基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法与流程

本发明属于数字水印技术领域，尤其涉及一种基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法。

背景技术：

近些年来，在军事、医学、遥感图像处理等领域中，学者对于原始图像进行分析和研究，通过调整人眼对于图像中不敏感区域的信息，提出了可逆水印技术。在提取水印之后，原始图像可以被准确无误的恢复。现在的可逆数字水印研究主要集中在灰度图像方面，仅仅有少数的研究成果是跟彩色图像有关的。

但是，现实生活中接触更多的是彩色图像，而传统三维预测误差直方图可逆数字水印算法并没能充分利用彩色图像颜色信道之间的冗余性来获得更优秀的算法性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法，旨在解决传统三维预测误差直方图可逆数字水印算法并没能充分利用彩色图像颜色信道之间的冗余性来获得更优秀的算法性能的问题。

本发明是这样实现的，一种基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法，所述基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法包括水印的嵌入和水印的提取；

所述水印的嵌入具体包括：

步骤一，对原始彩色图像按照颜色通道进行分离；对原彩色图像像按照RGB颜色通道分离三张灰度图像，分别记为R通道、G通道和B通道；

步骤二，载体图像预处理；

步骤三，计算每张灰度图的预测误差组，对每张灰度图采用菱形预测方案获取阴影点的预测值，跟原始像素值相减，获得阴影点的预测误差序列(eR1,eR2,...,eRN)，(eG1,eG2,...,eGN)，(eB1,eB2,...,eBN)，将三张灰度图像阴影点的预测误差组成预测误差组en＝(eRn,eGn,eBn)；

步骤四，选择用于嵌入水印的预测误差组，计算每一个预测误差组的局部复杂度LCi，找到最小的整数ρ，被替换的LSBs、压缩后的位图和水印消息，修改满足LCi≤ρ的预测误差组的映射来嵌入水印；

步骤五，第一层水印嵌入，首先在阴影点的预测误差直方图中嵌入水印信息，称为第一层水印嵌入；

步骤六，第二层水印嵌入，在空白点的预测误差直方图中嵌入水印信息，称为第二层水印嵌入，阴影层嵌入水印信息之后，阴影像素点Xi,j被修改为Xi',j。用嵌入水印之后的阴影点的像素来预测空白点的像素值，与第一层水印嵌入类似，得到三张灰度图像空白点的预测误差直方图，嵌入水印信息；

步骤七，将嵌入水印之后的三张灰度图合并，得到嵌入水印后彩色图像IW；

所述水印的提取具体包括：

步骤一，对嵌入水印后的彩色图像像按照RGB颜色通道分离三张灰度；

步骤二，读取彩色图像R通道第一行像素的LSBs，取出三个参数的值；

步骤三，提取第二层水印；

步骤四，提取第一层水印；根据恢复的空白点集的像素值，使用相同方法获取三个通道阴影点的预测误差序列，提取出嵌入负载，恢复原像素值。

步骤五，恢复原图。

进一步，所述水印嵌入的载体图像预处理具体包括：

第一步，对彩色图像三个颜色通道的像素进行水印预处理。为防止水印嵌入引起像素的溢出，调整像素值等于边界值0或255的像素点到合理范围内；

第二步，构造相对应的三个位图分别记录三个颜色通道中被修改的像素位置，被修改过的为图中标记为1，没有被修改过的标为0，无损压缩三个位图；

第三步，清空彩色图像R通道的第一行像素，为使用LSB算法嵌入三个参数：预测误差组的临界值ρ，压缩后的位图尺寸和水印消息大小，制造空间，被替换的LSBs和压缩后的位图作为负载的一部分。

进一步，所述水印嵌入的第一层水印嵌入具体包括：

第一步，在嵌入失真小于等于2的映射中嵌入水印，舍弃嵌入失真大于2的映射(0,0,0)→(1,1,1)，重建(1,1,1)的新映射；

第二步，对于符合要求的映射进行分类，分为5类，B类为预测误差组(1,1,1)的新建映射：

A类：B类：C类：

D类：E类：(N1,N2,N3){(N1+1,N2+1,N3+1)

第三步，最后将预测误差组中的每个成员和它预测值相加得到处理后的像素值。

进一步，所述水印的提取中提取第二层水印具体包括：

第一步，使用相同的扫描顺序和预测方法获取三个通道空白点的预测误差序列，组成预测误差组；

第二步，对每一个预测误差组，计算局部复杂度LCi；

第三步，处理满足LCi≤ρ的预测误差组，通过嵌入时的映射方案的逆映射恢复出原来的像素值，根据映射时不同的类型(A,B,C,D,E)恢复出负载；

第四步，提取出嵌入负载后，获取位图和被替换的LSBs，根据位图，处理标记为1的像素，恢复原值。

本发明的另一目的在于提供一种所述的基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法的彩色图像可逆数字水印系统，所述彩色图像可逆数字水印系统包括：

水印嵌入模块，用于将原始彩色图像按照颜色通道进行分离，构造相对应的三个位图，记录像素点被修改的位置，对每一张灰度图像进行菱形预测并得到阴影点的预测误差，将阴影点的预测误差分组，计算局部方差，阴影点集的水印嵌入，空白点集的水印嵌入，合成嵌入水印后的图片；

水印提取模块，用于对嵌入水印后的彩色图像像按照RGB颜色通道分离三张灰度，空白点层的水印提取，阴影点层的水印提取，将提取出水印后的三张灰度图合并，得到提取水印后的原彩色图。

所述水印嵌入模块进一步包括：

分离单元，用于将原始彩色图像按照颜色通道进行分离，将原始彩色图像按照RGB三个颜色通道的顺序分离成三张灰度图像；

调整单元，用于调整三张灰度图像等于边界值的像素点到合理范围内，构造相对应的三个位图，记录像素点被修改的位置；

预测单元，用于对每一张灰度图像进行菱形预测并得到阴影点的预测误差，对每一张灰度图像采用菱形预测方案获取阴影点的预测值，跟原始像素值相减，获得预测误差序列；

分组单元，用于将阴影点的预测误差分组，将三张灰度图像阴影点的预测误差组成预测误差组

计算单元，用于计算局部方差，将一个预测误差组看作一个嵌入单元，计算嵌入单元的局部方差LCi,j，选择局部方差小的单元嵌入水印信息；

嵌入单元，用于阴影点集的水印嵌入：

空白点层水印嵌入单元，用于空白点集的水印嵌入，阴影层嵌入完成后，用修改过的像素对空白点集的像素进行预测，采用同样的方法完成空白点层的水印嵌入；

合成单元，用于合成嵌入水印后的图片，将嵌入水印之后的三张灰度图合并，得到嵌入水印后的彩色图像IW。

所述嵌入单元进一步包括：

参数单元，用于清空第一行像素，嵌入水印提取时用到的参数；

映射建立单元，用于根据传统灰度图像三维预测误差直方图中预测误差组ei的变化，建立映射关系；

重建单元，用于舍弃掉失真消耗高的映射，重建映射；

映射分类单元，用于将满足要求的映射根据嵌入容量进行分类；

负载单元，用于在映射分类中，对预测误差组中的成员做出相应的修改来嵌入负载。

所述水印提取模块进一步包括：

分离单元，用于对嵌入水印后的彩色图像像按照RGB颜色通道分离三张灰度；

空白点层水印提取单元，用于空白点层的水印提取；

阴影点层水印提取单元，用于阴影点层的水印提取；

合并单元，用于将提取出水印后的三张灰度图合并，得到提取水印后的原彩色图。

所述空白点层水印提取单元进一步包括：

获取单元，用于使用相同的扫描顺序和预测方法获取三个通道空白点的预测误差序列，组成预测误差组；

复杂度计算单元，用于对每一个预测误差组，计算局部复杂度；

预测误差组单元，用于按照水印嵌入时选取的条件选出满足要求的预测误差组；

恢复单元，用于根据嵌入时映射方案的逆映射恢复出原来的像素值；

恢复负载单元，用于根据映射时不同的类型恢复出负载。

所述阴影点层水印提取单元进一步包括：

预测像素值单元，用于由恢复的空白点集的像素值来预测三个通道阴影点的像素值，得到阴影点层的预测误差序列；

提取阴影层单元，用于按照提取空白点水印的方法提取阴影层嵌入负载；

恢复原像素值单元，用于恢复原像素值。

本发明提供的基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法，包括水印的嵌入和水印的提取；采用在三维预测误差直方图中通过修改预测误差组的映射关系，舍弃嵌入失真大的映射，映射分为嵌入失真小于等于2的映射和嵌入失真小于等于1的映射，并重建新映射关系的方法嵌入可逆水印，一定程度上避免了图像的失真感，提高了图像的PSNR。本发明可用于秘密信息的隐藏；通过应用基于菱形预测模型的双层嵌入方案和建立不同以往的预测误差组的映射关系；实现了在相同嵌入容量的下获得更少的图像失真。本发明通过与Sachnev等人的基于排序和预测的RDH算法相比较，发现，在Airplane和Tiffany这两张图中本发明提出的方法优势最为明显。本发明提出的方法在相同嵌入容量的前提下PSNR高于Sachnev的算法，图像的视觉质量更高，而且嵌入误差小于等于1的方案优于嵌入误差小于等于2的方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的基于三维预测误差直方图的彩色图像可逆数字水印方法包括以下步骤：

S101：将原始彩色图像按照颜色通道进行分离，调整三张灰度图像等于边界值(0或255)的像素点(除了第一行像素)到合理范围内，构造相对应的三个位图，记录像素点被修改的位置，对每一张灰度图像进行菱形预测并得到阴影点的预测误差，将阴影点的预测误差分组，计算局部方差，阴影点集的水印嵌入，空白点集的水印嵌入，合成嵌入水印后的图片；

S102：对嵌入水印后的彩色图像(IW)像按照RGB颜色通道分离三张灰度，空白点层的水印提取，阴影点层的水印提取，将提取出水印后的三张灰度图合并，得到提取水印后的原彩色图。

本发明的具体步骤如下：

1.水印的嵌入过程

步骤1，对原始彩色图像按照颜色通道进行分离。

对原彩色图像(例：Lena，大小512*512)像按照RGB颜色通道分离三张灰度图像，分别记为R通道、G通道和B通道。

步骤2，载体图像预处理。

第1步，对彩色图像三个颜色通道的像素(除了第一行像素)进行水印预处理。为防止水印嵌入引起像素的溢出，调整像素值等于边界值(0或255)的像素点到合理范围内。

第2步，构造相对应的三个位图分别记录三个颜色通道中被修改的像素位置，被修改过的为图中标记为1，没有被修改过的标为0。无损压缩三个位图。

第3步，清空彩色图像R通道的第一行像素，为使用LSB算法嵌入三个参数：预测误差组的临界值ρ，压缩后的位图尺寸和水印消息大小，制造空间。被替换的LSBs和压缩后的位图作为负载的一部分。

步骤3，计算每张灰度图的预测误差组。

对每张灰度图采用菱形预测方案获取阴影点的预测值，跟原始像素值相减，获得阴影点的预测误差序列(eR1,eR2,...,eRN)，(eG1,eG2,...,eGN)，(eB1,eB2,...,eBN)。将三张灰度图像阴影点的预测误差组成预测误差组en＝(eRn,eGn,eBn)。

步骤4，选择用于嵌入水印的预测误差组。

计算每一个预测误差组的局部复杂度LCi。找到最小的整数ρ，保证有足够的预测误差组能够嵌入负载：被替换的LSBs、压缩后的位图和水印消息。之后，修改满足LCi≤ρ的预测误差组的映射来嵌入水印。

步骤5，第一层水印嵌入。

首先在阴影点的预测误差直方图中嵌入水印信息，称为第一层水印嵌入。

第1步，我们在嵌入失真小于等于2的映射中嵌入水印。这种情况下舍弃嵌入失真大于2的映射(0,0,0)→(1,1,1)，重建(1,1,1)的新映射。

第2步，对于符合要求的映射进行分类，可以分为5类，B类为预测误差组(1,1,1)的新建映射：

A类：B类：C类：

D类：E类：(N1,N2,N3){(N1+1,N2+1,N3+1)

第3步，最后将预测误差组中的每个成员和它预测值相加得到处理后的像素值。到此，阴影层像素点的嵌入完成。

步骤6，第二层水印嵌入。

在空白点的预测误差直方图中嵌入水印信息，称为第二层水印嵌入。

阴影层嵌入水印信息之后，阴影像素点Xi,j被修改为X′i,j。用嵌入水印之后的阴影点的像素来预测空白点的像素值。与第一层水印嵌入类似，得到三张灰度图像空白点的预测误差直方图，嵌入水印信息。到此，彩色图像空白层像素点的嵌入完成。

步骤7，将嵌入水印之后的三张灰度图合并，得到嵌入水印后彩色图像IW。

2.水印的提取过程

步骤1，对嵌入水印后的彩色图像(IW)像按照RGB颜色通道分离三张灰度。

步骤2，读取彩色图像R通道第一行像素的LSBs，取出三个参数的值。

步骤3，提取第二层水印(空白层水印)。

第一步，使用相同的扫描顺序和预测方法获取三个通道空白点的预测误差序列，组成预测误差组。

第二步，对每一个预测误差组，计算局部复杂度LCi。

第三步，处理满足LCi≤ρ的预测误差组，通过嵌入时的映射方案的逆映射恢复出原来的像素值。根据映射时不同的类型(A,B,C,D,E)恢复出负载。

第四步，提取出嵌入负载后，可以获取位图和被替换的LSBs。根据位图，处理标记为1的像素，恢复原值。

步骤4，提取第一层水印(阴影层水印)。

根据恢复的空白点集的像素值，使用相同方法获取三个通道阴影点的预测误差序列，提取出嵌入负载，恢复原像素值。

步骤5，恢复原图。

将提取出水印后的三张灰度图合并，得到提取水印后的原彩色图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。