基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法技术

本发明专利技术公开一种基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法，包括嵌入水印和提取水印，其中提取水印时，按照图像是否受到攻击，采用不同的方式进行水印提取。本发明专利技术通过奇异值的分解将水印嵌入在受到攻击也不会轻易改变的S矩阵中的最大值上，与经典的鲁棒可逆信息隐藏算法相比，可以有效抵抗JPEG攻击、高斯滤波、缩放等恶意攻击。除此之外，设计的改进量化水印算法，对S值进行取整，有效减小第二阶段嵌入的辅助信息，利用第一阶段的量化误差和水印误差作为第二阶段嵌入的辅助信息，提高可逆嵌入量的可行性。本发明专利技术可应用于版权保护、图像保护等诸多领域，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法


[0001]本专利技术属于图像分析
，具体涉及一种基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法。

技术介绍

[0002]在卫星图像、医学图像和微型图像等对图像的高保真度和鲁棒性有较高要求的领域，鲁棒水印的不可逆转性丢失和可逆水印的脆弱性都是无法容忍的，这使得研究人员开发了一种全新的水印算法：鲁棒可逆水印算法。在没有攻击的情况下，鲁棒可逆水印算法可以在解码端提取水印和恢复载体图像。然而，当被水印标记的图像遭到恶意攻击时，水印也可以被正确提取，但是可逆性被破坏，导致载体图像无法恢复。
[0003]De Vleeschouwer等人提出的早期鲁棒可逆水印算法：基于双映射变换的直方图旋转技术，将每个选择的嵌入块随机分成两个像素数目相同的集合，将像素值分别映射到两个圆环上，将圆心和两个圆环中的质心分别连接起来，形成两个向量，在向量之间通过角度嵌入信息。随后Ni等人对De Vleeschouwer等人提出的鲁棒可逆水印7B97法进行了改善，避免了直方图旋转引起的椒盐噪声，但是这种改进不可避免地在解码端引起上溢/下溢块(即像素值小于0或者大于255的块)的错误位，因此Ni等人采用了纠错编码，缺点是该方法的嵌入容量显著降低。最近一些文章中提出的冗余直方图平移方法，通过修改传统直方图平移算法中的直方图幅度，具有较好的鲁棒性。Zeng等人将载体图像分成若干个不重叠的块，计算每个块的算术差值并生成对应的直方图。Gao等人通过使用更有效的统计量：算术平均值，并生成算术平均值直方图，扩展了Zeng等人的研究。An等人提出了一种基于小波域的冗余直方图平移方法，该方法利用经过小波变换后的图像的系数来生成直方图。Coltuc等人提出了一种基于两阶段水印方案的无损鲁棒水印算法。Wang等人改进了Coltuc的两阶段水印框架，在整数哈尔小波变换域中将原始图像分为两个独立的嵌入域，其中水印信息嵌入低频系数区域，载体图像与鲁棒水印图像的差异值嵌入高频系数区域。但是经典的鲁棒可逆水印算法利用的鲁棒特征与像素的位置相关，导致针对几何攻击时解码失败。
[0004]因此，针对几何攻击需要建立一种基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏算法。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题：提供一种可以有效抵抗JPEG攻击、高斯滤波、缩放等恶意攻击的基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法。
[0006]技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法，包括嵌入水印和提取水印，嵌入水印包括以下步骤：
[0008]S11:对载体图像进行整数哈尔小波变换，得到载体图像的低频图和高频图；
[0009]S12:针对载体图像低频图，先对低频图进行分块，并对每个块进行奇异值分解，通
过奇异值分解得S矩阵，在S矩阵上进行水印嵌入，将嵌入完水印之后的S矩阵进行奇异值分解逆变换得到水印标记图像低频图；
[0010]S13:针对载体图像高频图，计算第一阶段的量化误差和水印误差，在第二阶段利用直方图平移算法进行嵌入，最后得到水印标记图像高频图；
[0011]S14:将水印标记图像低频图和水印标记图像高频图进行整数哈尔小波逆变换得到水印标记图像；
[0012]如果印标记图像没有受到任何的恶意攻击和信息篡改，提取水印包括以下步骤：
[0013]S21:将水印标记图像进行整数哈尔小波变换，得到水印标记图像的低频图和高频图；
[0014]S22:针对水印图像低频图，将其分为不重叠的块，对每一个块进行奇异值分解，计算得到的S矩阵是否满秩，根据得到的结果确认嵌入水印的块；
[0015]S23:根据提取水印的公式，得到嵌入水印之前的S矩阵，再进行奇异值分解的逆变换，得到恢复的载体图像的低频图；
[0016]S24:在水印图像的高频图中，利用直方图平移的逆过程，得到辅助信息，即量化误差和水印误差，在水印误差中提取水印，得到恢复的载体图像的高频图；
[0017]S25:对恢复的载体图像的低频图和恢复的载体图像的高频图进行哈尔小波逆变换，得到恢复的载体图像；
[0018]如果水印标记图像遭受到了攻击和信息的篡改，只能提取嵌入的水印，由于直方图平移是可逆信息隐藏算法，所以无法恢复嵌入的辅助信息，所以无法恢复载体图像。
[0019]进一步地，如果水印标记图像遭受到了攻击和信息的篡改，提取水印的步骤包括：
[0020]S31:将受到攻击的水印标记图像先进行整数哈尔小波变换，得到两张图像，分别是受到攻击的水印标记图像的低频图和高频图；
[0021]S32:在受到攻击的水印标记图像的低频图中，将其分为不重叠的块，对每一个块进行奇异值分解，计算得到的S矩阵是否满秩，根据得到的结果确认嵌入水印的块；
[0022]S33:根据提取水印的公式提取嵌入的水印。
[0023]进一步地，整数哈尔小波变换的公式为：
[0024][0025]整数哈尔小波的逆变换公式为：
[0026][0027]上式中，x1和x2是一对像素，x
l
是低频信号，x
h
是高频信号。
[0028]进一步地，奇异值分解的计算公式为：
[0029]A＝U*S*V
T
，
[0030]上式中，U是一个m*m的矩阵，S是一个m*n的矩阵，除了主对角线上的元素以外全为0，主对角线上的每个元素都称为奇异值，V是一个n*n的矩阵，V
T
是V的转置矩阵，是一个n*n
的矩阵。
[0031]进一步地，在低频图像中嵌入水印采取的是量化水印算法，量化水印算法为：
[0032][0033][0034][0035]上式中，D
si
是S
i
的小数部分，S
i
是第i个块的奇异值，Q是量化器，i是块的个数，Δ是量化步长，w
i
是水印比特。
[0036]进一步地，量化水印算法会产生量化水印误差，以及嵌入水印会产生水印误差，可以用量化水印误差和水印误差代替可逆阶段需要嵌入的用于恢复载体图像的差值信息，
[0037]量化误差的计算公式为：
[0038][0039]水印误差的计算公式如下所示：
[0040][0041]上式中，S
i
是第i个块的奇异值，Q是量化器，Δ是量化步长，w
i
是水印比特。
[0042]进一步地，当水印标记图像受到攻击时，提取水印的公式如下所示：
[0043][0044][0045]上式中，w
i
是水印比特，Q是量化器，Δ是量化步长，J
W
是J
W
是[S]嵌入水印之后的符号，S
W
是嵌入水印之后的奇异值，θ是J
W
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括嵌入水印和提取水印，嵌入水印包括以下步骤：S11:对载体图像进行整数哈尔小波变换，得到载体图像的低频图和高频图；S12:针对载体图像低频图，先对低频图进行分块，并对每个块进行奇异值分解，通过奇异值分解得S矩阵，在S矩阵上进行水印嵌入，将嵌入完水印之后的S矩阵进行奇异值分解逆变换得到水印标记图像低频图；S13:针对载体图像高频图，计算第一阶段的量化误差和水印误差，在第二阶段利用直方图平移算法进行嵌入，最后得到水印标记图像高频图；S14:将水印标记图像低频图和水印标记图像高频图进行整数哈尔小波逆变换得到水印标记图像；如果印标记图像没有受到任何的恶意攻击和信息篡改，提取水印包括以下步骤：S21:将水印标记图像进行整数哈尔小波变换，得到水印标记图像的低频图和高频图；S22:针对水印图像低频图，将其分为不重叠的块，对每一个块进行奇异值分解，计算得到的S矩阵是否满秩，根据得到的结果确认嵌入水印的块；S23:根据提取水印的公式，得到嵌入水印之前的S矩阵，再进行奇异值分解的逆变换，得到恢复的载体图像的低频图；S24:在水印图像的高频图中，利用直方图平移的逆过程，得到辅助信息，即量化误差和水印误差，在水印误差中提取水印，得到恢复的载体图像的高频图；S25:对恢复的载体图像的低频图和恢复的载体图像的高频图进行哈尔小波逆变换，得到恢复的载体图像；如果水印标记图像遭受到了攻击和信息的篡改，只能提取嵌入的水印，由于直方图平移是可逆信息隐藏算法，所以无法恢复嵌入的辅助信息，所以无法恢复载体图像。2.根据权利要求1所述的基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法，其特征在于：如果水印标记图像遭受到了攻击和信息的篡改，提取水印的步骤包括：S31：将受到攻击的水印标记图像先进行整数哈尔小波变换，得到两张图像，分别是受到攻击的水印标记图像的低频图和高频图；S32：在受到攻击的水印标记图像的低频图中，将其分为不重叠的块，对每一个块进行奇异值分解，计算得到的S矩阵是否满秩，根据得到的结果确认嵌入水印的块；S33：根据提取水印的公式提取嵌入的水印。3.根据权利要求1所述的基于奇异值分解的两阶段图像鲁棒可逆信息隐藏方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱阳，周洁，刘建荣，
申请(专利权)人：江苏水印科技有限公司，
类型：发明
国别省市：