[發明專利]一種對抗色調映射的高動態范圍圖像水印方法

有效

• 申請號: 201710158489.9
• 申請日: 2017-03-17
• 公開（公告）號: CN107067362B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 蔣剛毅;白永強;陳芬;王揚;王靜
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙) 33226
• 代理人: 周玨

本發明公開了一種對抗色調映射的高動態范圍圖像水印方法，其在水印嵌入過程中，人工設定嵌入水印的高動態范圍圖像相對于原始高動態范圍圖像的圖像質量值，這樣用戶可以在不可見性和嵌入容量之間進行權衡，具有較高的靈活性和實用性；其在水印提取過程中，從嵌有水印的高動態范圍圖像受常規攻擊后得到的高動態范圍圖像或受色調映射攻擊后得到的低動態范圍圖像中，都能對水印信息進行有效的提取，滿足高動態范圍圖像數字水印的魯棒性要求，因而具有極高的實用性，且能夠對抗所有色調映射攻擊，魯棒性好、水印誤碼率低；其不依賴于高動態范圍圖像的存儲格式，適用于RGBE、OpenEXR或LogLuv格式的高動態范圍圖像。

技術領域

本發明涉及一種圖像水印方法，尤其是涉及一種對抗色調映射的高動態范圍圖像水印方法。

背景技術

近年來，高動態范圍(High Dynamic Range，HDR)圖像作為數字圖像領域的重要發展和突破，已在數碼攝影、超高清電影與電視、視頻游戲、遙感探測和醫學成像等各方面日益受到關注。不同于傳統的低動態范圍(Low Dynamic Range，LDR)圖像，高動態范圍圖像采用浮點數據來記錄像素信息，能夠更加準確記錄真實場景的全部色彩范圍值，能夠表現出豐富的色彩細節和明暗層次。低動態范圍圖像能夠直接在常規顯示設備上再現，而高動態范圍圖像只能在專用顯示設備上再現，但是由于專用顯示設備的研制過程復雜、成本較高、技術還不夠成熟而普及面有限，因此為了能夠在常規顯示設備上再現高動態范圍圖像豐富的顏色和階調細節，研究人員設計了各種能將高動態范圍圖像轉化成低動態范圍圖像的色調映射算子(Tone Mapping Operator，TMO)。由于數字圖像本身具有易復制、易傳播、易篡改的特點，因此高動態范圍圖像的知識產權保護問題亟待解決。雖然低動態范圍圖像數字水印技術已經相當成熟，但由于高動態范圍圖像獨特的存儲方式和色調映射算子的存在，現有的低動態范圍圖像數字水印技術不能直接移植到高動態范圍圖像領域，因此設計一種對抗色調映射算子的魯棒性高動態范圍圖像水印算法顯得尤為重要。

近年來，高動態范圍圖像水印技術的研究日益得到重視。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、吳等人，一種無失真的高動態范圍圖像信息隱藏方案，顯示器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，一種新型無失真的高動態范圍圖像信息隱藏方案，第四屆數字之家國際會議，中國廣州，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，一種無失真的高動態范圍圖像數據嵌入方案，電子科學技術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，一種新型的無失真高動態范圍圖像數據嵌入方案，多媒體工具及應用，75(1)，145-163，2016)，這些方法利用了RGBE格式的高動態范圍圖像的存儲特點，即RGB三通道和E通道存在多種同樣的映射關系，實現了水印的無損嵌入。Y.M.Cheng,C.M.Wang,A novel approach tosteganography in high dynamic range images.IEEE Multimedia 16(3),pp.70-80,2009.(陳、王等人，一種新型的高動態范圍圖像數據隱寫方法，IEEE多媒體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、黃等人，高動態范圍圖像信息隱藏方案，國際創新計算信息與控制雜志7(5A),2021-2035,2011)，這些方法采用了最低有效位(Least Significant Bits，LSB)算法在RGBE格式和LogLuv(TIFF)格式的高動態范圍圖像上進行水印嵌入。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，一種新型的高動態范圍圖像數據隱藏算法，IEEE多媒體匯刊19(1)，196-211，2017)，該方法利用了OpenEXR格式的高動態范圍圖像中尾數對圖像的質量影響較小這一存儲特點，進行水印嵌入。上述這些方法主要依靠高動態范圍圖像的存儲格式特點，在不可見性和嵌入容量方面取得了一定的效果，但是在魯棒性，尤其是對抗色調映射算子方面無能為力；此外，上述各種方法均不能適用于所有格式的高動態范圍圖像處理，存在使用局限性。現有的對抗色調映射算子的高動態范圍圖像水印算法主要有以下幾種。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，對抗色調映射的魯棒性高動態范圍圖像水印，IEEE信息取證和安全匯刊6(2)，283-295，2011)，該方法在小波變換的低頻區域上，對低感知區域分塊并以峰度作為特征值，利用量化索引調制(Quantization IndexModulation，QIM)方法進行水印嵌入，該方法表現出了良好的色調映射算子(7種)魯棒性和不可見性，但是水印誤碼率高于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，針對色調映射的魯棒性高動態范圍圖像水印，IEICE匯刊94-A(11),2334-2341,2011)，該方法首先對高動態范圍圖像進行對數預處理，然后利用雙邊濾波器生成基本層和細節層，最后在細節層利用小波變換，對橫向、縱向的高頻區域進行水印嵌入，該方法可以有效地對抗色調映射算子(4種)攻擊，但是測試圖像數量相對較少，水印誤碼率仍然較高。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域的魯棒性多位高動態范圍圖像水印，圖像信號處理和分析國際專題會議，意大利的里雅斯特，284-289,2013)，該方法對高動態范圍圖像進行對數預處理后，進行離散小波變換和Radon-DCT變換，采用量化索引調制方法在最大能量區域嵌入水印，該方法的不可見性較好，但水印誤碼率達到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，基于雙邊濾波器掩膜的多位高動態范圍圖像水印，圖像處理：算法和系統，卷號865505,2013)，該方法利用恰可感知失真模型和對比敏感度函數設計了感知掩模，小波變換后嵌入水印，該方法在7種色調映射算子上表現出了較好的魯棒性，不足之處在于嵌入量只有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，基于曝光分解的高動態范圍圖像水印，數字信號處理國際會議，希臘圣托里尼，1-6,2013.)，該方法將高動態范圍圖像分解為一系列不同亮度范圍的低動態范圍圖像，并分別進行小波變換嵌入水印，這種多次嵌入造成了該方法的不可見性較差。J.L.Wu,Robust watermarking framework for high dynamic range imagesagainst tone-mapping attacks.Watermarking 2,229-242,2012.(吳，對抗色調映射攻擊的魯棒性高動態范圍圖像水印結構，水印2，229-242，2012)，該方法首先選用一種特定的色調映射算子對高動態范圍圖像進行預處理，對得到的低動態范圍圖像在DCT域進行水印嵌入，然后重建為高動態范圍圖像，該方法對色調映射算子的魯棒性較好，但需要預先確定色調映射算子，顯然這并不現實。以上對抗色調映射算子的高動態范圍圖像水印算法從不同角度出發，利用高動態范圍圖像的特性，在對抗少數色調映射算子方面取得了一定的效果，然而，以上算法并未從根源上找出高動態范圍圖像水印和低動態范圍圖像水印的不同之處，特別是色調映射算子對高動態范圍圖像水印的影響方面，分析不夠深入和準確，因而在對抗色調映射算子的數量和水印誤碼率方面仍有待進一步提高。