一种基于局部定位和Alattar整数变换的可逆水印的处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多媒体信号处理领域，具体是一种基于局部定位和Alattar整数变换 的可逆水印的处理方法。
【背景技术】
[0002] 数字水印技术是指在数字多媒体中嵌入一些标识或签名而不被察觉的一种技术， 数字水印技术在一些应用场合起到至关重要的作用，例如数字媒体的版权保护、认证、数据 完整性、数字指纹及数据隐藏等，但传统的数字水印技术通常对载体图形引入一些细微的、 不可逆的失真，甚至会造成宿主图像的永久性失真，但在一些实际应用中却不允许对宿主 图像有一丁点的永久修改，比如医疗、军事和司法等领域。以医学图像为例，任何形式的失 真都是不允许的。任何一幅医学图像的获取需要精密仪器的支持和昂贵的医疗费用，更为 重要的是失真可能会造成潜在的误诊。例如，对于一幅ECG(electrocardiographic)信号 图，任何一点信号曲线的异常都有可能被解释为某种病理特征。因此，传统的数字水印技术 并不适用于医学图像。当隐藏数据被提取后，原始图形需要被无失真地恢复，因此即使是非 常轻微的失真也是不允许的，在这种情况下，出现了无失真地恢复原始图像的嵌入技术，又 称可逆的，无损的或是可消除的数据嵌入技术。可逆水印的技术引起了越来越多人的研宄 与关注，可逆数字水印能以无损的方式将相关水印信息嵌入到宿主图像中，能在接收端有 效地提取水印并精确恢复原始图像。
[0003] 如何在保持载体图像视觉质量的情况下显著提高水印嵌入的数据容量，成为近 年来图像可逆水印方法研宄的主要方向之一。王祥等于2010年在IEEE信号处理快报， 17卷（6)发表了 "直方图平移的自适应大容量可逆水印方法"的文章，其中第567 - 570 页(ffang(X.Wang,X.L.Li,B.Yang,andZ.M.Guo,"Efficientgeneralizedinteger transformforreversiblewatermarking, "IEEESignalProcessingLetters,vol. 17( 6)，pp. 567 - 570, 2010)，提出一种基于有效整数变换的可逆水印技术。
[0004]yj= 2xj-a(x) (1)
[0005]y2= 2x2~2f(a(x))+Wj
[0006] = 2x2-(a(x)+LSB(a(x)))+Wj
[0007] …
[0008]yn= 2xn_2f(a(x)) +wn_i
[0009] = 2xn-(a(x)+LSB(a(x)))+wn^
[0010] 用x来表示某一包含了n个像素的图像子块，即x=(Xpx2, ???，xn)，y= (ypy2，…，yn)表示携带水印后的图像子块，元代表子块X的均值，即
，Wi(iE{0, 1，…，n_l})代表1-比特水印{目息 即WiG{〇, 1，}LSB( ?)代表最不重要位。 toon]从等式a)可以看出，王祥等人的方法可认为是一个预测过程（即用去预测 x中的每一个像素）。王祥等人以大量的实验证明将图像分成4X4大小的图像块能实现最 好的性能。然而，从王祥的论文中附图中可以看出，王祥的方法在低嵌入率时无法实现高 的高的峰值信噪比（PSNR)值。众所周知，块的大小越小，块内像素的相关性越强。也就是 说，4X4大小的图像块的块内相关性肯定比2X2大小的图像块的块内相关性弱。为什么 王祥等人的方法不选用2X2的图像块，这是因为将图像分成4X4大小的图像块有一个优 势：即它的位置图的大小只有原始图像大小的十六分子一（0.0625)。如果将块的大小设定 为2X2,尽管块内像素的相关程度高，然而其位置图的大小是原始图像大小的四分之一，SP 0. 25,位置图很大。当选择小的嵌入门限时，位置图很难压缩，所有可用容量全部被压缩的 位置图所消耗，因此，必须提高嵌入门限才能实现所需的低嵌入率。不提高嵌入门限也可实 现低的嵌入率，即将块的大小设定为4X4,但由于块内相关性较弱，因此无法实现高的峰值 信噪比（PSNR值）。
[0012] 另外，王祥等人通过计算块的方差来决定嵌多少比特进入到这个图像块中，方差 越小，嵌入的比特数就越多；方差越大，嵌入的比特数就越少。在王祥的方法中，即使某一个 像素和其均值相差很大，也必须嵌入相同的比特到这个像素中，因此，对这个像素来说，嵌 入失真比较高。
【发明内容】
[0013] 基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于局部定位 和Alattar整数变换的可逆水印的处理方法，利用Alattar的整数变换具有均值不变性的 特点对图像块进行局部定位，从而实现低嵌入率下的高视觉效果和高的峰值信噪比。
[0014] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于局部定位和Alattar整数变换的可 逆水印的处理方法，通过某一图像块的均值和环绕此图像块的所有像素的相关程度来评定 这个图像块是否位于平滑区域，包括：
[0015] 水印嵌入过程，包括以下步骤：
[0016] (1)图像块的局部定位：将一幅载体图像素分成互不重叠的图像块，每一个图 像块包含n个像素，对于任一图像块，先计算块的均值，再将计算得到的均值和图像块的 (n+1)个相邻像素组成一个像素集合，并计算该集合的方差，通过此方差的大小来判定图 像块是位于平滑区域还是纹理区域，若方差小于给定的门限vTh，则认为图像块属于平滑区 域，否则认为图像块位于纹理区域；
[0017] (2)水印嵌入：将位于平滑区域的图像块分成两类：①第一类包含了水印嵌入后 没有遭受像素溢出的图像块；②剩余的图像块归为第二类；产生一个位置图来标识这两 类，并将无损压缩后的位置图和载荷一起嵌入到载体图像中；对属于第一类的图像块，先对 其做Alatter整数变换，得到均值和（n-1)个差值，对于其中任一差值，若其小于嵌入门限 pTh，则对它用差扩展的方式进行1比特水印的嵌入，否则对其进行灰度平移；待所有属于第 一类的图像块经上述修改之后，得到含水印的图像；在嵌入的过程中，对位于纹理区域的图 像块和属于第二类的图像块不做任何修改；
[0018] 水印提取和原始图像恢复过程，为水印嵌入过程的逆过程，包括以下步骤：
[0019] (1)按照和嵌入过程相同的方式将含水印的图像分成互不重叠的图像块；
[0020] (2)抽取压缩后的位置图，并对其进行无损恢复得到原始位置图；
[0021] (3)采用和嵌入过程相反的顺序对块进行水印的抽取，即先嵌的后抽取，后嵌的先 抽取，对于某一图像块，如果其所对应的方差大于门限vTh，则保持其不变，若其方差小于门 限vTh，且位置图中所对应的位置标示的是"0"，不做任何处理，对于剩余的属于第二类的图 像块，对其进行水印的抽取和原始图像的恢复。
[0022] 对于某一图像块，用其均值来代表整个图像块，并测定环绕这个图像块的所有像 素和块的均值之间的相关程度，从而来决定这个图像块是否位于平滑区域中。在本发明中， 相关程度定义为环绕这个图像块的所有像素和块的均值之间的方差。只要图像块的均值在 嵌入前后不发生变化，方差在解码端就不会发生任何变化。在解码端，不需要任何附加信息 就能正确得到每一个图像块所对应的方差，依据不变的方差，就能区分出图像块是位于平 滑区域还是纹理区域，因此，位置图只需记载那些位于平滑区域的、而嵌入水印后发生像素 溢出的图像块，从而位置图的大小被大大降低。即使图像块的大小被设定为2X2,由于位置 图的大小被降低了，因此，也不必担心位置图压缩的问题。又由于本发明仅嵌水印信息在位 于平滑区域的图像块中，所以能实现低嵌入率下的高PSNR值。
[0023] 进一步，引入灰度平移技术到Alattar整数变换中去，Alattar(A.M.Alattar， "Reversiblewatermarkusingthedifferenceexpansionofageneralizedinteger transform，"IEEETrans.ImageProcess.，vol.13，no.8，pp.1147-1156, 2004.)提出了 一种广义差值扩展的可逆水印方法。Alatter提出的广义可逆整数小波变换可概括如下：
[0025] y2=yx+2+wi
[0026] …
[0027] yn=y片2 (Xn-x) +