针对光照环境下的屏幕拍照鲁棒水印方法

1.本发明属于信息隐藏技术领域，尤其涉及一种针对光照环境下的屏幕拍照鲁棒水印方法。


背景技术：

2.数字水印是一种信息隐藏技术，可以将图像、文字等数字信号信息隐藏在图像、视频、音频等原始数据中，达到数字产品版权保护和完整性认证的目的。由于拍照获取信息的便捷性，一些重要的信息很容易通过拍照的方式泄露出去，带来一定的损失，因此需要能够抵抗屏幕拍照的水印，对重要信息进行版权保护。
3.目前，已有一些学者对屏幕拍照水印进行了研究，也取得了一定的成绩。现有的方法有在dct域嵌入水印信息，使用尺度不变特征变换对水印特征区域进行选择，为了尽可能的保留水印信息，提出将水印以小模板嵌入，并重复嵌入多次，以达到一定的鲁棒性。也有在dft域中嵌入水印，使用harris-laplace检测器以及加速鲁棒特征构造特征区域，采用非旋转嵌入的方式嵌入水印。随着深度学习在传统水印领域应用的成功，也有一些学者开始研究基于深度学习的屏幕拍照水印。其中就有学者提出一种模板水印嵌入方法，在图像中嵌入消息模板以及定位模板，在水印提取时，使用增强子网络以及分类子网络两级网络对水印进行提取。也有学者提出一个端到端的神经网络用于隐藏信息以及提取信息，并在编码器以及解码器之间建立一个失真网络，用来保持隐藏信息对相机的弹性。
4.但是，包括以上提出的现有屏幕拍照水印方案较少考虑光照这一因素对水印鲁棒性的影响。有学者提出使用直方图均衡化的方式对光照不均匀的地方进行处理，但是会存在色彩失真严重和过度增强等问题。而且，在光照过强的区域嵌入水印会降低水印的不可见性，在提取时，如果有受到外界光源的影响而产生的过曝区域，图像的特征会不清晰，从而影响水印定位以及提取。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决光照对屏幕拍照水印的影响，本发明提出一种针对光照环境下的屏幕拍照鲁棒水印方法。
6.技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种针对光照环境下的屏幕拍照鲁棒水印方法，步骤如下：
7.(1)计算图像的光照分量以及光照阈值；
8.(2)选择水印的嵌入区域，其中超过光照阈值的区域不作为嵌入区域；
9.(3)在dct域中将水印序列嵌入到图像，得到水印图像；
10.(4)对拍摄得到的含水印图像进行透视校正以及光照校正；
11.(5)对光照校正后的图像使用双边滤波进行保边去噪；
12.(6)选择水印的提取区域；
13.(7)在dct域中通过交叉验证的方式提取水印序列。
14.进一步的，所述步骤(1)计算图像的光照分量以及光照阈值的具体过程为：
15.获取原始图像，将图像从rgb空间转换到hsv空间，选择亮度空间v，使用多尺度高斯卷积，得到光照分量f(x,y)：
[0016][0017]
其中n表示尺度数，i表示计数器，ωi表示光照分量的权系数，i(x,y)表示输入图像，g(x,y)表示高斯函数，(x,y)表示像素坐标，λ表示归一化常数，m表示尺度因子；
[0018]
光照阈值e的计算方法如下：
[0019]
任意选择一个光照分量值，该值将光照分量分为a、b两个集合，集合a中的光照分量值大于或等于该值，集合b中的光照分量值小于该值；
[0020]
集合a、b中的光照分量的平均值分别记作fa、fb，集合a、b中的像素数占总像素数的比例分别记作pa、pb，类间方差icv定义为：
[0021]
icv＝p
aα
(f
a-f)2 p
bα
(f
b-f)2[0022]
其中，α表示0-1之间用于调整分割效果的参数，f表示所有光照分量的平均值；选择使得icv取值最大的光照分量作为光照阈值e；
[0023]
设置光照阈值e用于特征区域的选择，如果特征区域中有超过光照阈值e的光照分量则不选择该特征区域用于水印嵌入。
[0024]
进一步的，所述步骤(2)的水印嵌入区域选择具体过程为：
[0025]
对水印序列进行bch编码得到待嵌入的二进制水印序列，根据待嵌入水印序列构造水印矩阵，矩阵的大小为s*t，s和t分别是矩阵的行数和列数；
[0026]
使用基于强度的sift算法，根据特征点的强度选择强度最大的前h个特征点作为候选特征点，sift算法中差分高斯域的绝对值即为特征点的强度；
[0027]
根据候选特征点得到相应的候选特征区域，以候选特征点为中心的s*t*8*8的区域作为候选特征区域；对候选特征区域进行一定的筛选，得到最终的水印嵌入区域。
[0028]
进一步的，选择原始rgb图像的b通道图像用于水印特征区域的选择以及水印的嵌入。
[0029]
进一步的，候选特征区域的筛选方法如下：
[0030]
首先，去除特征区域超过图像边界的区域；其次，去除光照分量大于光照阈值的特征区域；接着，选择特征区域内特征点的密度达到设定值的特征区域；
[0031]
最终，如果得到的特征区域有重合的区域，则选择特征点强度大的那个区域为最终的特征区域。
[0032]
进一步的，所述步骤(3)的水印嵌入过程为：
[0033]
在dct域中嵌入水印，将图像从空间域转换到dct域，通过对比dct域中频的一对系数值的大小实现水印的嵌入，具体为：
[0034]
选择dct域中频两个位置的离散余弦变换系数c1和c2，如果要嵌入的水印信息是1，则通过水印嵌入强度调整c1和c2的大小，保持c1《c2，如果要嵌入的水印信息是0，则通过水印嵌入强度调整c1和c2的大小，保持c1》c2。
[0035]
进一步的，水印的嵌入强度由注意遮罩以及jpeg压缩值获得，具体为：
[0036]
图像经过注意力模型ga，生成注意遮罩am，将am中每个值正则化为0到1的范围，根
据该值确定水印嵌入强度，并同时考虑jpeg压缩值，保证水印嵌入强度在压缩后仍保持相应关系，水印嵌入公式如下：
[0037][0038]
其中，am表示图像经过注意力模型生成的注意遮罩，ga表示注意力模型，i(x,y)表示输入图像，d表示由jpeg压缩因子确定的水印嵌入强度，q1和q2分别表示c1和c2的jpeg压缩因子，c1和c2表示dct域中频两个位置的离散余弦变换系数值，β表示水印嵌入强度控制因子，wm表示水印。
[0039]
进一步的，所述步骤(6)具体包括：
[0040]
使用基于强度的sift算法，选择候选特征点及其相应的候选特征区域；然后对候选特征区域进行筛选，筛选条件如下：
[0041]
1)去除超过图像边界的特征区域；
[0042]
2)选择特征区域内特征点的密度达到设定值的特征区域；
[0043]
根据两个筛选条件最终得到筛选后的特征点及特征区域，使用筛选后的特征区域进行水印的提取。
[0044]
进一步的，所述步骤(7)具体包括：
[0045]
水印提取过程为将特征区域执行dct变换转换到dct域中，选择dct域中频的一对系数值c1和c2，通过比较c1和c2的大小确定嵌入的水印是0或1；如果c1》c2，则嵌入的水印为0，否则为1；
[0046]
对筛选后得到的特征点以及特征区域进行偏移补偿，选择以筛选后的特征点为中心的9个特征点为一个特征点组；
[0047]
以每个特征点为中心的特征区域都提取出一个水印信息，一个特征点组提取出9个水印信息，作为一个水印组；通过对各个水印组进行交叉验证得到二进制水印序列，使用bch解码得到最终的水印序列。
[0048]
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
[0049]
本发明能够从存在光照失真的屏幕拍照图像中准确地提取出水印信息，在选择水印嵌入区域时，对原始图像光照过强的区域不嵌入信息，以减少因光照对水印图像不可见性的影响；在水印提取阶段，提出对拍摄后获得的图像进行光照处理，减少过曝区域的光照分量，可以增强图像的特征，从而更准确地定位到水印嵌入区域，提高水印提取的准确性；由于对图像进行光照处理会带来边缘模糊、增加噪声等问题，提出在光照处理后进行双边
滤波，实现保边去噪功能。
附图说明
[0050]
图1是本发明的方法流程图；
[0051]
图2是水印生成及嵌入流程图；
[0052]
图3是水印提取和认证流程图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0054]
本发明所述的针对光照环境下的屏幕拍照鲁棒水印方法，流程如图1，步骤如下：
[0055]
(1)计算图像的光照分量以及光照阈值；
[0056]
(2)选择水印的嵌入区域，其中超过光照阈值的区域不作为嵌入区域；
[0057]
(3)在dct域中将水印序列嵌入到图像，得到水印图像；
[0058]
(4)对拍摄得到的含水印图像进行透视校正以及光照校正；
[0059]
(5)对光照校正后的图像使用双边滤波进行保边去噪；
[0060]
(6)选择水印的提取区域；
[0061]
(7)在dct域中通过交叉验证的方式提取水印序列。
[0062]
所述步骤(1)计算图像的光照分量以及光照阈值的具体过程为：首先获取原始图像，将图像从rgb空间转换到hsv空间，选择亮度空间v，使用多尺度高斯卷积，得到光照分量f(x,y)：
[0063][0064]
其中n表示尺度数，i表示计数器，ωi表示光照分量的权系数，i(x,y)表示输入图像，g(x,y)表示高斯函数，(x,y)表示像素坐标，λ表示归一化常数，m表示尺度因子。
[0065]
计算光照分量f(x,y)的平均值f以及方差，如果方差小于一定值，则这张图光照均匀，不需要考虑光照对水印嵌入的影响，否则认为这张图有局部光照过强的区域，而该光照过强的区域不宜嵌入水印，此时，需要设置光照阈值e用于特征区域的选择，如果特征区域中有超过光照阈值e的光照分量则不选择该特征区域用于水印嵌入，光照阈值e的计算方法如下：
[0066]
任意选择一个光照分量值，该值将光照分量分为a、b两个集合，集合a中的光照分量值大于或等于该值，集合b中的光照分量值小于该值；集合a、b中的光照分量的平均值分别记作fa、fb，集合a、b中的像素数占总像素数的比例分别记作pa、pb，类间方差icv定义为：
[0067]
icv＝p
aα
(f
a-f)2 p
bα
(f
b-f)2[0068]
其中，α表示0-1之间用于调整分割效果的参数，f表示所有光照分量的平均值；选择使得icv取值最大的光照分量作为光照阈值e；设置光照阈值e用于特征区域的选择，如果特征区域中有超过光照阈值e的光照分量则不选择该特征区域用于水印嵌入。
[0069]
由于在原始rgb图像的b通道进行图像修改，人眼较不易察觉，对于水印的不可见性较好，因此，本实施例中选择原始rgb图像的b通道图像用于水印特征区域的选择以及水印的嵌入。水印生成及嵌入流程图参见图2。
[0070]
所述步骤(2)的水印嵌入区域选择具体过程为：
[0071]
对水印序列进行bch编码(bosechaudhuri-hocqunghem)得到待嵌入的二进制水印序列，根据待嵌入水印序列构造水印矩阵，矩阵的大小为s*t，s和t分别是矩阵的行数和列数；使用基于强度的尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform，sift)算法，根据特征点的强度选择强度最大的前h个特征点作为候选特征点，sift算法中差分高斯域的绝对值即为特征点的强度；根据候选特征点得到相应的候选特征区域，以候选特征点为中心的s*t*8*8的区域作为候选特征区域；对候选特征区域进行一定的筛选，得到最终的水印嵌入区域。其中，候选特征区域的筛选方法如下：
[0072]
首先，去除特征区域超过图像边界的区域；其次，去除光照分量大于光照阈值e的特征区域；接着，选择特征区域内特征点的密度达到设定值的特征区域；最终，如果得到的特征区域有重合的区域，则选择特征点强度大的那个区域为最终的特征区域。
[0073]
所述步骤(3)的水印嵌入过程为：在dct域中嵌入水印，将图像(b通道图像)从空间域转换到dct域，通过对比dct域中频的一对系数值的大小实现水印的嵌入，具体为：选择dct域中频两个位置的离散余弦变换系数c1和c2，如果要嵌入的水印信息是1，则通过水印嵌入强度调整c1和c2的大小，保持c1《c2，如果要嵌入的水印信息是0，则通过水印嵌入强度调整c1和c2的大小，保持c1》c2。
[0074]
水印的嵌入强度由注意遮罩以及jpeg压缩值获得，具体为：图像经过注意力模型ga，生成注意遮罩am，将am中每个值正则化为0到1的范围，根据该值确定水印嵌入强度，并同时考虑jpeg压缩值，保证水印嵌入强度在压缩后仍保持相应关系，水印嵌入公式如下：
[0075][0076]
其中，am表示图像经过注意力模型生成的注意遮罩，ga表示注意力模型，i(x,y)表示输入图像，d表示由jpeg压缩因子确定的水印嵌入强度，q1和q2分别表示c1和c2的jpeg压缩因子，c1和c2表示dct域中频两个位置的离散余弦变换系数值，β表示水印嵌入强度控制因子，wm表示水印。
[0077]
所述步骤(4)具体过程为：
[0078]
含水印图像经过拍摄后得到拍摄图像，对该图像进行透视变换以及裁剪操作，得到待提取图像；对待提取图像进行光照校正，首先，使用步骤(1)中的公式获取光照分量f(x,y)，然后，使用二维伽马函数对图像亮度进行校正处理，使得图像的亮度均匀，便于后续的图像特征获取以及水印提取，二维伽马函数的公式为：
[0079][0080]
其中，o(x,y)表示经过二维伽马函数校正之后的图像，i(x,y)表示输入图像，γ表示用于亮度增强的指数值，f(x,y)表示光照分量，f表示所有光照分量的平均值。
[0081]
所述步骤(5)使用双边滤波的具体过程为：
[0082]
由于对图像进行光照校正相当于对图像多增加一次攻击，会带来边缘模糊、增加噪声等问题，本发明对校正后的图像使用双边滤波，实现保边去噪功能，然后将图像转换到rgb空间，双边滤波的具体公式为：
[0083][0084][0085]
其中，z(x,y)表示输出像素点，r(k,l)表示输入点，w(x,y,k,l)表示经过两个高斯函数计算出的值，(x,y)表示模板窗口的中心坐标，(k,l)表示模板窗口的其他像素的坐标，σd和σr分别表示定义域方差和值域方差，r(x,y)表示模板窗口的中心输入点。
[0086]
所述步骤(6)具体包括：
[0087]
和步骤(2)的方法一致，使用基于强度的sift算法，选择候选特征点及其相应的候选特征区域；然后对候选特征区域进行筛选，筛选条件如下：1)去除超过图像边界的特征区域；2)选择特征区域内特征点的密度达到设定值的特征区域；根据两个筛选条件最终得到筛选后的特征点及特征区域，使用筛选后的特征区域进行水印的提取。
[0088]
所述步骤(7)具体包括：
[0089]
水印提取过程为将特征区域执行dct变换转换到dct域中，选择dct域中频的一对系数值c1和c2，通过比较c1和c2的大小确定嵌入的水印是0或1；如果c1》c2，则嵌入的水印为0，否则为1；由于拍摄后得到图像的特征点可能会发生轻微的偏移，因此，对筛选后得到的特征点以及特征区域进行偏移补偿，选择以筛选后的特征点为中心的9个特征点为一个特征点组；以每个特征点为中心的特征区域都提取出一个水印信息，一个特征点组提取出9个水印信息，作为一个水印组；通过对各个水印组进行交叉验证，得到二进制水印序列，最后，使用bch解码得到最终的水印序列。
[0090]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。