一种基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法

技术特征：
1.一种基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，构建大小为256
×
256
×
256的三维参考矩阵，并基于该矩阵生成水印图像和实现图像的篡改检测和自恢复；三维参考矩阵的构建过程为：首先，利用密钥k1根据伪随机数发生器形成从0到2
6-1的64位随机数字，将这64位数字放置到一个3
×3×
3大小的矩阵的64个顶点处；然后，重复这个3
×3×
3大小的矩阵，产生256
×
256
×
256大小的三维参考矩阵rm
3d
；其中，每个彩色像素的三个通道(r
i
,g
i
,b
i
)对应于该矩阵的三个维度；在水印嵌入过程中，以点(r
i
,g
i
,b
i
)为中心形成一个3
×3×
3大小的矩阵，并寻找将要隐藏的信息所在的位置(r
i
′
,g
i
′
,b
i
′
)；如果rm
3d
(r
i
,g
i
,b
i
)对应的值就是要隐藏的水印w
i
，则不需要改变(r
i
,g
i
,b
i
)的像素值；否则，原始通道像素值(r
i
,g
i
,b
i
)被修改为(r
i
′
,g
i
′
,b
i
′
)来携带水印信息w
i
；彩色图像自恢复方法具体包括如下步骤：步骤1、基于三维参考矩阵生成水印图像；具体过程如下：步骤1.1、获取原始彩色图像，假设原始彩色图像i
o
的大小为h
×
w，i
o
被划分为四个主块m
n
(n＝1,2,3,4)，然后每个主块被进一步划分为大小为4
×
4的非重叠的块；步骤1.2、计算平均值并生成恢复位w
r
，然后进行集合划分和进制转换；步骤1.3、收集每个主块中的恢复位并通过密钥k2进行置乱得到步骤1.4、从距离最远的主块中选择一个4
×
4大小的块，利用三维参考矩阵嵌入置乱后的恢复位步骤1.5、利用已经嵌入恢复位的图像块和sha-256算法，计算并基于三维参考矩阵嵌入该块的认证位步骤1.6、重复步骤1.2-步骤1.5，直到所有块都被嵌入水印信息，得到水印图像i
w
；步骤2、篡改检测和图像自恢复；具体过程如下：步骤2.1、利用密钥k1根据伪随机数发生器重新构建一个包含64个顶点的3
×3×
3大小的矩阵，重复这个3
×3×
3大小的矩阵来获得256
×
256
×
256的三维参考矩阵rm
′
3d
；步骤2.2、对于第k个4
×
4大小的块，将每个彩色像素的三个通道的像素值(r
i
′
,g
i
′
,b
i
′
)匹配到rm
′
3d
中；矩阵rm
′
3d
(r
i
′
,g
i
′
,b
i
′
)对应的数字就是提取的水印w
i
′
，该块中提取的所有水印信息为w
k
′
；步骤2.3、进行水印信息划分；提取出的水印信息w
k
′
为0到2
6-1的十进制数字，w
k
′
的前q个数字是置乱后的恢复位其余的是提取的认证位步骤2.4、收集每个4
×
4块的并利用密钥k2进行逆置乱，得到按序排列的w
r
′
；收集每个4
×
4块的认证位得到w
a
′
；步骤2.5、对于第k个4
×
4大小的块，重新计算得到恢复位和认证位步骤2.6、认证第一个阶段是比较与如果它们是相同的，则认为该4
×
4块没有被篡改，否则，认为该块是被篡改的；步骤2.7、认证第二个阶段是比较与当他们之间差值的绝对值大于阈值并且在步骤2.6中被认为未被篡改，则认为该2
×
2块是被篡改的；否则，认为该2
×
2块没有被篡改；步骤2.8、利用提取的恢复位恢复被篡改块；
步骤2.9、重复步骤2.2-步骤2.8，直到检测出的被篡改块全部被恢复，得到恢复图像。2.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，水印由两部分组成，分别是用于检测被篡改的块的认证位和用于恢复被篡改的图像块的恢复位。3.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，所述步骤1.2的具体过程为：将每个4
×
4大小的块进一步划分为四个大小为2
×
2的块；每个块的平均值如公式(1)计算得出，其中r
m
、g
m
、b
m
分别代表2
×
2大小的块的三个通道的平均值；然后选择r
m
、g
m
、b
m
的前7位最高有效位作为2
×
2块的恢复位；一个大小为4
×
4的块产生7
×3×
4＝84位，作为第k个4
×
4大小的块的恢复位然后，将划分成q个6位的集合，并转换为十进制length表示的位数；其中，r
i
,g
i
,b
i
分别代表第i个彩色像素的三个通道的像素值。4.根据权利要求3所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，所述步骤1.5中，认证位按照公式(2)计算得到，计算出的哈希值h
k
的前12位被截断作为认证位的前12位被截断作为认证位其中，已嵌入像素的三个通道的像素值和块索引b
k
转换为4
×4×3×
8 15＝399位二进制，作为sha-256算法的输入。5.根据权利要求4所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，所述步骤2.5中，恢复位和认证位根据步骤1中的公式(1)和公式(2)计算得到。6.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，其特征在于，所述步骤2.8的具体过程为：(1)假设块b2中嵌入的是块b1的恢复位；如果b1被篡改，而b2没有被篡改，则从b2中提取恢复位恢复b1；(2)当b1和b2都被篡改时，将通过b1邻域中未被篡改的块的平均值恢复b1。

技术总结
本发明公开了一种基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法，属于图像处理技术领域，构建大小为256


技术研发人员：杨红梅 王彤 颜斌 王梦溪 刘涛 姚金良
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/12/5