[发明专利]基于Slant变换的空域自适应彩色图像盲水印方法

权利要求书

1.一种基于Slant变换的空域自适应彩色图像盲水印方法，其特征在于通过4个过程来实现的，具体包括预处理过程、水印嵌入过程、图像矫正过程和水印提取过程：

过程1：预处理过程，其具体步骤描述如下：

Step 1：彩色载体图像的预处理：对大小为M×M×3的三维彩色载体图像H作降维处理，得到红、绿、蓝三个二维的分层载体图像H_p，并将各层中的像素划分为2×2的非重叠像素块，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 2：彩色水印图像的预处理：对大小为N×N×3的三维彩色水印图像W作降维处理，得到红、绿、蓝三个二维的分层水印图像；随之，对每层水印图像进行基于密钥K_p的仿射变换得到置乱后的分层水印图像W_p；然后，将各分层水印图像W_p中的每个十进制像素值转换为一个8位的二进制序列，并依次拼接得到二进制序列wa_p；由前至后将二进制序列wa_p的每4位编码为7位的汉明纠错码，并依次拼接得到纠错码序列wb_p；根据当前可嵌入的水印容量，自适应地选择水印编码方式：如果水印容量不小于(N×N×3×8×7)/(M×M×3×4)=14×N²/M²，那么水印序列wh_p取纠错码序列wb_p，且cmk=2；否则，水印序列wh_p取二进制序列wa_p，且cmk=1，其中，编码标志cmk表示水印的编码方式，其值为1时表示二进制码，其值为2时表示汉明码，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 3：生成选块矩阵：利用三个选块密钥间的自定义关系和蓝层的选块密钥rky₃，得到红层的选块密钥rky₁和绿层的选块密钥rky₂；然后再根据选块密钥rky_p、编码标志cmk、彩色载体图像的长度或宽度尺寸M和彩色水印图像的长度或宽度尺寸N，借助MATLAB函数randperm(.)伪随机生成选块矩阵BSM_p，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

过程2：水印嵌入过程，其具体步骤描述如下：

Step 1：选择像素块：在上述预处理过程之后，利用选块矩阵BSM_p从分层图像H_p中选择大小为2×2的像素块slantblock，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 2：计算最大能量系数：利用公式（1），不需要进行真正的Slant变换，在空域中直接求出需经Slant变换后所得系数矩阵中的最大能量系数E_max；

（1）

其中，slantblock(i, j)为像素块slantblock第i行、第j列的像素值；

Step 3：计算边界值：依次从水印序列wh_p中取一位信息w，利用公式（2）求得最优增量add的下边界值ch_low和上边界值ch_high；

（2）

其中，为量化系数，T_p为第p层的初始量化步长，mod(.)是求余函数，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 4：计算最大能量系数的最优增量：利用公式（3）求得最优增量add；

（3）

其中，ch_low和ch_high分别表示最优增量add的下边界值和上边界值，abs(.)为取绝对值函数；

Step 5：分配最优增量：利用公式（4）将最优增量add分配到各像素值中；

（4）

其中，slantblock^*(i, j)为含水印像素块slantblock^*第i行、第j列的像素值；

Step 6：重复执行本过程中的Step 1到Step 5，直到所有的信息嵌入完成为止，此时就得到了含水印的分层载体图像H_p^*，最后重组含水印的分层载体图像H_p^*，并得到含水印的彩色载体图像H^*；

Step 7：获取最优量化步长：以初始量化步长T₃为循环变量，重复执行本过程中的Step1到Step 6，当含水印载体图像的质量满足峰值信噪比PSNR值大于40dB且结构相似性SSIM值大于0.96时，即可得到蓝层的最优量化步长TT₃和质量最优的彩色含水印载体图像HL^*；其中，绿层的最优量化步长TT₂和红层的最优量化步长TT₁都是由TT₃和载体图像各层步长间的关系得到的；

Step 8：将密钥加密，隐写至载体文件中：使用函数encodekeys(.)将整数密钥M、N、TT₃、K₃、cmk和rky₃加密为一个大整数密钥key，然后将其转换为二进制序列keybits，最后借助函数addkeytofileend(.)将二进制序列keybits隐写到彩色含水印载体图像HL^*的文件结构中，得到含有密钥信息的彩色含水印载体图像HM^*；其中，整数密钥M、N、TT₃、K₃、cmk和rky₃分别表示彩色载体图像的长度或宽度尺寸，彩色水印图像的长度或宽度尺寸，蓝层的最优量化步长，蓝层的仿射变换密钥，编码标志以及蓝层的选块密钥，encodekeys(.)为自定义的整数配对函数，可将整数密钥序列加密为一个大整数密钥，addkeytofileend(.)为自定义函数，可将二进制密钥信息隐写到BMP格式的文件结构中或读取文件结构中隐藏的二进制密钥信息；

过程3：图像矫正过程，其具体步骤描述如下：

Step 1：计算几何属性：计算被攻击的含水印载体图像I^*的内部有效图像的各顶点（A(x₁, y₁), B(x₂, y₂), C(x₃, y₃), D(x₄, y₄),）、各边（l₁, l₂, l₃, l₄）、各边与水平线的夹角（）和四个内角的度数（）；

Step 2：判断攻击类型：假设已知含水印载体图像HM^*的行数为MR、列数为MC，被攻击的含水印载体图像I^*的行数为NR、列数为NC；根据内部有效图像的边角信息，可有如下14个条件：①，②，③，④，⑤，⑥，⑦，⑧，⑨，⑩，⑪，⑫，⑬，⑭；其中，Q为整数阈值，|.|表示取绝对值计算；被攻击的含水印载体图像I^*所受攻击的类型具体分为以下8种情况：

1）若图像的几何属性满足条件：①⑥⑧⑩⑫，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为旋转攻击；

2）若图像的几何属性满足条件：②④⑥⑧⑩⑫，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为缩小攻击；

3）若图像的几何属性满足条件：②④⑥⑨⑩⑫，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为放大攻击；

4）若图像的几何属性满足条件：②④⑥⑧⑪或②④⑥⑧⑬，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为平移变换攻击；

5）若图像的几何属性满足条件：③⑤⑦，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为仿射变换攻击；

6）若图像的几何属性满足条件：③④⑦，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为水平剪切攻击；

7）若图像的几何属性满足条件：②⑤⑦，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为垂直剪切攻击；

8）若图像的几何属性满足条件：②④⑥⑩⑫⑭，则含水印载体图像I^*所受攻击的类型为压缩攻击、加噪攻击、滤波攻击等不改变含水印载体图像尺寸的常规攻击；

Step 3：矫正被攻击图像：根据上述判断得出的攻击类型，矫正含水印载体图像I^*，具体分为以下8种情况；

1）矫正旋转攻击后的图像：根据本过程Step 2中各边长与水平线的夹角，计算图像逆时针旋转的角度angle，然后，调用旋转函数imrotate(.)，逆时针旋转-angle角度，最后去除黑色边缘，并将得到的内部有效图像调整到大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

2）矫正缩小攻击后的图像：根据本过程Step 2中的各边长，计算图像缩小比例，调用图像尺寸调整函数imresize(.)，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

3）矫正放大攻击后的图像：根据本过程Step 2中的各边长，计算图像放大比例，调用图像尺寸调整函数imresize(.)，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

4）矫正平移变换攻击后的图像：根据本过程Step 2中的各顶点，计算经过各顶点的内部有效图像边界的数量，并确定平移变换的类型，最后进行相应的逆平移变换，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

5）矫正仿射变换攻击后的图像：确定仿射矩阵AF=[a, b, 0; c, d, 0; 0, 0, 0]，其中，a=y₂/MC，d=x₄/MR，c=(NC-MC)×a/MC，b=((NR-MR)×d/MR)；计算仿射矩阵的逆矩阵AF^-1并调用图像变换函数imtransform(.)，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

6）矫正水平剪切攻击后的图像：水平剪切攻击是仿射变换攻击的一个特例，该攻击没有缩放因子，因此，仿射变换矩阵AF中的元素a=1，d=1；水平剪切攻击时的元素c=0，b=(NR-MR)/MR；然后，计算仿射变换矩阵AF的逆矩阵AF^-1，最后调用图像变换函数imtransform(.)，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

7）矫正垂直剪切攻击后的图像：垂直剪切攻击是仿射变换攻击的另一个特例，该攻击也没有缩放因子，因此，仿射变换矩阵AF中的元素a=1，d=1；垂直剪切攻击时的元素b=0，c=(NC-MC)/MC；然后，计算仿射变换矩阵AF的逆矩阵AF^-1，最后调用图像变换函数imtransform(.)，得到已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

8）矫正常规攻击后的图像：由于压缩攻击、加噪攻击、滤波攻击等常规攻击不改变含水印彩色载体图像的尺寸，因此，彩色含水印载体图像HL^*即为已矫正的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*；

过程4：水印提取过程，其具体步骤描述如下：

Step 1：获取密钥信息并解密：针对上述图像矫正过程获得的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*，使用函数addkeytofileend(.)从载体文件中获取密钥的二进制序列keybits，然后将二进制序列keybits转换为一个大整数密钥key；最后借助函数decodekeys(.)将大整数密钥key解密为整数密钥序列keys={M, N, TT₃, K₃, cmk, rky₃}；其中，整数密钥M、N、TT₃、K₃、cmk和rky₃分别表示彩色载体图像的长度或宽度尺寸，彩色水印图像的长度或宽度尺寸，蓝层的最优量化步长，蓝层的仿射变换密钥，编码标志以及蓝层的选块密钥，decodekeys(.)为自定义的整数配对函数，可将大整数密钥解密为整数密钥序列，addkeytofileend(.)为自定义函数，可将二进制密钥信息隐写到BMP格式的文件结构中或读取文件结构中隐藏的二进制密钥信息；

Step 2：利用三个选块密钥间的自定义关系和蓝层的选块密钥rky₃，分别得到红层、绿层的选块密钥rky₁和rky₂；然后再根据选块密钥rky_p、编码标志cmk、彩色载体图像的长度或宽度尺寸M和彩色水印图像的长度或宽度尺寸N，借助MATLAB函数randperm(.)伪随机生成选块矩阵BSM_p；利用载体图像各层间的相关关系和蓝层的最优量化步长TT₃，分别得到红层、绿层的最优量化步长TT₁和TT₂；利用三个仿射变换密钥间的自定义关系和蓝层的仿射变换密钥K₃，分别得出红层、绿层的仿射变换密钥K₁和K₂，其中，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 3：针对上述图像矫正过程获得的大小为M×M×3的三维含水印彩色载体图像IM^*，执行本方法预处理过程中的Step 1，得到分层的含水印载体图像IM_p^*和2×2的非重叠像素块，其中，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 4：选择含水印像素块：利用选块矩阵BSM_p从分层载体图像IM_p^*中选择含水印像素块slantblock^*，其中，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 5：计算最大能量系数：利用公式（5），在空域中直接求出经Slant变换后所得系数矩阵中的最大能量系数E_max^*，而不需要进行真正的Slant变换；

（5）

其中，slantblock^*(i, j)为像素块slantblock^*第i行、第j列的像素值；

Step 6：提取水印信息：利用公式（6）提取水印信息w^*；

（6）

其中，mod(.)为取余函数，TT_p为第p层的最优量化步长，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 7：重复执行本过程中的Step 4到Step 6，直到所有的水印信息均被提取为止，此时，得到了含水印序列wh_p^*，p=1, 2, 3分别表示红、绿、蓝三层；

Step 8：针对含水印序列wh_p^*、仿射变换密钥K_p、编码标志cmk、彩色载体图像的长度或宽度尺寸M和彩色水印图像的长度或宽度尺寸N，执行本方法预处理过程中Step 2的逆处理，得到最终的提取水印W^*。