[發明專利]基于矩陣奇異值分解的四元數彩色數字圖像盲水印方法

有效

• 申請號: 202110059404.8
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112488904B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 蘇慶堂;孫葉函;張雪婷;王環英
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于矩陣奇異值分解的四元數彩色數字圖像盲水印方法，其特征在于通過具體的水印嵌入過程和提取過程來實現的，其水印嵌入過程描述如下：

第一步：彩色圖像數字水印的預處理：首先，將一幅大小為N×N的彩色圖像數字水印W依照紅、綠、藍三基色的順序分成3個分層水印圖像W_i；然后，將每個分層水印圖像進行基于密鑰Ka_i的Arnold置亂變換以提高水印的安全性；最后，將置亂后的分層水印圖像中的每個十進制數表示的像素用8位二進制數表示，并依次連接形成長度為8N²的分層水印位序列SW_i，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層；

第二步：獲取宿主圖像的嵌入塊：將一幅大小為M×M的原始彩色宿主圖像H分成大小為m×m的圖像塊，每一個圖像塊縱向包含紅、綠、藍三層；根據分層水印信息長度8N²，利用Matlab系統內置函數randperm生成的偽隨機序列在宿主圖像H中選擇合適位置的圖像塊，以提高水印抗剪切攻擊的魯棒性，其中3×8N²=(M×M)/(m×m)；

第三步：選取一個圖像塊A，進行是否調整極端像素值的判斷，如果圖像塊A藍色通道的(1,?1)位置上的像素值為0，那么將其像素值改為1；然后，將彩色宿主圖像H依照紅、綠、藍三基色的順序分成3個分層宿主圖像H_i，圖像塊A的每個像素值都通過H_i用四元數表示出來，得到四元數像素塊qA，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層；

第四步：根據公式（1），對四元數像素塊qA進行奇異值分解(Singular?ValueDecomposition,?SVD)，得到左奇異矩陣U、右奇異矩陣V和對角矩陣S，其中S僅在主對角線上有奇異值；

[U,S,V]=svd(qA)?(1)

第五步：從分層水印序列SW_i中按先后順序取出一個嵌入水印信息w，依據該嵌入水印信息及公式（2）求得量化值sq；

?(2)

其中，mval=mod(sm,T)，sm是對角矩陣S中的最大值，T為量化步長，mod(.)為求余函數，T1=0.25×T，T2=0.75×T，judge1(mval)是當mval=T/2+T/8或mval=T-T/8時返回true，否則返回false；judge0(mval)是當mval=T/8或mval=T/2-T/8時返回true，否則返回false；

第六步：用量化值sq替換sm，得到S^*；再利用公式（3）進行逆奇異值分解，得到含水印的四元數像素塊qA^*；

qA^*=U×S^*×V^T?(3)

第七步：將含水印的四元數像素塊qA^*轉換為含水印的像素塊A^*，然后進行溢出判斷：如果sq≠sm，就按照公式（4）進行溢出判斷得到sq^*，并用其替換sm^*；之后再利用公式（3）進行逆奇異值分解，得到最終的含水印的四元數像素塊qA^*，再進一步轉換為最終的含水印的像素塊A^*；

?(4)

其中，sm^*是對角矩陣S^*中的最大值，T為量化步長，是含水印的像素塊A^*在第p行第q列的像素值，1≤p,q≤m，m是圖像塊的尺寸大小；

第八步：重復執行上述第三步到第七步，直到所有的水印信息都被嵌入完成為止；最后，獲得含水印圖像H^*；

其水印提取過程描述如下：

第一步：將含水印圖像H^*分成m×m的非重疊圖像塊，每一個圖像塊縱向包含紅、綠、藍三層；

第二步：利用上述水印嵌入過程中所提到的Matlab系統內置函數randperm生成的偽隨機序列選擇圖像塊；

第三步：選取一個圖像塊A^*，將含水印圖像H^*依照紅、綠、藍三基色的順序分成3個分層含水印圖像H_i^*，圖像塊A^*的每個像素值都通過H_i^*用四元數表示出來，得到含水印的四元數像素塊為qA^*，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層；

第四步：根據公式（5），對含水印的四元數像素塊qA^*進行奇異值分解，得到對角矩陣S^*；

S^*=svd(qA^*)?(5)

第五步：利用公式（6），提取含水印的四元數像素塊qA^*中所含有的水印w^*；

?(6)

其中，sm是對角矩陣S^*中的最大值，mod(.)是求余函數，T為量化步長；

第六步：重復執行第三步到第五步，提取每層二進制水印序列SW_i^*，然后每8位二進制信息為一組轉換成十進制的像素值，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層；

第七步：對轉化后的每層十進制像素執行基于密鑰Ka_i的逆Arnold變換并獲得分層水印W_i^*，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層；

第八步：組合獲得的分層水印W_i^*形成最終的提取水印W^*，其中i=1,?2,?3,?分別表示紅、綠、藍三層。