数字图像中水印的加入及提取方法与流程

本发明涉及数字图形处理技术领域，具体而言，涉及一种数字图像中水印的加入及提取方法。

背景技术：

数字水印技术作为信息隐藏技术领域的重要分支，是一种新型的信息安全保护技术。其基本思想是将含有作者电子签名、日期、商标、使用权限等的数字信息作为水印信号，嵌入到数字作品的目标载体图像中，但不会影响目标载体图像本身的识读。并且在需要时，能够通过一定的技术检测手段抽取出水印，以此作为判断数字作品的版权归属和跟踪起诉非法侵权的证据。

现阶段基于二维码的变换域数字水印技术已有很多，但对彩色二维码和水印算法结合的研究较少，目前，基于二维码的变换域数字水印方法基本上都是使用原始水印信息，而上述原始水印信息均为无意义二值水印图像，其受几何攻击后，对水印信息提取完整度影响较大，影响了水印算法的鲁棒性；含水印的数字图像经过数字印刷或打印以及经过扫描仪扫描后，得到的含水印的数字图像由于受到了打印扫描攻击，从中恢复的水印信息会变得不清晰，只能依靠主观判断来衡量水印是否存在。

发明人在研究中发现，现有技术提供的基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差，针对该问题，目前尚未提出有效的解决方式。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种数字图像中水印的加入及提取方法，能够在保证嵌入水印信息的彩色编码载体图像可正确识读的情况下，准确提取出水印信息，增强水印算法的鲁棒性和安全性。

第一方面，本发明实施例提供了一种数字图像中水印的加入方法，包括：

获取目标载体图像和待加入的水印图像；

对所述目标载体图像进行编码处理，得到第一彩色编码载体图像；

将所述第一彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

对所述水印图像进行奇异值分解处理，得到第一对角矩阵以及U矩阵和V矩阵；

将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号；

将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号；

根据所述重构高频信号和所述重构低频信号，得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述将所述第一彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号，包括：

对所述第一彩色编码载体图像进行印刷色彩模式CMYK通道分离处理，提取处理结果中的青通道信息；

对所述青通道信息进行小波变换处理，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号，包括：

将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中；

对嵌入所述第一对角矩阵的第一高频频带信号进行反奇异值变换处理；

对反奇异值变换处理得到的结果进行小波反变换，得到重构高频信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号，包括：

根据所述待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵，生成第一嵌入信号；

将所述第一嵌入信号嵌入第一量化编码处理获得的第一低频频带信号中，得到重构低频信号。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述根据所述待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵，生成第一嵌入信号，包括：

计算待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和；其中，设定所述数字之和的均值作为设定的中间阈值；

分别对所述U矩阵和所述V矩阵进行二值化处理，得到对应于所述U矩阵和所述V矩阵的二值U矩阵和二值V矩阵；

计算所述二值U矩阵和所述二值V矩阵的异或值，得到第一综合矩阵；

将所述第一综合矩阵和所述第一综合矩阵匹配的随机矩阵进行异或处理，得到异或值；其中，所述异或值为所述第一嵌入信号。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述将所述第一嵌入信号嵌入第一量化编码处理获得的第一低频频带信号中，得到重构低频信号，包括：

将第一量化编码处理得到的第一低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第二量化编码处理；

将第二量化编码处理获得的第二高频频带信号和第二低频频带信号进行合并处理，得到统一矩阵；

将所述统一矩阵中的正整数部分转化为二值编码矩阵；

将所述第一嵌入信号嵌入到所述二值编码矩阵中，得到含水印信号的编码矩阵；

根据所述含水印信号的编码矩阵以及所述统一矩阵中的小数部分矩阵，得到重构低频信号。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的加入方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其首先将目标载体图像转换为第一彩色编码载体图像并进行频域转换，然后将待加入的水印图像进行奇异值分解，将得到第一对角矩阵嵌入频域转换得到的第一高频频带信号中；将得到第一对角矩阵嵌入频域转换得到的U、V矩阵嵌入到第一低频频带信号中，最终根据得到的重构高频信号和重构低频信号得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像；通过上述方法，使得含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

第二方面，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取方法，包括：

获取应用目标中含有水印图像的第三彩色编码载体图像；

将所述含有水印图像的第三彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第三量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件；

若所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件，从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件，包括：

提取所述第三量化编码处理得到的第三低频频带信号中的重构信号；

对标准水印图像进行奇异值分解，得到U矩阵和V矩阵；

根据标准水印图像奇异值分解得到的所述U矩阵和V矩阵，生成第二嵌入信号；

若所述重构信号的系数与所述第二嵌入信号的系数大于设定中间阈值，判定所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件；其中，标准水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和的均值作为设定的中间阈值。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述提取所述第三量化编码处理得到的第三低频频带信号中的重构信号，包括：

将第三量化编码处理获得的第三低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第四量化编码处理；

将第四量化编码处理后的第四高频频带信号和第四低频频带信号进行合并处理，得到第二统一矩阵；

对所述第二统一矩阵中整数数值进行二进制转换处理，得到重构信号。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像，包括：

对第三量化编码处理得到的第三高频频带信号进行奇异值分解，得到第三对角矩阵；

提取所述第三对角矩阵中的水印信号，并对提取的所述水印信号进行反奇异值变换处理，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的提取方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其首先获取应用目标中含有水印图像的第三彩色编码载体图像，然后将含有水印图像的第三彩色编码载体图像进行频域转换，并根据得到的各个频带的频带信号，检测第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件，若是，则在第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号；通过上述方法，使得含水印的第三彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第三彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

第三方面，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取装置，包括：

第一获取模块，用于获取目标载体图像和待加入的水印图像；

第一编码处理模块，用于对所述目标载体图像进行编码处理，得到第一彩色编码载体图像；

第一量化编码处理模块，用于将所述第一彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

第一奇异值分解处理模块，用于对所述水印图像进行奇异值分解处理，得到第一对角矩阵以及U矩阵和V矩阵；

第一嵌入模块，用于将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号；

第二嵌入模块，用于将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号；

重构处理模块，用于根据所述重构高频信号和所述重构低频信号，得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的加入装置，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，能够使含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

第四方面，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取装置，包括：

第二获取模块，用于获取应用目标中含有水印图像的第三彩色编码载体图像；

第二量化编码处理模块，用于将所述含有水印图像的第三彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第三量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

检测模块，用于根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件；

提取模块，用于在检测到所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件时，从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的提取装置，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，能够使含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的加入方法的流程图；

图2示出了将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号的流程图；

图3示出了将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号的流程图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的提取方法的流程图；

图5示出了根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件的流程图；

图6示出了从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像的流程图；

图7示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的加入方法的整体流程示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的提取方法的整体流程示意图；

图9左图示出了原始彩色QR码载体图像，图9右图示出了待加入的水印图像。

图10左图示出了通过本发明实施例提供的数字图像中水印的加入方法得到的含水印的彩色QR码图；图10右图示出了通过本发明实施例提供的数字图像中水印的提取方法得到的QR码水印图像；

图11左图示出了通过本发明实施例的数字图像中水印的加入方法得到的图像进过打印扫描后的含水印QR码图像；图11右图示出通过本发明实施例提供的数字图像中水印的提取方法进行二值化后得到的二值水印图像；

图12示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的加入装置的结构示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的一种数字图像中水印的提取装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现阶段基于二维码的变换域数字水印方法均是使用的原始水印信息均为无意义二值水印图像，受几何攻击后，对水印信息提取完整度影响较大，影响了水印算法的鲁棒性。具体表现为：含水印的图像经数字印刷或打印以及扫描仪扫描后，得到的数字图像由于受到了打印扫描攻击，从中恢复的水印信息会变得不清晰，只能依靠主观判断来衡量水印是否存在。基于此，本发明实施例提供了一种数字图像中水印的加入方法及装置以及一种数字图像中水印的提取方法及装置，下面通过实施例进行描述。

本发明实施例提供了一种数字图像中水印的加入方法，参考图1，所述方法包括：

S101、获取目标载体图像和待加入的水印图像。

本发明实施例的数字水印防伪方法可以应用于印刷包装上，下面均以该方法应用于印刷包装为例进行说明。

对应的，上述目标载体图像可以为待保护的印刷包装的目标载体图像(或者为载体信息)；要想对该印刷包装进行保护，首先扫描印刷包装，以获取其目标载体的彩色图像；同时，获取待加入上述目标载体图像中的水印图像。

S102、对所述目标载体图像进行编码处理，得到第一彩色编码载体图像。

本步骤中，按照QR编码规则对上述目标载体图像进行编码处理，即将上述目标载体图像转化成彩色QR码载体图像(此处，彩色QR码载体图像也可以称为原始彩色QR码图像)。其中，原始彩色QR码图像I大小为M×M矩阵，I∈R^M×M，待加入的水印图像J是大小为N×N的矩阵，J∈R^N×N。

S103、将所述第一彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号。

本步骤中，进行频域转换的方法是：对彩色QR码载体图像进行印刷四色模式是CMYK通道分离处理，并提取处理结果中的青通道信息C，该青通道的信息C的大小为M×M矩阵，然后对获得的青通道信息C进行基于‘haar’的一级小波变换(其中，‘haar’是小波变换的一种具体方法)，并对得到的各个频带系数进行量化编码，得到各个频带的频带信号；各个频带的频带信号至少包括：高频频带信号、中频频带信号、低频频带信号等。

S104、对所述水印图像进行奇异值分解处理，得到第一对角矩阵以及U矩阵和V矩阵。

S105、将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号。

具体的，将第一对角矩阵嵌入到第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，在对嵌入第一对角矩阵的第一高频频带信号进行反奇异值变换处理，然后在对反奇异值变换处理得到的结果进行小波反变换处理，即可得到重构高频信号。

S106、将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号。

本步骤中的嵌入过程，首先需要根据U矩阵和V矩阵生成嵌入信号，然后将该嵌入信号嵌入到上述第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号。

S107、根据所述重构高频信号和所述重构低频信号，得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像。

本步骤中，将步骤105得到的重构高频信号和步骤106得到的重构低频信号进行重构处理，并对重构处理得到的信号进行离散小波反变换处理，得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的加入方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其使得含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

本发明实施例中，参考图2，上述步骤105中，将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号的具体方法包括：

S201、将所述第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中。

S202、对嵌入所述第一对角矩阵的第一高频频带信号进行反奇异值变换处理。

S203、对反奇异值变换处理得到的结果进行小波反变换，得到重构高频信号。

本发明实施例中，参考图3，上述步骤106中，将所述U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号，具体包括：

S301、根据所述待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵，生成第一嵌入信号。

具体的，上述第一嵌入信号的生成方法包括如下步骤：

1、计算待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和；其中，设定所述数字之和的均值(即给定数值的中值)作为设定的中间阈值。

本步骤中使用sum函数分别返回U矩阵和V矩阵每一单元格区域中数字之和，使用median函数返回给定数值的中值，作为设定的阈值。

2、分别对U矩阵和V矩阵进行二值化处理，得到对应于U矩阵和V矩阵的二值U矩阵和二值V矩阵；具体的，上述二值化处理的过程包括，将U矩阵中大于中间阈值的设定为1，小于所述中间阈值的设定为0，得到对应的二值U矩阵；将V矩阵中大于中间阈值的设定为1，小于所述中间阈值的设定为0，得到二值V矩阵。

3、计算二值U矩阵和二值V矩阵的异或值，得到第一综合矩阵。具体的计算步骤包括：用bitxor函数返回二值U矩阵和二值V矩阵的异或值，产生矩阵UV_XOR，矩阵UV_XOR即为第一综合矩阵。

4、将第一综合矩阵和第一综合矩阵匹配的0，1随机矩阵进行异或处理，得到异或值；其中，上述异或值即为第一嵌入信号。具体的，用randi函数产生和UV_XOR矩阵(即上述第一综合矩阵)大小一样的0，1随机矩阵binary_seq；将binary_seq矩阵(即上述)和UV_XOR矩阵的异或值定义为产生的信号。

S302、将所述第一嵌入信号嵌入第一量化编码处理获得的第一低频频带信号中，得到重构低频信号。

本步骤中，向第一低频频带信号中嵌入第一嵌入信号的方式包括：

1、将第一量化编码处理得到的第一低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第二量化编码处理。具体的，将第一量化编码处理得到的低频区域信号进行四级‘haar’小波分解，并对四级频带的信号进行第二量化编码处理。

2、将第二量化编码处理获得的第二高频频带信号和第二低频频带信号进行合并处理，得到统一矩阵。具体的，将步骤1中第二量化编码处理获得的四级小波低频信号和高频信号合并为统一矩阵combined，

3、记录统一矩阵combined中负值的位置，整数值的大小和小数值的大小；然后根据负值的位置，将相应位置的值变换为负值，根据负值计算的结果会使得实际结果有偏差，故需要剔除对应的负值位置；为了保证计算结果的准确性，本发明实施例中优选通过正整数值参与计算。

4、将所述统一矩阵中的正整数部分转化为二值编码矩阵，将所述第一嵌入信号嵌入到所述二值编码矩阵中，得到含水印信号的编码矩阵。具体的，将3中的正整数部分转化为16位的二值编码矩阵binary_coefficients，并将步骤第一嵌入信号嵌入矩阵binary_coefficients中，得到含水印信号的编码矩阵，再将得到的编码矩阵转化为十进制矩阵bin2decimal，目的是，将得到的编码矩阵转为常用矩阵，便于后面含有水印信号的重构。

5、根据所述含水印信号的编码矩阵以及所述统一矩阵中的小数部分矩阵，得到重构低频信号。具体的，将得到的十进制矩阵bin2decimal和小数部分矩阵合并，以得到完整的低频信号。

6、重构四级小波的系数，并进行四级小波反变换得到第一嵌入信号后的低频系数，得到重构低频信号。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的加入方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，使得含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

参考图4，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取方法，所述方法包括：

S401、获取应用目标中含有水印图像的第三彩色编码载体图像。

具体的，上述应用目标可以为印刷包装，该印刷包装中包括彩色QR码载体图像(即彩色QR二维码)。以印刷包装为例，首先将印刷输出的含水印图像的彩色QR二维码进行扫描，得到数字形式的含水印图像(即得到含有水印图像的第三彩色编码载体图像)，然后对第三彩色编码载体图像进行边缘检测等后处理操作，并调整其尺寸。

S402、将所述含有水印图像的第三彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第三量化编码处理，得到各个频带的频带信号。

本步骤中，进行频域转换的方法是，对彩色QR码载体图像进行印刷四色模式是CMYK通道分离处理，提取含水印通道的信息C’，然后对获得的获得的通道信息C’图像进行一级‘haar’小波变换，并对得到的各个频带系数进行量化编码，得到各个频带的频带信号；各个频带的频带信号至少包括：高频频带信号、中频频带信号、低频频带信号等。

S403、根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件。

上述检测方法包括：首先获取标准水印图像，然后对标准水印图像进行奇异值分解，得到U矩阵和V矩阵，然后根据标准水印图像奇异值分解得到的所述U矩阵和V矩阵，生成第二嵌入信号，根据该第二嵌入信号和第三量化编码处理得到的第三低频频带信号，检测第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件。

S404、若所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件，从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

本步骤中，在检测到第三彩色编码载体图像满足水印提取条件时，从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，以保证水印信号的准确性和完整性。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的提取方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其使得含水印的第三彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第三彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

进一步的，参考图5，本发明实施例提供的数字图像中水印的提取方法中，上述步骤403中，根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件，包括：

S501、提取所述第三量化编码处理得到的第三低频频带信号中的重构信号。

本步骤中，提取所述第三量化编码处理得到的第三低频频带信号中的重构信号的方法具体包括：

1、将第三量化编码处理获得的第三低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第四量化编码处理。具体的，将第三量化编码处理获得的低频信号进行四级小波变换。

2、将第四量化编码处理后的第四高频频带信号和第四低频频带信号进行合并处理，得到第二统一矩阵。具体的，将1中四级小波变换后的低频和高频信息合并为com矩阵。

3、对所述第二统一矩阵中整数数值进行二进制转换处理，得到重构信号。具体的，确定com矩阵中负值位置，剔除负值信号，并提取矩阵中的整数值和小数部分，并由整数部分的前16位进行二进制转换提取水印信号。

S502、对标准水印图像进行奇异值分解，得到U矩阵和V矩阵。

S503、根据标准水印图像奇异值分解得到的所述U矩阵和V矩阵，生成第二嵌入信号。

本步骤中，第二嵌入信号的生成方法与第一嵌入信号相同，具体包括如下步骤：

1、计算待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和；其中，设定所述数字之和的均值(即给定数值的中值)作为设定的中间阈值。

本步骤中使用sum函数分别返回U矩阵和V矩阵每一单元格区域中数字之和，使用median函数返回给定数值的中值，作为设定的阈值。

2、分别对U矩阵和V矩阵进行二值化处理，得到对应于U矩阵和V矩阵的二值U矩阵和二值V矩阵；具体的，上述二值化处理的过程包括，将U矩阵中大于中间阈值的设定为1，小于所述中间阈值的设定为0，得到对应的二值U矩阵；将V矩阵中大于中间阈值的设定为1，小于所述中间阈值的设定为0，得到二值V矩阵。

3、计算二值U矩阵和二值V矩阵的异或值，得到第二综合矩阵。具体的计算步骤包括：用bitxor函数返回二值U矩阵和二值V矩阵的异或值，产生矩阵UV_XOR，矩阵UV_XOR即为第二综合矩阵。

4、将第二综合矩阵和第二综合矩阵匹配的0，1随机矩阵进行异或处理，得到异或值；其中，上述异或值即为第二嵌入信号。具体的，用randi函数产生和UV_XOR矩阵(即上述第一综合矩阵)大小一样的0，1随机矩阵binary_seq；将binary_seq矩阵(即上述)和UV_XOR矩阵的异或值定义为产生的信号。

S504、若所述重构信号的系数与所述第二嵌入信号的系数大于设定中间阈值，判定所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件；其中，标准水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和的均值作为设定的中间阈值。

具体的，提取对步骤501中的重构信号和步骤503中产生的第二嵌入信号进行系数比较，如果比较结果大于设定的中间阈值，则进行水印的提取；否则，不进行水印提取。

参考图6，本发明实施例提供的数字图像中水印的提取方法中，所述从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像，包括：

S601、对第三量化编码处理得到的第三高频频带信号进行奇异值分解，得到第三对角矩阵。

S602、提取所述第三对角矩阵中的水印信号，并对提取的所述水印信号进行反奇异值变换处理，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的提取方法，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其使得含水印的第三彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第三彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

本发明实施例提供的数字图像中水印的加入及提取方法，结合了彩色二维码生成技术、图像加密技术、小波变换技术、奇异值分解技术。在嵌入水印时，首先对彩色QR码载体图像进行基于CMYK颜色空间的通道分离，然后对青通道小波变换后的高频频带和水印图像分别进行奇异值分解，并将水印信号的对角矩阵嵌入高频信号的对角矩阵中，最后根据水印信息奇异值分解后的U矩阵和V矩阵产生嵌入信号，并嵌入低频区域四级小波变换后的区域中。通过奇异值的逆变换和小波重构获得含有水印的彩色QR码图像。在进行水印提取时，根据图像低频区域提出信号与原始信号的相似度阈值，在高频区域提取水印。上述方法可作为一种应用于印刷包装的基于彩色二维码的版权保护新方法。

如图7所示嵌入水印流程图，将水印信息嵌入彩色QR载体图像包括以下步骤：

步骤1：将载体信息按照QR编码规则，转化成彩色QR码载体图像。其中原始彩色QR码图像I大小为512×512，水印图像大小为512×512的矩阵；

步骤2：对彩色QR码图像进行CMYK通道分离，并提取青通道的信息C，大小为512×512矩阵；

步骤3：对步骤2获得的青通道信息C进行基于'haar'的一级小波变换，并对各个频带的系数进行量化编码；

步骤4：对步骤3获得的高频频带信号进行奇异值分解，同时对水印信号进行奇异值分解，并将水印信号奇异值分解后的对角矩阵嵌入高频信号的对角矩阵中；

步骤5：根据步骤4获得的水印信号奇异值分解后的U矩阵和V矩阵产生嵌入信号；

信号的产生过程为：

1、使用sum函数返回U矩阵和V矩阵每一单元格区域中数字之和；

2、使用median函数返回给定数值的中值作为设定的阈值；

3、将U矩阵和V矩阵变换为二值矩阵。矩阵中大于中间阈值的设定为1，小于中间阈值的设定为0；

4、用bitxor函数返回二值化后U矩阵和V矩阵的异或值，产生矩阵UV_XOR；

5、用randi函数产生和UV_XOR矩阵大小一样的0，1随机矩阵binary_seq；

6、binary_seq矩阵和UV_XOR矩阵的异或值定义为产生的信号。

步骤6：将步骤5产生的信号嵌入步骤3)获得的载体图像小波变换后的低频区域中；

信号嵌入过程为：

1、低频区域信号进行四级‘haar’小波分解，并对四级频带的信号进行量化编码；

2、将步骤1获得的四级小波低频信号和高频信号合并为统一的矩阵combined；

3、记录矩阵combined中负值的位置，整数值和小数值的大小；

4、将正整数部分转化为16位的二值编码矩阵binary_coefficients。并将步骤5)产生的信号嵌入矩阵binary_coefficients中，再将矩阵转化为十进制矩阵bin2decimal；

5、bin2decimal矩阵和小数部分矩阵合并。根据负值的位置，将相应位置的值变换为负值；

6、重构四级小波的系数，并进行四级反小波变换得到嵌入信号后的低频系数。

步骤7：将步骤4获得的高频信号和步骤6获得的低频信号重构，并进行离散小波反变换得到含水印的彩色QR码图像。

如图8所示水印提取流程图，从打印后的含水印彩色QR码载体图中实现水印提取包括以下步骤：

步骤1：将所述印刷输出的含水印彩色QR二维码进行扫描，得到数字形式的含水印图像，对图像进行边缘检测等后处理操作，并调整其尺寸为512×512大小；

步骤2：对步骤1得到的彩色QR码图像进行通道分离，提取含水印通道的信息C’；

步骤3：对步骤2获得的通道信息C’图像进行一级‘haar’小波变换，并对各个频带信号进行量化编码；

步骤4：对水印信号进行奇异值分解，并由分解后的U矩阵和V矩阵产生信号。信号的产生过程和嵌入水印时相同。根据步骤3获得的低频信息，提取信号。

信号提取过程为：

1、将步骤3获得的低频信号进行四级小波变换，并将四级小波变换后的低频和高频信息合并为com矩阵；

2、确定com矩阵中负值位置，并提取矩阵中的整数值和小数部分，并由整数部分的前16位进行二进制转换提取水印信号；

3、对提取水印过程中步骤2的重构信号和步骤4中产生的信号进行系数比较，如果系数大于阈值则进行水印的提取，否则，不进行水印提取。

步骤5：如果进行水印提取，则对步骤C获得的高频信号进行奇异值分解，在对角矩阵中提取水印信号，并对提取信号进行反奇异值变换得到提取的水印图像。

如图9左图示出了原始彩色QR码载体图像，原始图像是一个标准的512×512像素的彩色QR码图。图9右图为待嵌入的水印图像。如图10左图所示为经过嵌入水印步骤得到的含水印彩色QR码图。如图10右图所示为通过提取水印步骤2、3、4、5得到的QR码水印图像。如图11左图所示为打印扫描后的含水印QR码图像。如图11右图所示为经过提取水印步骤2、3、4、5并二值化后得到的二值水印图像。

参考图12，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取装置，装置用于执行上述数字图像中水印的提取方法，所述装置包括：

第一获取模块10，用于获取目标载体图像和待加入的水印图像；

第一编码处理模块11，用于对目标载体图像进行编码处理，得到第一彩色编码载体图像；

第一量化编码处理模块12，用于将第一彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

第一奇异值分解处理模块13，用于对水印图像进行奇异值分解处理，得到第一对角矩阵以及U矩阵和V矩阵；

第一嵌入模块14，用于将第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中，得到重构高频信号；

第二嵌入模块15，用于将U矩阵和V矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一低频频带信号中，得到重构低频信号；

重构处理模块16，用于根据重构高频信号和重构低频信号，得到含有水印图像的第二彩色编码载体图像。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，第一量化编码处理模块12，包括：

第一提取单元，用于对第一彩色编码载体图像进行印刷色彩模式CMYK通道分离处理，提取处理结果中的青通道信息；

小波变换处理单元，用于对青通道信息进行小波变换处理，并对得到的各个频带系数进行第一量化编码处理，得到各个频带的频带信号。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，第一嵌入模块14，包括：

第一嵌入单元，用于将第一对角矩阵嵌入第一量化编码处理得到的第一高频频带信号中；

反奇异值变换处理单元，用于对嵌入第一对角矩阵的第一高频频带信号进行反奇异值变换处理；

小波反变换处理单元，用于对反奇异值变换处理得到的结果进行小波反变换，得到重构高频信号。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，第二嵌入模块15，包括：

第一嵌入信号生成单元，用于根据待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵，生成第一嵌入信号；

第二嵌入单元，用于将第一嵌入信号嵌入第一量化编码处理获得的第一低频频带信号中，得到重构低频信号。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，重构处理模块16，包括：

第一计算单元，用于计算待加入的水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和；其中，设定数字之和的均值作为设定的中间阈值；

二值化处理单元，用于分别对U矩阵和V矩阵进行二值化处理，得到对应于U矩阵和V矩阵的二值U矩阵和二值V矩阵；

第二计算单元，用于计算二值U矩阵和二值V矩阵的异或值，得到第一综合矩阵；

异或处理单元，用于将第一综合矩阵和第一综合矩阵匹配的0，1随机矩阵进行异或处理，得到异或值；其中，异或值为第一嵌入信号。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，第二嵌入单元，包括：

第一小波变换处理子单元，用于将第一量化编码处理得到的第一低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第二量化编码处理；

合并处理子单元，用于将第二量化编码处理获得的第二高频频带信号和第二低频频带信号进行合并处理，得到统一矩阵；

转化子单元，用于将统一矩阵中的正整数部分转化为二值编码矩阵；

嵌入子单元，用于将第一嵌入信号嵌入到二值编码矩阵中，得到含水印信号的编码矩阵；

重构子单元，用于根据含水印信号的编码矩阵以及统一矩阵中的小数部分矩阵，得到重构低频信号。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的加入装置，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，能够使含水印的第二彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第二彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

参考图13，本发明实施例还提供了一种数字图像中水印的提取装置，所述装置用于执行上述数字图像中水印的提取方法，所述装置包括：

第二获取模块17，用于获取应用目标中含有水印图像的第三彩色编码载体图像；

第二量化编码处理模块18，用于将所述含有水印图像的第三彩色编码载体图像进行频域转换，并对得到的各个频带系数进行第三量化编码处理，得到各个频带的频带信号；

检测模块19，用于根据第三量化编码处理得到的各个频带的频带信号，检测所述第三彩色编码载体图像是否满足水印提取条件；

提取模块20，用于在检测到所述第三彩色编码载体图像满足水印提取条件时，从第三量化编码处理得到的第三高频频带信号中提取水印信号，得到所述第三彩色编码载体图像中的水印图像。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，检测模块19，包括：

第二提取单元，用于提取第三量化编码处理得到的第三低频频带信号中的重构信号；

奇异值分解单元，用于对标准水印图像进行奇异值分解，得到U矩阵和V矩阵；

第二嵌入信号生成单元，用于根据标准水印图像奇异值分解得到的U矩阵和V矩阵，生成第二嵌入信号；

判断单元，用于在重构信号的系数与第二嵌入信号的系数大于设定中间阈值时，判定第三彩色编码载体图像满足水印提取条件；其中，标准水印图像奇异值分解获得的U矩阵和V矩阵中每一单元格区域中数字之和的均值作为设定的中间阈值。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，第二提取单元，包括：

第二小波变换处理子单元，用于将第三量化编码处理获得的第三低频频带信号进行小波变换处理，并对小波变换处理得到的各个频带系数进行第四量化编码处理；

第二合并处理子单元，用于将第四量化编码处理后的第四高频频带信号和第四低频频带信号进行合并处理，得到第二统一矩阵；

二进制转换处理子单元，用于对第二统一矩阵中整数数值进行二进制转换处理，得到重构信号。

进一步的，上述数字图像中水印的提取装置中，提取模块20，包括：

奇异值分解单元，用于对第三量化编码处理得到的第三高频频带信号进行奇异值分解，得到第三对角矩阵；

反奇异值变换处理单元，用于提取第三对角矩阵中的水印信号，并对提取的水印信号进行反奇异值变换处理，得到第三彩色编码载体图像中的水印图像。

本发明实施例提供的一种数字图像中水印的提取装置，与现有技术中基于二维码的变换域数字水印方法鲁棒性较差的问题相比，其使得含水印的第三彩色编码载体图像经过打印扫描后依然可以提取完整水印信息，并最终使含水印的第三彩色编码载体图像可以解码，取得字符信息，达到彩色二维码和数字水印相结合进行版权保护和防伪的目的。

本发明实施例所提供的数字图像中水印的加入和提取的装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。