印。相对于灰度化方法，基于四元数的方法因为考虑了所有彩色分量，大大增加了水印容量；相对于三通道分别处理方法，基于四元数的方法因为采用了基于四元数的彩色图像表示方法，从而考虑了彩色图像三分量的整体性及其相关性。故本专利技术将采用基于四元数的方法。从信号处理角度看，嵌入水印可以看成是在强信号(即载体图像)上叠加弱信号(即水印图像)，只要叠加的信号小于恰可察觉性失真的值，人类视觉系统(HumanVisionSystem,HVS)就无法感受到水印的存在。因此，应该充分利用HVS的视觉特点，在保证含水印图像视觉质量的前提下，自适应的分配嵌入水印的强度，充分提高水印的鲁棒性。江淑红等[江淑红,张建秋,胡波.彩色图像超复数空间的自适应水印算法[J].电子学报,2009,37(8):1773–1778]在灰度化后的彩色载体图像上提取纹理、边缘和亮度特征确定自适应水印强度，然后在彩色载体图像的四元数傅里叶变换(QuaternionFourierTransform,QFT)域自适应嵌入水印。Tsougenis等[TsougenisED,PapakostasGA,KoulouriotisDE,etal.Adaptivecolorimagewatermarkingbytheuseofquaternionimagemoments[J].ExpertSystemswithApplications,2014,41(14):6408-6418]在灰度化图像中提取边缘特征，并通过遗传算法寻找最优的Richard曲线参数以确定自适应水印强度，然后在四元数径向矩(quaternionradialmoments，QRMs)系数中嵌入水印。但这两个工作在自适应阶段都没有充分利用色彩信息而只考虑了灰度化图像的信息。王金伟等[王金伟,周春飞,王水平,等.基于分数阶四元数傅里叶变换的彩色图像自适应水印算法[J].电子与信息学报,2016,38(11):2832-2839]通过直接在彩色载体上提取每个块的纹理、边缘和色调特性得到一个综合自适应掩蔽因子，并将这个因子与基本量化单位的乘积作为自适应水印嵌入强度，然后在分数阶四元数傅里叶变换(FractionalQuaternionFourierTransform,FrQFT)域嵌入水印。但这种自适应方式主要是从不可见性考虑以及获取的水印强度并不是最优的。近年来越来越多的分数阶变换被引入到数字图像处理中，包括分数阶傅里叶变换(FractionalFourierTransform,FrFT)[NamiasV.Thefractionalorderfouriertransformanditsapplicationtoquantummechanics.Geoderma,1980,25(3):241-265]，分数阶余弦变换(FractionalCosineTransform,FrCT)[PeiSC,DingJJ.Fractionalcosine,sine,andHartleytransforms[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2002,50(7):1661-1680]，离散分数阶随机变换(DiscreteFractionalRandomTransform,DFRNT)[LiuZ,ZhaoH,LiuS.Adiscretefractionalrandomtransform[J].OpticsCommunications,2006,255(4-6):357-365]等。在数学上，这些分数阶变换都是从其对应的正交变换推广而来，可看成是信号在时频平面上旋转一定角度的表示方式，因此分数阶变换既有空域特性又有频域特性。此外，分数阶作为额外的一个参数密钥，提高了水印或加密算法的安全性。但到目前为止，这些分数阶变换中仅有FrFT被推广应用到四元数域，提出了四元数分数阶傅里叶变换(QuaternionFractionalFourierTransform,FrQFT)，并成功应用于彩色图像处理中。DFRNT继承了FrFT良好的数学特性。与FrFT相比，DFRNT具有内在的随机特性，当应用到数字图像加密时，这一特性使得图像加密更加简单；当应用到数字图像水印时，这一特性使得水印更加安全。专利技术目的本专利技术的目的在于解决上述问题，1)首先定义QDFRNT，解决传统DFRNT在彩色图像处理中未考虑彩色载体色彩信息及其三通道间整体性和相关性等问题；2)然后基于HVS直接从彩色载体提取纹理、边缘和色调特性，解决自适应水印算法在自适应阶段未充分考虑彩色载体色彩信息的问题；3)随后根据提取的掩蔽特性，并通过遗传算法同时从不可见性和鲁棒性两方面寻求最优的水印嵌入强度，实现水印算法不可见性和鲁棒性的最优平衡。解决自适应阶段主要考虑不可见性以及获取的水印强度并不是最优的问题。技术方案如下：本专利技术为实现上述目的，采用的技术方案划分为3部分，分别为：(1)四元数离散分数阶随机变换(QuaternionDiscreteFractionalRandomTransform,QDFRNT)的定义；(2)一种基于遗传算法的彩色图像自适应系统；(3)一种基于QDFRNT的彩色图像自适应水印方法。下面对该技术方案的3部分进行详细介绍。(1)QDFRNT的定义，包括如下步骤：步骤1-A，对于N×1大小的一维(1-D)四元数信号xq＝xr+xii+xjj+xkk，定义α阶左边型QDFRNT为：Xq＝Rα,μxq式中，Rα,μ是变换的核矩阵，定义为：Rα,μ＝VDα,μVT这里本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四元数变换的彩色图像自适应水印方法，其特征在于，包括三部分：(1)四元数离散分数阶随机变换Quaternion Discrete Fractional Random Transform,QDFRNT的定义；(2)基于遗传算法的彩色图像自适应系统；(3)基于QDFRNT的彩色图像自适应水印方法；(1)QDFRNT的定义，包括如下步骤：步骤1‑A，对于N×1大小的一维(1‑D)四元数信号xq＝xr+xii+xjj+xkk，定义α阶左边型QDFRNT为：Xq＝R

【技术特征摘要】
1.一种基于四元数变换的彩色图像自适应水印方法，其特征在于，包括三部分：(1)四元数离散分数阶随机变换QuaternionDiscreteFractionalRandomTransform,QDFRNT的定义；(2)基于遗传算法的彩色图像自适应系统；(3)基于QDFRNT的彩色图像自适应水印方法；(1)QDFRNT的定义，包括如下步骤：步骤1-A，对于N×1大小的一维(1-D)四元数信号xq＝xr+xii+xjj+xkk，定义α阶左边型QDFRNT为：Xq＝Rα,μxq式中，Rα,μ是变换的核矩阵，定义为：Rα,μ＝VDα,μVT这里，V是本征随机向量矩阵，通过计算对称矩阵Q＝(P+PT)/2的特征向量得到，这里P为实随机矩阵；Dα,μ定义为：其中，μ是单位纯四元数，M是QDFRNT的周期；步骤1-B，定义1-D右边型QDFRNT，表示为：X'q＝(xq)TRα,μ步骤1-C，对于二维(2-D)四元数信号yq，2-DQDFRNT和QDFRNT逆变换(IQDFRNT)定义为：Yq＝Rα,μyq(Rα,μ)Tyq＝R-α,μYq(R-α,μ)T(2)基于遗传算法的彩色图像自适应系统，包括如下步骤：步骤2-A，计算像素点(x,y)的纹理度：其中，ξ∈{R,G,B}，为该像素点三通道fξ(x,y)的纹理度，即fξ(x,y)与其周围大小为(2L+1)×(2L+1)的邻域像素均值之间的差值，定义为：这里的(2L+1)×(2L+1)是滑动窗的大小，L设置为1，即3×3邻域；步骤2-B，计算像素点(x,y)的边缘度：其中，E＝tE1+(1-t)E2,F＝tF1+(1-t)F2,H＝tH1+(1-t)H2E1＝Rx2+Gx2+Bx2,F1＝RxRy+GxGy+BxBy,H1＝Ry2+Gy2+By2式中，t∈[0,1]是亮度和色度分量的权重值1其中，z∈{x,y},ξ∈{R,G,B}；步骤2-C，计算像素(x,y)的色调；步骤2-D，基于遗传算法的自适应系统，设图像共划分为P块bm，m＝1,2,…,P，定义第m块bm的纹理、边缘和色调度量为将上述3个度量综合考虑，并归一化处理，得第m块的自适应掩蔽因子为：式中，其中，wT，wE和wC分是3个掩蔽特性的的权值系数，且满足wT+wE+wC＝1；依据上述自适应掩蔽因子将图像块分为三类，然后不同类型块采用下式所示的不同参数的独立Richard逻辑曲线Ys，s＝1,2,3，其中As,Bs,Ks,Qs,Ms,vs为6个参数，最终按下式获得该图像块的自适应水印强度K△，为了寻求最优的3条Richard逻辑曲线共计18个参数，采用遗传算法对综合考虑不可见性和鲁棒性的适应度函数进行寻优；每条染色体对应一个候选的最优参数集即解决方案，用于构成3条逻辑曲线；这里适应度函数定义为：其中，SF1和SF2是两个常数，T是算法遭受攻击的次数，SSIM为采用当前Richard逻辑曲线参数确定的自适应水印强度获取的含水印图像的SSIM值，SSIMTarget是SSIM的期望值，(BER)j是第j个攻击后提取水印的BER值；(3)基于QDFRNT的彩色图像自适应水印方法，包括1)水印嵌入方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈北京，周春飞，王金伟，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32