一种基于自适应差值扩展的可逆图像水印方法技术

一种基于自适应差值扩展的可逆图像水印方法，包含水印嵌入过程、水印提取过程和图像恢复过程；在水印嵌入之前，先需要对原图像进行预处理，包括交替划分、差值计算，计算图像复杂度并设置参数；在嵌入过程中，使用自适应扩展进行相应的水印嵌入；接着将嵌入附加信息，在特定情况下水印数据会和附加信息混合嵌入；在提取过程中，首先进行附加信息提取，差值计算；接着进行自适应差值扩展的逆操作，进行水印数据提取并还原原始的差值；最后通过还原后的差值进行图像的还原；本发明专利技术具有可逆性，并能提供更大的嵌入容量和更好的图像质量，特别是在嵌入水印数据较多的情况下。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可逆图像水印的嵌入和提取方法，特别涉及一种基于自适应差值 扩展的可逆图像水印方法。
技术介绍
数字信息革命给人类的社会和生活带来了深刻的变化，各种数字媒体作品丰富人 民生活的同时带来了新的挑战。数字多媒体作品复制和分发成本的低廉，使得数字盗版十 分普遍，因此数字版权保护及内容完整性验证等安全问题成为迫切需要解决的问题。数字 水印将一些信息隐藏在数字图像、文本、视频或者音频信号中，已经成为一种保护数字媒体 内容安全的有效手段。在大多数现有的数字水印方法中，宿主媒体因为水印信号的嵌入，会 被永久的改变并无法还原到嵌入水印之前的状态。虽然水印引入的失真通常不容易被人的 感知系统所察觉，但在一些对数据保真度要求极高的特殊领域中，如军事图像、医学图像、 卫星遥感图像或者法律证据图像等，任何微小的失真都是不被允许的。因此数字水印技术 在这些领域的应用受到了很大的限制。为了解决这一问题，人们提出了可逆数字水印的概 念，这种水印方案在嵌入水印信息保护数字版权的同时，可以保证在提取端将宿主媒体精 确还原到其未被嵌入水印时的原始状态。自从1997年Barton第一次提出可逆水印的概念 以来，近年来已有学者提出一些可逆水印算法。已有的可逆水印算法基本上包括两种方式， 即在空域中嵌入和在频域中嵌入。在空域中嵌入可逆水印，因为实现相对简单，嵌入容量比较大，从而成为最近研究 的热点。空域中的不可见可逆水印主要分为三类基于图像压缩、基于差值扩展和基于直方 图修改。基于图像压缩的算法一般采用无损压缩算法将图像在人眼不敏感的部分进行压 缩以腾出空间来嵌入水印，嵌入容量取决于压缩率，嵌入容量一般不大，并且高效的图像压 缩运算复杂，因此这类水印计算复杂度比较高；基于直方图修改的可逆图像算法是利用图 像像素的统计特性，进行直方图移动得到嵌入空间；基于差值扩展的算法是利用图像内容 存在相关性，相邻像素通常具有较相近的值，因此两个相邻像素的差值较小，通过扩展相邻 像素的差值，可以将二位的数据嵌入其中而不引起明显的失真。基于差值扩展(Difference Expansion，DE)的可逆图像水印，最早由Tian在 2003 第一次(# JAL J. Tian. Reversible data embedding using a difference expansion. IEEE Trans. Circuits Systems and Video Technology. 2003,13(8) 890-896)。差值扩展，也可以看作是一种整数小波变换，它扩展小波变换的高频部分， 并将水印信息嵌入其中。DE有时也被称为位移扩展，因为它嵌入水印的过程可以看作 位移的过程。假设差值d的二进制表示为(CUdlrf... (I1Clci)2，则嵌入水印后的差值d' 的二进制表示为((!^(!“...(ΙΑΙ^。这相当于将d向左位移一位，然后将水印b嵌入到 空出的最低位中。Alattar (A. M. Alattar. Reversible watermark using difference expansion oftriplets. Proc. IEEE ICIP. 2003 :501-504 ；A. M. Alattar. Reversiblewatermarkusing difference expansion of quads. Proc. ICASSP. 2004 :377-380) ^ Tian的思想应用于三个像素和四个像素组成的向量。这样的好处一是加大可扩展的差值 数，二是减少了 Location Map所占用的空间。总之，现有方法中，嵌入的容量较小，并且在嵌入大容量水印时，无法保证图像的 质量，因此，本专利技术利用图像不同部分的复杂度不同，对不同区域进行自适应嵌入，以达到 较大的嵌入容量和较好的图像质量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于自适应差值扩 展的可逆图像水印，该方法在嵌入水印数据较多的情况下，能够提供更大的嵌入容量和更 好的图像质量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案一种基于自适应差值扩展的可逆图像 水印，包含水印嵌入过程、水印提取过程和图像恢复过程；在水印嵌入之前，先需要对原图 像进行预处理，包括交替划分、差值计算，计算图像复杂度并设置参数；在嵌入过程中，使用 自适应扩展进行相应的水印嵌入；接着将嵌入附加信息，在特定情况下水印数据会和附加 信息混合嵌入；在提取过程中，首先进行附加信息提取，差值计算；接着进行自适应差值扩 展的逆操作，进行水印数据提取并还原原始的差值；最后通过还原后的差值进行图像的还 原；预处理过程为(1)交替划分。将原始图像进行交替划分，得到两个不相交的像素集SjP S2，并为 图像中的每一个像素构建上下文，以便后来图像复杂度的计算和像素估计的实现。(2)差值计算。使用预处理过程步骤(1)中构建出的上下文，计算图像中每个像素 的估计值，然后通过与原始像素的比较求差值，该步骤可分为先后两部分首先第一部分， 利用S1中的像素来估计&中的像素，此时S1为原始的像素值；然后第二部分，利用&中的 像素来估计S1中的像素，此时&为嵌入水印后的像素值。(3)参数设置。该步骤主要包括两个方面的参数设置，首先针对原始图像，利用广 义高斯分布的统计特性，计算出图像复杂度的特征描述α ；然后，根据嵌入水印数据的多 少，确定自适应差值扩展的两参数c和Τ，最后，当用户的需求不能被满足时，还可以判断是 否报告嵌入失败。在水印嵌入过程中，水印数据嵌入是在参数被确定以后通过自适应扩展将用户数 据嵌入载体图像的过程。在特定的情况下，水印数据会和附加信息混合着被嵌入，这时就需 要保证水印数据和附加信息是可区分可同步的。附加信息嵌入。在用户数据(或者部分信 息)被嵌入后，一般都有一些附加信息，在这里包括参数c，T和记录像素溢出信息的位置 表，由此也需要采用某种策略将它们嵌入到载体图像中。这些附加信息往往是启动水印提 取所必需的，因而需要保证在水印提取时它能最先被计算出来。一个简单的策略如图2所 示，它将附加信息以LSB(最低有效位)替换的方式嵌入到图像边缘像素中。基于自适应差值扩展的可逆图像水印的提取和图像还原过程为1)附加信息提取。这一流程需要首先得到启动水印提取所必需的附加信息，包括 自适应差值扩展的两参数c和Τ，图像复杂度参数α，此外，如果水印提取已经启动，它还要得到对进行下一步水印提取进行指导的附加信息即位置表信息。例如，需要知道下一个差 值是不是被扩展过，或者需要知道何种情况标识着所有提取过程的结束。2)差值计算。这一过程与水印嵌入过程中的差值计算相同，并且要做到与嵌入时 的差值计算做到完全匹配。在这里，主要是像素的划分保持一致，值得注意的是，水印嵌入 时是先&后S1,而提取时是先S1后&。3)水印数据提取。这一步主要是进行自适应差值扩展的逆操作以提取数据并还原 原始的差值。在进行提取操作时，需参照位置表中的信息，因为某些像素由于溢出问题并没 有进行水印嵌入。4)图像还原。这一步需要通过还原后的差值和参考环境将当前像素还原到原始的 状态。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于自适应差值扩展的可逆图像水印方法，其特征在于：包括水印嵌入部分和水印提取部分两大部分，水印嵌入部分包括预处理过程和水印嵌入过程；水印提取部分包括提取预处理过程和水印提取过程；所述预处理过程为：（１．１）交替划分，构建出像素的上下文关系，将原始图像划分为不相交的像素集Ｓ１和Ｓ２，用于图像复杂度的计算和像素估计的实现；（１．２）差值计算，使用预处理过程步骤（１）中构建出的上下文，计算图像中每个像素的估计值，然后通过与原始像素的比较求差值，该步骤可分为先后两部分：首先第一部分，利用Ｓ１中的像素来估计Ｓ２中的像素，此时Ｓ１为原始的像素值；然后第二部分，利用Ｓ２中的像素来估计Ｓ１中的像素，此时Ｓ２为嵌入水印后的像素值；（１．３）参数设置，包括两个方面的参数设置，首先针对原始图像，利用小波域内的广义高斯分布（ＧＧＤ）的密度函数的形状参数α作为图像复杂度的衡量参数，并通过曲线拟合方法对参数α进行估计，将参数α定义为图像复杂度；然后，根据嵌入水印数据的多少，确定自适应差值扩展的两参数ｃ和Ｔ，ｃ和Ｔ是与一般性扩展中使用的参数相似，用来控制图像的水印的嵌入容量；所述水印嵌入过程：（２．１）确定自适应扩展基数ｂｉｊ，通过预处理过程步骤（１．３）得到的参数α，即图像复杂度，及自适应扩展参数ｃ和Ｔ，通过公式计算确定自适应扩展基数ｂｉｊ，ｉ，ｊ为坐标，σ２为方差，用于衡量区域的平稳程度；（２．２）假设ｗ表示长度为ｌ的待嵌的二进制水印数据，将ｗ分为ｎ个８位的块，令ｗ＝ｗ１，ｗ２，．．．，ｗｎ，其中ｎ＝ｌ／８并且ｗｔ，ｔ＝１，２，．．．ｎ包含８位二进制数据；（２．３）读取水印数据ｗｔ，并将其转换为十进制ｗｄ，ｔ，为了判断ｗｄ，ｔ是否嵌入完毕，给出变量ｕ进行标识，初始化ｕ为１；（２．４）扫描载体图像，针对具体像素ｘｉｊ，已知估计值ｘｉｊ′、自适应扩展基数ｂｉｊ、估计差值ｅｉｊ，通过ｒｉ，ｊ＝ｗｄ，ｔ　ｍｏｄ　ｂｉｊ得到此处的最终嵌入内容ｒｉ，ｊ然后利用公式（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇｛＇ｃｌｏｓｅ＝＇＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｔｉｍｅｓ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｉ）ｂ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（／ｍｔａｂｌｅ）?（／ｍｆｅｎｃｅｄ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）进行自适应嵌入，从而得到嵌入后像素值ｘｉｊ″；在（２．４）中的自适应嵌入过程中，若ｘ″＞２５５或者ｘ″＜０，则跳过该像素的水印嵌入，并利用位置表记录该像素的位置和像素溢出信息；（２．５）步骤（２．４）嵌入完成后，更新ｕ＝ｕ×ｂｉｊ，若ｕ＞２５５，读入下一个水印数据ｗｔ＋１并置ｕ＝１，转入步骤（２．３）嵌入下一位水印；否则转入步骤（２．４）继续ｗｄ，ｔ的嵌入；（２．６）进行附加信息嵌入，所述附加信息包括参数ｃ、Ｔ，参数α即图像复杂度和嵌入过程（２．５）中记录像素溢出信息的位置表；至此水印嵌入过程结束，得到嵌入后图像；所述提取预处理过程：（３．１）首先进行附加信息提取过程，这一过程为附加信息嵌入的逆过程，得到自适应差值扩展的两参数ｃ和Ｔ，图像复杂度参数α和位置表；（３．２）然后通过预处理过程（１．１）中相同的划分进行差值计算，这一过程与预处理过程（２．１）中的差值计算相同，并且要做到与嵌入时的差值计算做到完全匹配，即像素的划分保持一致，因为水印嵌入时差值计算是先Ｓ２后Ｓ１，所以提取时是先Ｓ１后Ｓ２；所述水印提取过程，为嵌入过程的逆过程，具体步骤如下：（４．１）初始化标识变量ｕ为１，因为图像边缘区域并没有进行水印的嵌入，所以，对ｉ＝１或ｊ＝１的区域，图像像素保持不变，直接还原；（４．２）扫描嵌入图像，针对具体像素ｘ″，已知估计值ｘ′，自适应扩展基数ｂｉｊ，估计差值ｅ′ｉｊ，通过公式ｒｉｊ＝ｅｉｊ′％ｂｉｊ，ｂｉｊ≠１得到此处的嵌入水印ｒｉｊ，然后利用公式恢复原始差值ｅｉｊ，进而得到图像原始像素；在（４．２）中的提取过程中，若位置表中记录了该位置，则跳过该位置的水印提取，同时保持像素不变。（４．３）步骤（４．２）提取完成后，将ｒｉ，ｊ，ｂｉｊ分别放入集合Ｒｔ，Ｂｔ中，ｒｉ，ｊ　ｂｉｊ中的ｉ，ｊ为坐标，其在Ｒｔ，Ｂｔ中的位置为放入的顺序，并更新ｕ＝ｕ×ｂｉｊ；若ｕ＞...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓，陈真勇，范围，罗立新，熊璋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11