本发明专利技术属于图像信号处理技术领域，具体为一种彩色图像超复数空间的自适应水印算法。它首先对彩色载体图像进行快速超复数傅氏变换，在超复数频谱实部选择合适频段的基础上，再利用人类视觉系统对彩色载体图像的纹理、边缘和亮度的掩蔽特性，对选择的频段赋予不同的掩蔽强度而嵌入水印，从而在超复数频域内实现了一种彩色载体图像自适应的水印算法。实验结果表明，通过彩色图像的自适应掩蔽，大大提高了超复数频域水印算法的不易感知性和鲁棒性，且抗攻击性能也优于无自适应掩蔽的超复数频域水印算法；和现有文献的比较结果验证了本发明专利技术的这些优越性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于图像信号处理
，具体涉及一种彩色图像超复数空间的自适应水印算法。
技术介绍
随着Internet的普及和多媒体技术的飞速发展，数字水印的应用领域扩展到数字作品的知识产权保护、证件真伪鉴别、电子商务交易中的票据防伪等方面，数字水印技术已经日益成为广受关注的研究热点。近年来，基于载体图像视觉模型的自适应水印算法日益得到重视。研究表明利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，如图像纹理、边缘和亮度的掩蔽特性，然后再利用其来插入水印，在具有良好不易感知性的同时也具有鲁棒性。 当前大多数水印嵌入算法都是针对灰度图像的，直接用于彩色载体图像上的水印算法较少。即使载体图像是彩色的，大部分也是通过提取彩色图像的亮度信息或使用单色通道的信息。由于人眼对蓝色信息不那么敏感，Kutter等人提出通过修改每个像素的蓝色分量实现水印嵌入。Piva等人则提出了基于RGB色彩通道互相关的彩色图像水印算法。在该算法中，它先分别在每个通道上进行DCT变换，然后在每个色彩通道中选择一个系数集，通过修改该系数集中的系数来实现嵌入水印。P.Y.Tsai等人提出一种基于色彩量化技术的彩色图像水印算法，根据嵌入水印位和搜索到的颜色索引的奇偶性，进行不同的处理，数字水印的嵌入操作在像素映射过程中同时完成。 超复数通过将三色空间上的彩色图像的矢量像素视为一个整体进行描述，体现和保留了不同色彩分量在色彩空间的特定联系，为彩色图像的处理开辟了一个新天地，并在彩色图像的配准、边缘检测和目标跟踪等多个应用领域获得了许多新结果。而本专利技术作者在文献提出了一种基于超复数傅氏变换的数字水印算法，通过对彩色载体图像进行快速超复数傅氏变换，在超复数频域选择合适的频段嵌入水印数据，并且修改其对称系数的值，在数学上解决了超复数频域嵌入水印前提条件的问题，即保证嵌入水印图像仍然可以用彩色图像的红、绿、蓝三色进行传输。分析表明提出的方法通过超复数傅氏逆变换，可以把水印带来的误差扩散到整幅图像，并且是分散到红、绿、蓝三色的各个分量上，从而实现数字水印的不易感知性和安全性的良好结合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的彩色载体图像自适应的水印算法，即彩色图像超复数空间的自适应水印算法。 为了实现本专利技术的嵌入水印算法，首先要对彩色载体图像进行超复数建模。超复数把彩色图像作为一个矢量整体进行描述，因而能更好地描述图像的色彩关联。设(m，n)为彩色图像中像素的坐标，则彩色图像RGB(R、G、B分别表示红、绿、蓝分量)模型可以表示为如下的无实部的纯超复数 f(m，n)＝R(m，n)i+G(m，n)j+B(m，n)k(1) 其中，i、j、k为超复数的虚数单位。 设四元超复数为q(m，n)＝a(m，n)+b(m，n)i+c(m，n)j+d(m，n)k，它有四个分量，即一个实部a(m，n)和三个虚部b(m，n)、c(m，n)和d(m，n)。超复数乘法满足结合律和分配律，不满足交换律。超复数的二维傅氏变换和逆变换为 其中μ为单位虚向量，可以取强度图像矢量或其它矢量。(m，n)和(v，u)分别为它们在时域和频域中的坐标。通过Ell和Sangwine提出的“分解变换方法”或作者提出的快速算法，利用传统的快速傅氏变换FFT工具，可快速地计算出彩色图像的超复数傅氏变换及逆变换。对于式(1)用RGB分量表示彩色图像的超复数，其超复数傅氏变换为 FR(u，v)＝i(real(RRFT)+μ·imag(RRFT)) +j(real(GRFT)+μ·imag(GRFT)) (4) +k(real(BRFT)+μ·imag(BRFT)) 式(4)中real(p)表示取复数p的实部，imag(p)表示取复数p的虚部，这里p为RRFT、GRFT或BRFT；pRFT表示p的实数傅氏变换，这里p为R、G或B 设其在超复数频域的实部为A(u，v)，三个虚部分别为C(u，v)、D(u，v)和E(u，v)，即 FR(u，v)＝A(u，v)+iC(u，v)+jD(u，v)+kE(u，v) (5) 那么式(5)的超复数傅氏逆变换为F-R(m，n)＝(real(AIRFT)+μ·imag(AIRFT)) +i(real(CIRFT)+μ·imag(CIRFT)) +j(real(DIRFT)+μ·imag(DIRFT)) (6) +k(real(EIRFT)+μ·imag(EIRFT)) 其中，pIRFT表示p的实数傅氏逆变换，这里p分别A、B、C、D。 本专利技术提出的是在超复数频域的有意义水印算法，有意义水印是指水印本身也是某个数字图像(如商标图像)的编码，通常尺寸较大，如本专利技术实验中用到的水印图形之一“复旦大学校徽”为64×64＝4096bit；而无意义水印则只对应于一个序列号，通常尺寸较小，如文献中测试序列为32bit。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。 因为在JPEG压缩以及其他图像处理应用中，通常将图像分成8×8的图像块是标准的分块尺寸，所以，为了增强水印抗攻击能力，我们把水印的载体图像也分解为8×8的单位小块，对每一单位小块的彩色图像进行超复数傅氏变换，在其特定的频域位置嵌入水印后，再进行超复数傅氏逆变换，还原成时空域的彩色载体图像。作者在文献中通过数学推导证明，超复数频域内嵌入的水印数据经过超复数傅氏逆变换后，不但把由于嵌入水印带来的误差扩散到整幅图像，而且分散到了红、绿、蓝每种颜色，使其更不易被察觉。 在超复数频域嵌入水印的前提条件是，必须保证嵌入水印图像经过超复数傅氏逆变换后到空间域仍然是实部为0的纯虚数，即仍然可以用彩色图像的RGB三色进行传输。通过研究超复数傅氏变换的数学规律发现，选择超复数傅氏变换的实部A(u，v)作为数字水印的嵌入区域，在中频选择一定系数嵌入水印，并修改其对称系数的值，可以使含水印的频域矩阵经过超复数傅氏逆变换后，空间域仍然是实部为0的纯虚数。我们在超复数频域的中频段中的14个中频位置(u≠0，v≠0)，产生4个作为水印的嵌入位置。 为了实现数字水印的盲检测，我们采用经典的量化索引调制(QIM)方法，根据二值水印图像中每个像素的值，对超复数傅氏变换的实部A(u，v)进行量化编码。 为了增强抗攻击能力，提高水印算法的鲁棒性，我们按照作者在文献中提出的一种“交叉冗余嵌入”方式，对水印数据进行冗余嵌入。设一共可以嵌入Sm次完整水印图形，则要把载体图像分成个Sm大块。设水印图形为wm，尺寸为Mm行×Nm列。检测水印图像时，把得到的每个一维水印序列重新排列成Mm行×Nm列，得到Sm个冗余水印图形w1(k)(k＝1，2，...，Sm)，取平均得到灰度水印图像w2 以中间灰度值为阈值，把灰度水印图像w2转化为二值水印图形w3 w3＝im2bw(w2，0.5) (8) w3即为最后恢复出来的水印图形。 我们知道人类视觉系统对彩色图像的纹理、边缘和亮度有不同的掩蔽特性，为了进一步提高水印算法的不易感知性，避免因为嵌入水印而破坏视觉质量，那么我们应该充分利用这些视觉掩蔽特性。下面让我们给出如何利用人类视觉系统(HVS本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种彩色图像超复数空间的自适应水印算法，其特征在于嵌入数字水印的具体步骤如下： （１）首先对彩色载体图像进行超复数建模：把彩色载体图像ｆ↓［０］的每一像素的ＲＧＢ模型分别表示为纯超复数形式：ｆ↓［０］（ｘ，ｙ）＝Ｒ（ｘ，ｙ）ｉ＋Ｇ（ｘ，ｙ）ｊ＋Ｂ（ｘ，ｙ）ｋ，其中，（ｘ，ｙ）为彩色图像中像素的坐标，即像素所在的矩阵行和列的位置，Ｒ、Ｇ、Ｂ分别表示红、绿、蓝三种颜色； （２）采用密钥Ｋｅｙ控制的伪随机数发生器，伪随机地选择Ｍ↓［ｍ］×Ｎ↓［ｍ］个整数，取值范围是１－１４，作为数字水印的嵌入位置；根据载体图像分块规则，把载体图像ｆ↓［０］分成８×８的单位小块； （３）计算载体图像的纹理掩蔽因子：计算红、绿、蓝每一色的直方图方差，再取平均得到平均直方图方差，对平均方差进行归一化得到σ↑［２］↓［ｕ］，用σ↓［ｕ］的平方根作为每个单位小块的纹理掩蔽的描述子，并把它规整为０～５级：Ｍ↓［Ｔ］＝ｒｏｕｎｄ（５＊），其中，ｒｏｕｎｄ（ｘ）表示对ｘ进行四舍五入； （４）计算载体图像的边缘掩蔽因子：根据超复数彩色边缘检测算法或经典的ｃａｎｎｙ边缘算子，计算载体图像的边缘信息，设Ｐ↓［Ｅ］表示８×８单位小块中边缘点的和，则归一化后的５级边缘掩蔽因子为：Ｍ↓［Ｅ］＝ｒｏｕｎｄ（５Ｐ↓［Ｅ］／ｍａｘ（Ｐ↓［Ｅ］））； （５）计算载体图像的亮度掩蔽因子：根据超复数彩色图像的亮度ｆ↓［Ａ］＝＊＊＊，得到每个８×８单位小块的平均亮度值为：＊＊＊，设＊表示图像的中等亮度，则亮度掩蔽的描述子由＊＊＊表示，归一化后的５级亮度掩蔽因子为：Ｍ↓［Ｉ］＝ｒｏｕｎｄ（５Ｐ↓［Ｉ］／ｍａｘ（Ｐ↓［Ｉ］））； （６）综合考虑上述彩色图像的纹理、边缘和亮度掩蔽特性，彩色图像的自适应数字水印掩蔽因子为：Ｊ↓［Ｉ］＝Ｍ↓［Ｔ］－Ｍ↓［Ｅ］＋Ｍ↓［Ｉ］，然后去除Ｍ↓［Ｔ］－Ｍ↓［Ｅ］＋Ｍ↓［Ｉ］的最大值和最小值，再把得到的结果规整为０～５级，数值加１，获得最终的１～６级自适应掩蔽因子Ｊ↓［Ｉ］； （７）把彩色载体图像ｆ↓［０］分成８×８的单位小块，对每一个８×８单位小块按照下式进行超复数傅氏变换： Ｆ↑［Ｒ］（ｕ，ｖ）＝ｉ（ｒｅａｌ（Ｒ↓［ＲＦＴ］）＋μ.ｉｍａｇ（Ｒ↓［ＲＦＴ］））＋ｊ（ｒｅａｌ（Ｇ↓［ＲＦＴ］）＋μ.ｉｍａｇ（Ｇ↓［ＲＦＴ］））＋ｋ（ｒｅａｌ（Ｂ↓［ＲＦＴ］）＋μ.ｉｍａｇ（Ｂ↓［ＲＦＴ］）） 式...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：江淑红，张建秋，胡波，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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