一种基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法与流程

1.本发明属于数字水印技术领域，特别是涉及一种基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法。


背景技术：

2.目前，互联网的发展使得大量的图像在网络中传输，在分享数据的同时，侵权和信息泄露也接踵而至，因此数字水印技术应运而生。数字水印是一种既能保护数据，又能对数字图像进行认证，同时又不影响原始图像视觉效果的技术。一般来说，数字水印整体包括水印生成、嵌入和提取三大部分。水印嵌入主要是变换域技术，这种技术是将图像经过处理变换到其它域，再将水印嵌入到该域中。它可以保证水印的不可见性和鲁棒性。随着图像处理技术的发展，各种技术的不断加持，使得数字水印技术更加成熟和完善。
3.但是，目前对于大部分数字水印算法，仍是在常规的变换中平衡水印的不可见性和鲁棒性，对水印方向性的研究较少，因此大部分水印算法抵抗常规攻击方面效果好，但不能有效地抵抗几何攻击。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的是一种基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法。
5.本发明是这样实现的，一种基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法，所述基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法选择彩色图像y通道进行离散小波变换，再选择低频子带的剪切波域方向性最强的子代，和经过arnold变换的水印图像(二值图像)进行奇异值分解后，融合到一起，实现良好的不可见性和鲁棒性。
6.进一步，所述基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法包括以下步骤：
7.步骤一，水印嵌入；
8.步骤二，水印提取；
9.步骤三，攻击检测。
10.进一步，所述步骤一具体包括：
11.1)将原始图像从rgb空间转换到ycbcr空间，并选取图像y通道的信息(也就是图像的灰度值)；
12.2)选取的y通道图像先经过两次离散小波变换(dwt)。考虑水印的鲁棒性，选择将水印嵌入到抵抗攻击更好的低频子带中。所以经过一次dwt变换，图像分成四个相互不重叠的频率子图，选择低频子带图，再经过一次dwt变换，仍然选择低频子带图；
13.3)上一步选择的低频子带经过nsst变换后得到与低频子带相同尺寸、不同尺度、不同方向的子带。通过方向性计算，选取方向性最强的子带ll；
14.4)对上一步选出的方向性最强子带ll进行奇异值分解，并将进行四次arnold置乱之后的二值水印图像进行奇异值分解得到pcmark，然后嵌入在ll的奇异值矩阵中；
15.5)将pcmark进行奇异值分解逆变换、nsst逆变换、两次离散小波逆变换得到嵌入
水印后的y通道的图像，然后将三个通道矩阵组合起来，再将图像由ycbcr空间转换到rgb空间；
16.6)保存嵌入水印的图像。
17.进一步，所述步骤二具体包括：
18.1)将嵌入水印后的图像从rgb空间转换到ycbcr空间，并选取图像的y通道；
19.2)选取的y通道图像先经过1次离散小波变换(dwt)，选择低频子带图。再将选择的子带进行第二次dwt变换，仍选择低频子带图；
20.3)低频子带经过nsst变换后被分解为不同的方向子带。确定各方向子带的方向性大小并选取最大方向子带ll'；
21.4)对上一步选出的最大方向子带ll'进行奇异值分解，得到奇异值矩阵sm；
22.5)利用嵌入水印前的奇异值矩阵以及嵌入强度，求出水印矩阵，再经二值化和arnold得到水印图像w'，完成水印的提取。
23.进一步，所述步骤三具体包括：
24.1)攻击嵌入水印的图像并保存；
25.2)将被攻击后的图像经两次dwt变换和一次nsst变换，得到最大方向子带，对最大方向性子带进行奇异值分解得到奇异值矩阵；
26.3)利用嵌入水印前的奇异值矩阵以及嵌入强度，求出水印矩阵，再经过二值化和arnold得到被攻击后提取的水印图像；
27.4)将提取的水印图像与源水印图像对比，通过归一化系数nc评价水印的提取效果，进而评价算法的鲁棒性。
28.本发明的另一目的在于提供一种应用于所述基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法的图像处理系统。
29.本发明所具有的优点有：选择在图像的低频区域嵌入水印，使得算法有很好的不可见性。提取图像低频区域的方向性信息并采用奇异值分解进行图像融合，使得水印算法在应对常规攻击和几何攻击时鲁棒性好。利用arnold置乱对水印加密，进一步加强水印算法的保密性。
附图说明
30.图1本发明基本流程图；
31.图2水印嵌入流程图；
32.图3水印提取流程图；
33.图4本发明实例提供的原始图像；
34.图5本发明实例提供的原始水印图像；
35.图6本发明实例提供的嵌入水印后的图像；
36.图7本发明实例提供的不加干扰时提取的水印图像；
37.图8本发明实例提供的高斯噪声方差为0.01攻击后的图像；
38.图9本发明实例提供的高斯噪声方差为0.01攻击后提取的水印图像；
39.图10本发明实例提供的窗口大小为[4*4]中值滤波攻击后的图像；
[0040]
图11本发明实例提供的窗口大小为[4*4]中值滤波攻击后提取的水印图像；
[0041]
图12本发明实例提供的旋转20
°
后的图像；
[0042]
图13本发明实例提供的旋转20
°
后提取的水印图像；
[0043]
图14本发明实例提供的质量因子为60的jpeg压缩攻击后的图像；
[0044]
图15本发明实例提供的质量因子为60的jpeg压缩攻击后提取的水印图像；
[0045]
图16本发明实例提供的剪切1/16后的图像；
[0046]
图17本发明实例提供的剪切1/16后的提取的水印图像。
具体实施方式
[0047]
下面结合说明书附图通过一个实例对本发明做进一步说明，本实例仅为本发明其中的一种应用实例。
[0048]
如图1所示，本发明实例提供的基于剪切波捕获方向特征的图像水印方法包括以下步骤：
[0049]
步骤一，水印嵌入过程，如图2所示，具体步骤包括：
[0050]
1)选取如图4所示，大小为521*512的彩色图像为原始图像，将原始图像从rgb空间转换到ycbcr空间，并选取图像y通道的信息(也就是图像的灰度值)；
[0051]
2)选取的y通道图像先经过两次离散小波变换(dwt)。考虑水印的鲁棒性，选择将水印嵌入到抵抗攻击更好的低频子带中。所以经过一次dwt变换，图像分成四个相互不重叠的频率子图，选择低频子带图，再经过一次dwt变换，仍然选择低频子带图；
[0052]
3)上一步选择的低频子带经过nsst变换后得到与低频子带相同尺寸、不同尺度、不同方向的子带。通过方向性计算，选取方向性最强的子带ll；
[0053]
4)对上一步选出的方向性最强子带ll进行奇异值分解，并将进行四次arnold置乱之后的如图5所示的，大小为128*128的二值水印图像进行奇异值分解得到pcmark，然后嵌入在ll的奇异值矩阵中；
[0054]
5)将pcmark进行奇异值分解逆变换、nsst逆变换、两次离散小波逆变换得到嵌入水印后的y通道的图像，然后将三个通道矩阵组合起来，再将图像由ycbcr空间转换到rgb空间：
[0055]
6)保存嵌入水印的图像，如图6。
[0056]
步骤二，水印提取，如图3所示，具体步骤为：
[0057]
1)将嵌入水印后的图像从rgb空间转换到ycbcr空间，并选取图像的y通道信息；
[0058]
2)选取的y通道图像先经过1次离散小波变换(dwt)，选择低频子带图。再将选择的子带进行第二次dwt变换，仍选择低频子带图；
[0059]
3)低频子带经过nsst变换后被分解为不同的方向子带。确定各方向子带的方向性大小并选取最大方向子带ll'；
[0060]
4)对上一步选出的最大方向子带ll'进行奇异值分解，得到奇异值矩阵sm；
[0061]
5)利用嵌入水印前的奇异值矩阵以及嵌入强度，求出水印矩阵，再经二值化和arnold得到水印图像w'，完成水印的提取，如图7。
[0062]
步骤三，攻击检测，与步骤二的过程相似：
[0063]
1)攻击嵌入水印的图像并保存；
[0064]
2)将被攻击后的图像经两次dwt变换和一次nsst变换，得到最大方向子带，对最大
方向性子带进行奇异值分解得到奇异值矩阵；
[0065]
3)利用嵌入水印前的奇异值矩阵以及嵌入强度，求出水印矩阵，再经过二值化和arnold得到被攻击后提取的水印图像；
[0066]
4)将提取的水印图像与源水印图像对比，通过归一化系数nc评价水印的提取效果，当其数值越接近1时，则相似度越高，进而评价算法的鲁棒性。用ssim表示被攻击图片的失真程度，当ssim值越大，图片的失真度越小。
[0067]
下面通过具体实例来判断该数字水印方法的抗常规攻击能力和抗几何攻击能力。
[0068]
第一、高斯噪声攻击。
[0069]
表1是水印抗高斯噪声攻击的实验数据。从表1中可以看出，图像在遭受高斯噪声攻击后，提取水印的效果依然很好。在高斯噪声方差为0.001、0.0025、0.005时，nc值为1。图8为高斯噪声方差为0.01攻击后的图像，可以看到图像已经比较模糊，图9为高斯噪声方差为0.01攻击后提取的水印，nc＝0.96091。这说明采用本发明可以抗高斯噪声攻击。
[0070]
表1水印抗高斯噪声攻击数据
[0071]
方差0.0010.00250.0050.01ssim0.972870.936590.88440.8005nc1110.9991
[0072]
第二、中值滤波攻击
[0073]
表2是水印抗中值滤波攻击的实验数据。从表2中可以看出，图像在遭受大小分别为3*3、4*4、5*5的中值滤波攻击后，nc值均为1。图10为窗口大小为[3*3]中值滤波攻击后的图像，图像的变得平滑，失去很多细节信息，图11为窗口大小为[3*3]中值滤波攻击后提取的水印，nc＝1。因此采用本发明可以抗中值滤波攻击。
[0074]
表2水印抗中值滤波攻击数据
[0075]
中值滤波3*34*45*5ssim0.9900.9670.977nc111
[0076]
第三、旋转攻击
[0077]
表3是水印抗旋转攻击的实验数据。从表3中可以看出，图像在经过10
°
、20
°
、30
°
的旋转攻击后，nc值均在0.96以上。图12为旋转20
°
的图像，图13为旋转20
°
后提取的水印图像，nc＝0.9609，可以准确地提取水印。
[0078]
表3水印抗旋转攻击数据
[0079]
旋转角度10
°
20
°
30
°
ssim0.7110.6340.570nc0.98030.97390.9609
[0080]
第四、jpeg压缩攻击
[0081]
表4是水印抗jpeg压缩攻击的实验数据。从表4中可以看出，图像在经过质量因子分别为30、45、60的jpeg压缩攻击后，nc值均为1。图14为质量因子为30的jpeg压缩攻击后的图像，图15为质量因子为30的jpeg压缩攻击后提取的水印图像。
[0082]
表4水印抗jpeg压缩攻击数据
[0083]
质量因子304560ssim0.9810.9850.985nc111
[0084]
第五、剪切攻击
[0085]
表5是水印抗jpeg压缩攻击的实验数据。从表5中可以看出，图像在经过质量因子分别为1/16、1/12、1/8的剪切攻击后，nc值均在0.98以上。图16为剪切1/16的图像，图17为剪切1/16后提取的水印图像，nc＝0.991，可以准确地提取水印。
[0086]
表5水印抗剪切攻击数据
[0087]
剪切大小1/161/121/8ssim0.9350.91740.876nc0.9910.9840.995
[0088]
从以上描述可知，本发明基于剪切波捕获方向特征的数字图像水印方法，充分利用图像的方向性信息和低频信息，有较好的鲁棒性，针对高斯噪声攻击、滤波攻击等常规攻击，以及旋转、剪切等几何攻击，仍然可以准确地提取水印，具有较强的抗攻击能力。
[0089]
本发明的保护范围也并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。