基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多媒體信息安全中信息隱藏與數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種不僅具 有較好的不可感知性，而且對(duì)常規(guī)信號(hào)處理(中值濾波、邊緣銳化、疊加噪聲和JPEG壓縮等） 和去同步攻擊(旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、剪切、翻轉(zhuǎn)等）均具有較好的魯棒性的基于四元數(shù)圓諧傅 里葉矩的圖像水印嵌入及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字水印（Digital Watermarking)作為傳統(tǒng)加密方法的有效補(bǔ)充手段，是一種 可W在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來(lái)源及完整性的新技術(shù)，近年來(lái)已引起人們高度重 視，并已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。所謂數(shù)字圖像水印，就是將具有特定意義的標(biāo)記 (水印)，利用數(shù)據(jù)嵌入的方法隱藏在數(shù)字圖像產(chǎn)品中，用W證明創(chuàng)作者對(duì)其作品的所有權(quán)， 并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的依據(jù)，同時(shí)通過(guò)對(duì)水印的檢測(cè)和分析保證數(shù)字信息的完整可 靠性，從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字多媒體防偽的有效手段。
[0003] 所謂去同步攻擊，并非指該種攻擊能夠從含水印圖像中去除水印信息，而是指其 能夠破壞數(shù)字水印分量的同步（即改變水印嵌入位置)，從而導(dǎo)致檢測(cè)器找不到有效水印。 去同步攻擊包括全局仿射變換（即旋轉(zhuǎn)、縮放、平移）和一般性去同步攻擊(剪切、尺度變換、 行列去除等)。近年來(lái)，人們主要采用H種措施設(shè)計(jì)抗去同步攻擊的圖像水印方案，分別為 構(gòu)造幾何不變量、隱藏模版、利用原始圖像重要特征。
[0004] 近年來(lái)，抗去同步攻擊數(shù)字圖像水印嵌入及檢測(cè)方法研究取得了很大進(jìn)展，但現(xiàn) 有絕大多數(shù)圖像水印嵌入算法都是針對(duì)灰度圖像的，直接用于彩色載體圖像的數(shù)字水印算 法較少。即使原始載體是彩色圖像，大部分方法也只是通過(guò)提取其亮度信息或使用單色通 道信息嵌入數(shù)字水印。也就說(shuō)，現(xiàn)有算法未能很好體現(xiàn)和保留不同色彩分量在整個(gè)顏色空 間內(nèi)的特定聯(lián)系，因而必然影響數(shù)字水印的魯棒性和不可感知性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有圖像水印方法存在的上述問(wèn)題，提供一種不僅具有較好的不可感 知性，而且對(duì)常規(guī)信號(hào)處理（中值濾波、邊緣銳化、疊加噪聲和JPEG壓縮等）和去同步攻擊 (旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、剪切、翻轉(zhuǎn)等）均具有較好的魯棒性的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像 水印嵌入及檢測(cè)方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法， 其特征在于按照如下步驟進(jìn)行： 步驟1 四元數(shù)與圓諧傅里葉矩理論為基礎(chǔ)，定義并具體計(jì)算彩色圖像的四元數(shù)圓 諧傅里葉矩； 步驟2 ;利用有限個(gè)四元數(shù)圓諧傅里葉矩來(lái)近似重構(gòu)彩色圖像函數(shù)的表達(dá)式； 步驟3 ;分析與討論四元數(shù)圓諧傅里葉矩的精確性和幾何不變特性，選取穩(wěn)定的矩，用 于水印嵌入； 步驟4 ;采納量化調(diào)制策略將水印信息嵌入到四元數(shù)圓諧傅里葉矩幅值中。
[0007] 所述步驟1如下： 步驟11:假定/(.r=旬為極坐標(biāo)下的彩色圖像，定義如下形式的彩色圖像四元數(shù)圓諧傅 里葉矩：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法，其特征在于按照如下步驟進(jìn) 行： 步驟1 :以四元數(shù)與圓諧傅里葉矩理論為基礎(chǔ)，定義并具體計(jì)算彩色圖像的四元數(shù)圓 諧傅里葉矩； 步驟2 :利用有限個(gè)四元數(shù)圓諧傅里葉矩來(lái)近似重構(gòu)彩色圖像函數(shù)的表達(dá)式； 步驟3 :分析與討論四元數(shù)圓諧傅里葉矩的精確性和幾何不變特性，選取穩(wěn)定的矩，用 于水印嵌入； 步驟4 :采納量化調(diào)制策略將水印信息嵌入到四元數(shù)圓諧傅里葉矩幅值中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法，其特征在于 所述步驟1如下： 步驟11 :假定/《>%句為極坐標(biāo)下的彩色圖像，定義如下形式的彩色圖像四元數(shù)圓諧傅 里葉矩：
其中，/i是一個(gè)單位純四元數(shù)，在此選擇# = (? +/ + *)/$，Γ>: (r)表示徑向基函數(shù)； 步驟12 :假設(shè)々、/及Zj分別表示彩色圖像的R、G、B三個(gè)分量，Φ,Κ(Λ)、Φ,乂Q和 Φ"/& )分別表示彩色圖像R、G、B三個(gè)分量的傳統(tǒng)圓諧傅里葉矩，·心I表示取復(fù)數(shù)P的 實(shí)部表示取復(fù)數(shù)/7的虛部，則根據(jù)傳統(tǒng)圓諧傅里葉矩和四元數(shù)理論推得四元數(shù)圓 諧傅里葉矩的具體計(jì)算過(guò)程：
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法，其特征在于 所述步驟2如下： 步驟21 :對(duì)于彩色圖像函數(shù)/(r，），計(jì)算出它的四元數(shù)圓諧傅里葉矩; 步驟22 :利用最高階為、最大重復(fù)度為的有限個(gè)四元數(shù)圓諧傅里葉矩來(lái)近似重 構(gòu)彩色圖像函數(shù)； 步驟23 :在極坐標(biāo)系下，利用有限個(gè)四元數(shù)圓諧傅里葉矩近似重構(gòu)彩色圖像函數(shù) /分方)的表達(dá)式可寫為：
這里，/Jr,句為接近于O的矩陣和/sl:rJ)分別對(duì)應(yīng)重構(gòu)彩色圖像的 R、G、B三個(gè)分量,為/·、、?/和馬/'分別為、把、Ci和Af;的灰度重構(gòu)矩 陣：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法，其特征在 于所述步驟3如下： 步驟31 :四元數(shù)圓諧傅里葉矩的平移不變性分析； 步驟32 :四元數(shù)圓諧傅里葉矩的旋轉(zhuǎn)不變性分析； 步驟33 :四元數(shù)圓諧傅里葉矩的縮放不變性分析； 步驟34 :四元數(shù)圓諧傅里葉矩的精確性測(cè)試，用于水印嵌入的四元數(shù)圓諧傅里葉矩選 取如下：
其中，為四元數(shù)圓諧傅里葉矩，/7和&別為四元數(shù)圓諧傅里葉矩的階數(shù)和重復(fù)度； A 7分別為所選穩(wěn)定矩的階數(shù)和重復(fù)度； 用于水印嵌入所選取的四元數(shù)圓諧傅里葉矩個(gè)數(shù)為
為所求四元數(shù)圓諧傅里葉矩設(shè)定的最大階數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法，其特征在 于所述步驟4如下： 步驟41:數(shù)字水印的預(yù)處理； 步驟42 :四元數(shù)圓諧傅里葉矩的計(jì)算； 步驟43 :利用密鑰Keyl從穩(wěn)定四元數(shù)圓諧傅里葉矩集合中隨機(jī)選擇個(gè)四元數(shù)圓 諧傅里葉矩
，用于水印嵌入，設(shè)其對(duì)應(yīng)的四元數(shù)圓諧傅里葉矩幅值 ，
,量化規(guī)則如下：
式中，叫(ι')(??κι?ρ)表示水印數(shù)據(jù)，λ為量化步長(zhǎng)，本發(fā)明取a=o.2,4U就是嵌 入水印信息后的四元數(shù)圓諧傅里葉矩幅值，根據(jù)得到嵌入水印信息后的四元數(shù)圓諧傅 里葉矩; 步驟44 :含水印彩色圖像的生成。
6. -種與權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法 相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，其特征在于按照如下步驟進(jìn)行： 步驟51 :計(jì)算出待檢測(cè)彩色圖像F四元數(shù)圓諧傅里葉矩；
步驟52 :低階四元數(shù)圓諧傅里葉矩的選??； 利用密鑰Key2選擇^^^個(gè)四元數(shù)圓諧傅里葉矩 用于水印提 取，設(shè)其對(duì)應(yīng)的四元數(shù)圓諧傅里葉矩幅值戈
； 步驟53 :采用與嵌入過(guò)程相對(duì)應(yīng)的量化公式進(jìn)行水印提?。?br>式中，ui(〇 玄i s; p * ρ；)表示提取出的一維水印數(shù)據(jù)； 步驟54 :對(duì)得到的一維水印數(shù)據(jù)逆置亂解密，并轉(zhuǎn)換成二維水印圖像
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于四元數(shù)圓諧傅里葉矩的圖像水印嵌入方法及檢測(cè)方法：彩色圖像四元數(shù)圓諧傅里葉矩的計(jì)算，彩色圖像根據(jù)四元數(shù)圓諧傅里葉矩的重構(gòu)，四元數(shù)圓諧傅里葉矩的幾何不變特性與精確性分析，數(shù)字水印的嵌入與數(shù)字水印的提取。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明能夠有效的抵抗含水印圖像在各種狀態(tài)下所受到的去同步攻擊，同時(shí)對(duì)于常規(guī)攻擊也有很好的魯棒性。此外，本發(fā)明還具有計(jì)算簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、抽取水印時(shí)無(wú)需原始載體圖像等特點(diǎn)，這大大增強(qiáng)了其用于數(shù)字水印作品版權(quán)保護(hù)的實(shí)用性。
【IPC分類】G06T1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104537602
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410820286
【發(fā)明人】楊紅穎, 王佩, 王向陽(yáng)
【申請(qǐng)人】遼寧師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日