一种基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印嵌入及提取方法

本发明涉及数字水印，更具体的，涉及一种基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印嵌入及提取方法。

背景技术：

1、随着数字图像的广泛应用和传播，保护数字图像的版权和完整性至关重要。

2、数字水印技术通过将数字信息嵌入到数字媒体中，起到版权保护和完整性认证的作用。近年来对于能够抵抗诸如噪声、压缩和滤波等常规信号处理攻击的图像鲁棒可逆水印研究已取得了很大进展,但是对于旋转和缩放等几何攻击仍具有鲁棒性差和嵌入容量不足的缺点。鲁棒可逆水印具有在载体图像未受到攻击时，嵌入的水印信息可以被正确提取且载体图像可以被完全恢复，而载体图像受到一定程度攻击时，水印信息依然可以被无损的正确提取的特点。鲁棒可逆水印融合了鲁棒水印和可逆水印技术，适用于需要完整性认证和版权保护的场景，如数字艺术品和高保真图像。该技术不仅能在图像受到攻击后有效提取水印信息，还能在未受到攻击的情况下准确恢复原始图像。然而，能够同时抵抗常见的信号处理和几何变形攻击的鲁棒可逆水印方法在鲁棒性和嵌入容量两个方面都仍有欠缺，并且尚未有利用目标攻击作为先验知识以提高鲁棒性和嵌入容量的鲁棒可逆水印嵌入方法和提取方法。

3、现有技术有一种基于zernike矩抗几何攻击的可逆鲁棒水印方法，其通过计算图像的zernike矩，并将水印嵌入至zernike矩上。通过比较水印图像的哈希值与从水印图像中提取出的哈希值来判断图像是否受到攻击，当判断图像未受到攻击时，利用图像的zernike矩提取水印信息并恢复原始图像；当判断图像受到攻击时，计算受到攻击后带有水印信息图像的zernike矩，并利用带有水印信息图像的zernike矩提取水印信息。

4、然而现有技术依然存在水印鲁棒性和嵌入容量不足的问题，如何发明有足够水印鲁棒性和嵌入容量的鲁棒可逆水印嵌入、提取方法及系统，是本技术领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术存在的水印鲁棒性和嵌入容量不足的问题，提供了基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印嵌入、提取方法及系统，其具有自适应水印嵌入的特点。

2、为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

3、一种基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印嵌入方法，包括以下具体步骤：

4、s1：获取原始图像i；

5、s2：计算原始图像i的n阶m次极谐波变换矩mn,l；

6、s3：对所述的极谐波变换矩mn,l进行基于攻击模拟仿真的自适应归一化操作，得到归一化极谐波变换矩

7、s4：对归一化极谐波变换矩进行最低嵌入最低强度的水印嵌入，得到带有水印的归一化极谐波变换矩和其量化失真dquantified；

8、s5：对带有水印的归一化极谐波变换矩进行自适应归一化的逆操作，得到带有水印的极谐波变换矩

9、s6：获取带有水印的极谐波变换矩与极谐波变换矩mn,l的差值，得到误差图像叠加误差图像和原始图像i，得到候选水印图像

10、s7：对候选水印图像进行攻击模拟仿真，并提取受到攻击后的图像中的水印信息若提取的水印信息中有水印比特提取错误且水印比特的嵌入强度等级小于等于设定的阈值，则增大所述水印比特的嵌入强度等级，并回到步骤s4；否则，将候选水印图像作为鲁棒水印图像

11、s8：对鲁棒水印图像进行去水印操作，得到去水印图像iwatermarking-removal；

12、s9：计算原始图像和去水印图像iwatermarking-removal之间的舍入失真drounding；

13、s10：将量化失真dquantified、舍入失真drounding、鲁棒水印图像的前若干个像素的最低有效位作为辅助信息；使用可逆水印方法将辅助信息嵌入到鲁棒水印图像中，得到包含水印与辅助信息w2的中间图像

14、s11：将中间图像的前若干个像素的最低有效位替换成0值，并生成哈希值h1；通过哈希值替换中间图像的前若干个像素的最低有效位，得到鲁棒可逆水印图，完成鲁棒可逆水印嵌入

15、优选的，所述的步骤s2中，计算原始图像i的n阶m次极谐波变换矩mn,l，具体为：

16、设定阶数m，以大小为k×k的原始图像i的中心为圆心，作内切圆；以内切圆为单位圆，求单位圆内的像素的极谐波变换矩；基于所述内切圆构建极谐波变换基vn,l(x,y)；通过vn,l(x,y)计算极谐波变换矩，得到n阶l次极谐波变换矩mn,l：

17、

18、其中，δxs和δyt分别表示图像单位圆的x轴和y轴步长，f(xs,yt)表示单位圆内的像素，(·)*表示共轭复数，vn,l(xs,yt)为圆内的极谐波变换基。

19、进一步的，所述的步骤s3中，对所述的极谐波变换矩mn,l进行基于攻击模拟仿真的自适应归一化操作，得到归一化极谐波变换矩具体步骤为：

20、s301：从bows2数据库中随机选择1000张图像，并对它们进行攻击模拟仿真测试，通过双平方多项式拟合方法将测试结果拟合为二元三次多项式：

21、

22、其中，tni,li代表拟合的结果，同时也为自适应归一化权重；ni和li分别为用于嵌入第i个水印比特的极谐波变换矩mni,li的阶数和次数；p1～p10为拟合运算得；

23、s302：选择用于水印嵌入的极谐波变换矩mn,l，进行自适应归一化得到归一化的极谐波变换矩

24、

25、其中，m00是0阶0次的极谐波变换矩，tni,li是自适应归一化权重。

26、更进一步的，所述的步骤s4中，对归一化极谐波变换矩进行最低嵌入最低强度的水印嵌入，得到带有水印的归一化极谐波变换矩和其量化失真dquantified，具体步骤为；

27、s401：对归一化极谐波变换矩进行分组；每组包括p个归一化极谐波变换矩，用于嵌入一个水印比特；将嵌入第i个水印比特的归一化极谐波变换矩表示为：

28、

29、嵌入水印的具体嵌入公式为：

30、

31、其中，是归一化极谐波变换矩的转置，为带有水印的归一化极谐波变换矩，是嵌入强度等级为z级的多级量化器，u为长度为p的随机向量；多级量化器具体为：

32、

33、其中，[·]是舍入操作，(·)t是转置操作，δ是量化步长，qw(·)是单级量化器；qw(·)具体为：

34、

35、其中，w是嵌入的水印比特，βi(w)是约束为βi(1)＝βi(0)+δ/2的抖动值；

36、s402：得到第i个水印比特对应的量化失真dquantified-i：

37、

38、其中，为嵌入强度等级为z级的多级量化器。

39、更进一步的，所述的步骤s5中，对带有水印的归一化极谐波变换矩进行自适应归一化的逆操作，得到带有水印的极谐波变换矩具体为：

40、采用自适应归一化操作的逆操作，将带有水印的归一化极谐波变换矩乘以m00、自适应归一化权重tni,li、除以103，得到带有水印的极谐波变换矩：

41、

42、更进一步的，所述的步骤s6中，获取带有水印的极谐波变换矩与极谐波变换矩mn,l的差值，得到误差图像具体为：获取带有水印的极谐波变换矩与原始图像的极谐波变换矩mni,li的差值；对差值进行极谐波变换反变换并进行取整操作，得到误差图像ierror：

43、

44、其中，vni,li为用于嵌入第i个水印比特的极谐波变换基，vni,-li为vni,li的共轭复数，为的共轭复数，mni,-li)为mni,li的共轭复数。

45、更进一步的，所述的步骤s8中，对鲁棒水印图像进行去水印操作，得到去水印图像，具体步骤为:

46、s801：计算鲁棒水印图像的极谐波变换矩进行自适应归一化操作，得到并提取水印信息

47、

48、其中，和分别是鲁棒水印图像和去水印图像iwatermarking-removal中用于嵌入第i个水印比特的归一化极谐波变换矩；

49、s802：采用自适应归一化操作的逆操作，得到

50、

51、通过计算去水印图像iwatermarking-removal：

52、

53、其中，p*l表示水印嵌入总共修改的极谐波变换矩的个数。

54、一种基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印提取方法，还包括以下具体步骤：

55、s21：提取鲁棒可逆水印图像的前s个像素的最低有效位，获得哈希值h1；

56、s22：将鲁棒可逆水印图像的前s个像素的最低有效位替换成0值，并生成此时图像的哈希值h2；

57、s23：若哈希值h1等于哈希值h2，判断鲁棒可逆水印图像未受到攻击，并执行步骤s05；若哈希值h1不等于哈希值h2时，判断鲁棒可逆水印图像受到攻击，执行步骤s06；

58、s24:计算未受到攻击的鲁棒可逆水印图像的量化失真，根据量化失真，提取鲁棒水印图像中的水印信息，并将未受到攻击的鲁棒可逆水印图像恢复为原始图像；

59、s25：计算受到攻击后鲁棒可逆水印图像的极谐波变换矩对进行自适应归一化操作，并提取水印信息。

60、优选的，所述的步骤s24，具体步骤为：

61、s051：通过可逆水印方法提取出的量化失真dquantified；结合鲁棒水印图像的舍入失真drounding以及前s个像素的最低有效位，恢复鲁棒水印图像

62、s052：计算鲁棒水印图像的极谐波变换矩将其进行自适应归一化操作，得到并计算出第i个水印信息wi：

63、

64、w∈{0,1}

65、s053：根据量化失真dquantified，提取鲁棒水印图像中的水印信息，得到去水印图像iwatermarking-removal：

66、s054：计算鲁棒水印图像的极谐波变换矩将进行自适应归一化操作，得到提取出其量化失真：

67、

68、其中，和分别是鲁棒水印图像和去水印图像iwatermarking-removal中用于嵌入第i个水印比特的归一化极谐波变换矩；

69、s055：通过计算去水印图像iwatermarking-removal：

70、

71、s056：使用去水印图像iwatermarking-removal和舍入失真drounding恢复原始图像i：

72、i＝iwatermarking-removal+drounding。

73、进一步的，所述的步骤s25中，提取水印信息，具体为：

74、

75、本发明的有益效果如下：

76、本发明公开了一种基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印嵌入方法。本发明基于攻击模拟仿真的鲁棒可逆水印方法，通过对图像进行攻击模拟仿真测试来衡量不同阶数和次数极谐波变换矩的稳定性，并以此进行自适应归一化操作，提高了水印在相同嵌入失真情况下的鲁棒性，并实现了在未受到攻击时可以提取水印和恢复图像，在受到攻击时可以有效提取水印。本发明所提出的方法能解决现有技术存在的水印鲁棒性和嵌入容量不足的问题，且具有自适应水印嵌入的特点。