[发明专利]一种基于压缩感知的数字图像水印嵌入和提取方法

说明书

技术领域

本发明属于信息隐藏和图像处理技术领域，特别涉及一种基于压缩感知的数字图像水印嵌入和提取方法。

背景技术

信息隐藏是信息安全领域的一个新的研究热点，信息隐藏为在开放的网络环境下进行涉密的数据通信、数字产品的知识产权保护、重要文件和数字签名的真实性鉴别以及机密文件泄密后的消息源头追踪提供了可靠的信息安全保障。数字水印技术是信息隐藏技术的重要分支。

数字水印技术是一种有效的版权保护、内容认证以及数据完整性保护的方法，一直以来受到版权保护相关领域研究者的关注与重视。数字图像水印算法主要分为：空间域水印技术和变换域水印技术，空间域水印技术存在鲁棒性差，水印信息嵌入不均衡，抗攻击能力和安全性差等缺点，而变换域水印技术针对噪声的鲁棒性比较强，却存在嵌入容量小的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于压缩感知的数字图像水印方法，融合了压缩感知理论，引入测量矩阵作为数字图像水印密钥，增强了数字图像水印的安全性，通过对水印信息的压缩，增加大了嵌入容量，隐藏能力更强，具有较强的鲁棒性，实现简单快速，成本低廉。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于压缩感知的数字图像水印嵌入方法，包括以下步骤：

步骤1：对二值数字图像水印信息进行稀疏化处理，得到稀疏化的一维水印信息；

读取二值数字图像水印信息W=(w_s,q)_S×Q，二值数字图像水印信息W是大小为S×Q的矩阵，其中，S表示矩阵的行，Q表示矩阵的列，w_s,q为二值数字图像水印信息W的第s行、第q列位置上的元素，w_s,q∈{0,1}；

对二值数字图像水印信息W进行逐列扫描，将其转换成一维水印信息一维水印信息C^w是一维列向量，共有L行，且有L=S×Q；w表示二值数字图像水印信息，是watermark的缩写；

一维水印信息C^w经过离散余弦变换，得到离散余弦变换域信息即稀疏化的一维水印信息稀疏化的一维水印信息D^w是一维列向量，共有L行；

设定稀疏化一维水印信息的稀疏度K，0<K＜＜1，采样数据量为K*L，保留K值；

步骤2：构造测量矩阵，将测量矩阵作为密钥，用密钥对步骤1确定的稀疏化的一维水印信息进行测量，实现对一维水印信息的压缩和加密；

将P个大小为b×b的哈德马矩阵块H_Block按照如下公式组成H：

式中，P和b均为整数，取值满足：P*b=L；对矩阵H的列向量进行随机排序，然后对行向量进行随机排序，抽取排序后矩阵H中的任意L_cs行组成测量矩阵测量矩阵Φ是大小为L_cs×L的矩阵，为测量矩阵Φ的第l_cs行、第l列位置上的元素，L_cs满足条件：L_cs＜＜L，L_cs∈[K*L,L)；cs表示压缩感知，是Compressivesensing的缩写；

将上述测量矩阵Φ作为密钥保存；

用密钥Φ的每个行向量分别与稀疏化的一维水印信息做内积，得到一维水印信息在密钥上的投影，即测量值测量值Y^w是一维列向量，共L_cs行；因为一维水印信息的总数据量为L，测量值的总数据量为L_cs，L_cs＜＜L，所以测量过程实现了数据压缩，又因为在未知密钥Φ的情况下，压缩过程不可逆，所以压缩过程也是对数据的加密过程；

步骤3：读取待进行版权保护的数字图像，将其作为原始载体图像信息，保留一份原始载体图像信息的备份，对原始载体图像信息进行离散余弦变换并对变换后得到的离散余弦变换域信息进行分块，将步骤2处理后的水印信息嵌入到载体图像中得到含水印图像；

读取待进行版权保护的数字图像信息，即原始载体图像信息A=(a_m,n)_M×N，原始载体图像信息A是大小为M×N的矩阵，其中，M表示行，N表示列，a_m,n为原始载体图像A的第m行、第n列位置上的元素；

对原始载体图像信息A逐列进行扫描，将其转换成一维的原始载体图像C^A是一维列向量，共有L_A行，L_A=M×N；