[发明专利]一种对抗色调映射的高动态范围图像水印方法

说明书

本发明公开了一种对抗色调映射的高动态范围图像水印方法，其在水印嵌入过程中，人工设定嵌入水印的高动态范围图像相对于原始高动态范围图像的图像质量值，这样用户可以在不可见性和嵌入容量之间进行权衡，具有较高的灵活性和实用性；其在水印提取过程中，从嵌有水印的高动态范围图像受常规攻击后得到的高动态范围图像或受色调映射攻击后得到的低动态范围图像中，都能对水印信息进行有效的提取，满足高动态范围图像数字水印的鲁棒性要求，因而具有极高的实用性，且能够对抗所有色调映射攻击，鲁棒性好、水印误码率低；其不依赖于高动态范围图像的存储格式，适用于RGBE、OpenEXR或LogLuv格式的高动态范围图像。

技术领域

本发明涉及一种图像水印方法，尤其是涉及一种对抗色调映射的高动态范围图像水印方法。

背景技术

近年来，高动态范围(High Dynamic Range，HDR)图像作为数字图像领域的重要发展和突破，已在数码摄影、超高清电影与电视、视频游戏、遥感探测和医学成像等各方面日益受到关注。不同于传统的低动态范围(Low Dynamic Range，LDR)图像，高动态范围图像采用浮点数据来记录像素信息，能够更加准确记录真实场景的全部色彩范围值，能够表现出丰富的色彩细节和明暗层次。低动态范围图像能够直接在常规显示设备上再现，而高动态范围图像只能在专用显示设备上再现，但是由于专用显示设备的研制过程复杂、成本较高、技术还不够成熟而普及面有限，因此为了能够在常规显示设备上再现高动态范围图像丰富的颜色和阶调细节，研究人员设计了各种能将高动态范围图像转化成低动态范围图像的色调映射算子(Tone Mapping Operator，TMO)。由于数字图像本身具有易复制、易传播、易篡改的特点，因此高动态范围图像的知识产权保护问题亟待解决。虽然低动态范围图像数字水印技术已经相当成熟，但由于高动态范围图像独特的存储方式和色调映射算子的存在，现有的低动态范围图像数字水印技术不能直接移植到高动态范围图像领域，因此设计一种对抗色调映射算子的鲁棒性高动态范围图像水印算法显得尤为重要。

近年来，高动态范围图像水印技术的研究日益得到重视。C.M.Yu,K.C.Wu,C.M.Wang,A distortion-free data hiding scheme for high dynamic rangeimages,Displays 32(5),pp.225-236,2011.(余、吴等人，一种无失真的高动态范围图像信息隐藏方案，显示器32(5)，225-236,2011)、Z.H.Wang,C.C.Chang,T.Y.Lin,C.C.Lin,Anovel distortion-free data hiding scheme for high dynamic range images,Fourth International Conference on Digital Home,Guangzhou,China,pp.33-38,2012.(王、常等人，一种新型无失真的高动态范围图像信息隐藏方案，第四届数字之家国际会议，中国广州，33-38，2012)、C.C.Chang,T.S.Nguyen,C.C.Lin,Distortion-Free DataEmbedding Scheme for High Dynamic Range Images,Journal of Electronic Scienceand technology 11(1),pp.20-26,2013.(常、Nguyen等人，一种无失真的高动态范围图像数据嵌入方案，电子科学技术11(1)，20-26，2013)、C.C.Chang,T.S.Nguyen,C.C.Lin,Anew distortion-free data embedding scheme for high-dynamic range images,Multimedia Tools and Applications.75(1),pp.145-163,2016.(常、Nguyen等人，一种新型的无失真高动态范围图像数据嵌入方案，多媒体工具及应用，75(1)，145-163，2016)，这些方法利用了RGBE格式的高动态范围图像的存储特点，即RGB三通道和E通道存在多种同样的映射关系，实现了水印的无损嵌入。Y.M.Cheng,C.M.Wang,A novel approach tosteganography in high dynamic range images.IEEE Multimedia 16(3),pp.70-80,2009.(陈、王等人，一种新型的高动态范围图像数据隐写方法，IEEE多媒体16(3)，70-80，2009)、M.T.Li,N.C.Huang,C.M.Wang,A data hiding scheme for HDR images.International Journal of Innovative Computing Information and Control 7(5A),pp.2021-2035,2011.(李、黄等人，高动态范围图像信息隐藏方案，国际创新计算信息与控制杂志7(5A),2021-2035,2011)，这些方法采用了最低有效位(Least Significant Bits，LSB)算法在RGBE格式和LogLuv(TIFF)格式的高动态范围图像上进行水印嵌入。Y.T.Lin,C.M.Wang,W.S.Chen,F.P.Lin,W.Lin,A Novel Data Hiding Algorithm for HighDynamic Range Images,IEEE Transactions on Multimedia 19(1),pp.196-211,2017.(林、王等人，一种新型的高动态范围图像数据隐藏算法，IEEE多媒体汇刊19(1)，196-211，2017)，该方法利用了OpenEXR格式的高动态范围图像中尾数对图像的质量影响较小这一存储特点，进行水印嵌入。上述这些方法主要依靠高动态范围图像的存储格式特点，在不可见性和嵌入容量方面取得了一定的效果，但是在鲁棒性，尤其是对抗色调映射算子方面无能为力；此外，上述各种方法均不能适用于所有格式的高动态范围图像处理，存在使用局限性。现有的对抗色调映射算子的高动态范围图像水印算法主要有以下几种。F.Guerrini,M.Okuda,N.Adami,R.Leonardi,High dynamic range image watermarking robustagainst tone-mapping operators.IEEE Trans.Information Forensics and Security6(2),pp.283-295,2011.(Guerrini、Okuda等人，对抗色调映射的鲁棒性高动态范围图像水印，IEEE信息取证和安全汇刊6(2)，283-295，2011)，该方法在小波变换的低频区域上，对低感知区域分块并以峰度作为特征值，利用量化索引调制(Quantization IndexModulation，QIM)方法进行水印嵌入，该方法表现出了良好的色调映射算子(7种)鲁棒性和不可见性，但是水印误码率高于20％。X.Xue,T.Jinno,X.Jin,M.Okuda,S.Goto,Watermarking for HDR image robust to tone mapping.IEICE Transactions 94-A(11),pp.2334-2341,2011.(薛、Jinno等人，针对色调映射的鲁棒性高动态范围图像水印，IEICE汇刊94-A(11),2334-2341,2011)，该方法首先对高动态范围图像进行对数预处理，然后利用双边滤波器生成基本层和细节层，最后在细节层利用小波变换，对横向、纵向的高频区域进行水印嵌入，该方法可以有效地对抗色调映射算子(4种)攻击，但是测试图像数量相对较少，水印误码率仍然较高。E.Maiorana,V.Solachidis,P.Campisi,Y.Lou,Robustmulti-bit watermarking for HDR images in the Radon-DCT domain.Int.Symposiumon Image and Signal Processing and Analysis,Trieste,Italy,pp.284-289,2013.(Maiorana、Solachidis等人，Radon-DCT域的鲁棒性多位高动态范围图像水印，图像信号处理和分析国际专题会议，意大利的里雅斯特，284-289,2013)，该方法对高动态范围图像进行对数预处理后，进行离散小波变换和Radon-DCT变换，采用量化索引调制方法在最大能量区域嵌入水印，该方法的不可见性较好，但水印误码率达到22％。V.Solachidis,E.Maiorana,P.Campisi,HDR image multi-bit watermarking using bilateral-filtering-based masking.Image Processing:Algorithms and Systems,vol.865505,2013.(Solachidis、Maiorana等人，基于双边滤波器掩膜的多位高动态范围图像水印，图像处理：算法和系统，卷号865505,2013)，该方法利用恰可感知失真模型和对比敏感度函数设计了感知掩模，小波变换后嵌入水印，该方法在7种色调映射算子上表现出了较好的鲁棒性，不足之处在于嵌入量只有128bit。V.Solachidis,E.Maiorana,P.Campisi,F.Banterle,HDR image watermarking based on bracketing decomposition.Int.Conf.on Digital Signal Processing,Santorini,Greece,pp.1-6,2013.(Solachidis、Maiorana等人，基于曝光分解的高动态范围图像水印，数字信号处理国际会议，希腊圣托里尼，1-6,2013.)，该方法将高动态范围图像分解为一系列不同亮度范围的低动态范围图像，并分别进行小波变换嵌入水印，这种多次嵌入造成了该方法的不可见性较差。J.L.Wu,Robust watermarking framework for high dynamic range imagesagainst tone-mapping attacks.Watermarking 2,229-242,2012.(吴，对抗色调映射攻击的鲁棒性高动态范围图像水印结构，水印2，229-242，2012)，该方法首先选用一种特定的色调映射算子对高动态范围图像进行预处理，对得到的低动态范围图像在DCT域进行水印嵌入，然后重建为高动态范围图像，该方法对色调映射算子的鲁棒性较好，但需要预先确定色调映射算子，显然这并不现实。以上对抗色调映射算子的高动态范围图像水印算法从不同角度出发，利用高动态范围图像的特性，在对抗少数色调映射算子方面取得了一定的效果，然而，以上算法并未从根源上找出高动态范围图像水印和低动态范围图像水印的不同之处，特别是色调映射算子对高动态范围图像水印的影响方面，分析不够深入和准确，因而在对抗色调映射算子的数量和水印误码率方面仍有待进一步提高。