CN108876691B - 自适应可逆水印方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自适应可逆水印方法及***，方法包括：将载体图像划分为多个互不重合的相邻像素对；利用梯度预测方法计算出对应的差值对并生成二维差值直方图；采用动态规划算法，在二维差值直方图中选择最优路径，建立最优路径上的差值对所对应的像素对与待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；若像素对所对应的差值对不在最优路径上，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的差值对在最优路径上，则根据第一对应关系，若像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的比特信息的取值为0，则不修改像素对。本方案的数据嵌入容量高、嵌入失真低，隐藏数据的安全性高。

Description

自适应可逆水印方法及***
技术领域
本发明涉及数字水印技术领域，尤其涉及一种自适应可逆水印方法及***。
背景技术
随着现代社会进入互联网信息时代，图像、音频、视频等多媒体数字载体成为承载信息的主要媒介。计算机科学技术的高速发展以及互联网的普及使得越来越多的信息借由这些多媒体载体被广泛的产生、传播与分享。相应地，互联网时代的开放性与共享性使数字信息在传播过程中出现了一系列的安全性问题，如非法拷贝、非法篡改等。此外，对于传播者不愿公开的机密信息的隐藏与保护也成为一项重要需求。针对此类问题，信息隐藏技术应运而生。
信息隐藏技术相关的研究在近几十年受到了学者的广泛关注，但是对于其大部分技术如隐写和鲁棒水印技术都会在嵌入秘密信息的同时损坏原始载体，导致嵌入载体在提取秘密信息后不能被无损恢复。然而，在某些敏感场景如医学图像处理，在获取患者隐私信息的同时，无损地恢复原始医学图像也同样重要。因此可逆数字水印技术成为当下的热门研究课题。由于自然图像存在大量的冗余信息，即使某些像素因嵌入信息而被修改，它们仍能够利用相关像素信息得以恢复，这就是该技术具有可逆特性的原因。衡量可逆水印算法优劣的标准有两个方面：嵌入失真和嵌入容量。通过比较嵌入载体与原始载体，嵌入失真越低嵌入算法的隐蔽性越好，也就是嵌入载体与原始载体越相似。嵌入容量表示嵌入至载体的信息比特数。
现有的基于直方图的可逆水印方法，主要通过载体图像的像素点构造统计直方图，根据统计直方图将图像中的像素点划分为嵌入水印数据的可嵌入点集合以及平移的可移动点集合，对可嵌入点集合中的所有像素点执行水印嵌入处理，对可移动点集合中的所有像素点执行平移处理。由于载体图像的像素直方图的分布较为均匀，使得该方法的数据嵌入容量有限且嵌入失真较高，进而降低了隐藏数据的安全性。
发明内容
本发明提供一种自适应可逆水印方法及***，用以解决现有技术的水印方法数据嵌入容量低、嵌入失真高，隐藏数据的安全性低的问题。
本发明的第一个方面是提供自适应可逆水印方法，包括：
将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值；
针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z；
根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图；
在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对；
建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；
针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改。
本发明的第二个方面是提供一种自适应可逆水印***，包括：
像素对模块，用于将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值；
差值对模块，用于针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z；
直方图模块，用于根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图；
最优路径模块，用于在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
定义模块，用于将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对；
对应模块，用于建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；
修改模块，用于针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改。
本发明提供的自适应可逆水印方法及***，通过将载体图像划分为多个互不重合的相邻像素对；利用梯度预测方法计算出对应的差值对并生成二维差值直方图；采用动态规划算法，在二维差值直方图中选择最优路径，建立最优路径上的差值对所对应的像素对与待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；若像素对所对应的差值对不在最优路径上，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的差值对在最优路径上，则根据第一对应关系，若像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的比特信息的取值为0，则不修改像素对。本方案的数据嵌入容量高、嵌入失真低，隐藏数据的安全性高。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种自适应可逆水印方法中像素对(x,y)的邻域示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图；
图5为本发明实施例四提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图；
图6为本发明实施例五提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图；
图7为本发明实施例六提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
11、将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值。
具体的，可以采用多种方式将载体图像划分为多个互不重合的像素对，举例来说，以载体图像水平方向相邻的两个像素点作为一组像素对，将载体图像划分为多个互不重合的像素对。
12、针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z。
具体的，像素对(x,y)的邻域如图2所示，针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z的计算方法如下：
Figure BDA0001291444590000051
其中，v1～v8为像素对(x,y)邻域中对应的像素点的像素值，dv、dh分别表示所述邻域在竖直方向和水平方向上的梯度，其中：
dv＝|v1-v5|+|v3-v7|+|v4-v8|；
dh＝|v1-v2|+|v3-v4|+|v4-v5@；
Figure BDA0001291444590000052
13、根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
进一步的，选取像素对所对应的差值对生成二维差值直方图方法可以有多种，举例来说，为了提高秘密信息嵌入的安全性，对于载体图像纹理复杂区域的像素点，不进行数据嵌入，即不选取载体图像纹理复杂区域的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图，也即选取图像平滑区域的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图。在图1所示实施方式的基础上，13具体可以包括：计算每个像素对的噪声级别，根据所述噪声级别小于噪声阈值的多个像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
进一步的，对于载体图像中像素值为255或0的像素点，无法进行+1或-1的修改，这种情况为像素溢出。在选取差值对生成二维直方图时，可以不选取存在像素溢出的像素对所对应的差值对。作为一种可选的实施方式，在上述任一实施方式的基础上，13具体可以包括：统计存在像素溢出的像素对所对应的差值对的信息，记录至位置映射表L；选取不存在像素溢出的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图。
前述两种实施方式还可以结合实施，以实际场景举例来说，假设像素对(xi,yi)＝(125,125)，其相应的预测值为z＝124，计算获得其噪声级别为NL(xi,yi)＝10，对应的差值对为(d1,d2)＝(1,1)，若噪声阈值为T＝25，其差值对的噪声级别小于阈值，且所述像素对不存在像素溢出，因此可以用来生成二维差值直方图。相应的，13具体可以包括：计算每个像素对的噪声级别；统计存在像素溢出的像素对所对应的差值对的信息，记录至位置映射表L；选取噪声级别小于阈值，且不存在像素溢出的像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
14、在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻。
具体的，采用动态规划算法，在所述起点和终点构成的网格内选择的最优路径的形式化定义如下公式所示：
D(x，y)＝max{D(x-1，y)，D(x，y-1)}+h(x，y)
其中，D(x,y)表示终点为(x,y)的最优嵌入路径经过的差值对的频率之和，h(x,y)表示载体图像中与差值对(x,y)对应的像素对的个数，即差值对(x,y)的频率。所述公式可以采用动态规划算法以线性时间复杂度进行求解。
15、将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对。
16、建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系。
17、针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改。
作为一种可选的实施方式，在上述任一实施方式的基础上，17中所述按照预设的第一规则对所述像素对进行修改具体可以包括：
按照所述第一规则，将所述二维差值直方图中所述像素对对应的差值对向远离所述最优路径的方向移动，且移动后的差值对互不重合，所述差值对的移动距离为预设的阈值；
根据移动后的所述像素对对应的差值对的坐标和所述第一公式，计算出当前所述像素对中各像素点的像素值，并将所述像素对中各像素点的像素值修改为当前计算得到的像素值。
通过前述方案，即可完成在载体图像中嵌入水印。具体的，为了减小载体图像的嵌入失真，可以定义所述预设的阈值为1，即差值对(d1,d2)的修改方向可以为(d1-1,d2)，或者(d1+1,d2)，或者(d1,d2-1)，或者(d1,d2+1)，根据所述第一公式可以计算得出，差值对所对应的像素对的修改方向为(x-1,y)，或者(x+1,y)，或者(x,y-1)，或者(x,y+1)，即像素对的修改量为1。
进一步的，为了后续能够提取嵌入的水印所携带的比特信息与恢复载体图像，所述方法还可以包括在所述载体图像中嵌入附加信息，所述附加信息包括：所述最优路径经过的第一差值对的位置信息、与待嵌入的水印所携带的比特信息的最后一位比特信息所对应的像素对的位置信息、噪声阈值、位置映射表L以及位置映射表L的长度。
本实施例提供的自适应可逆水印方法，通过将载体图像划分为多个互不重合的相邻像素对；利用梯度预测方法计算出对应的差值对并生成二维差值直方图；采用动态规划算法，在二维差值直方图中选择最优路径，建立最优路径上的差值对所对应的像素对与待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；若像素对所对应的差值对不在最优路径上，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的差值对在最优路径上，则根据第一对应关系，若像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的比特信息的取值为0，则不修改像素对。本方案的数据嵌入容量高、嵌入失真低，隐藏数据的安全性高。
以实际应用场景举例来说，在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径的方法可以有多种，举例来说，可以二维差值直方图的原点(0,0)为中心点划取预定边长的网格，以所述网格对角线上的两个差值对作为起点和终点；或者，也可以任意选取两个差值对作为起点和终点。具体如图3所示，图3为本发明实施例二提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图，在图1所示实施方式的基础上，14具体可以包括：
341、选取任意两个差值对作为当前的起点和终点；
342、根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径；
343、计算当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
344、若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并返回执行342中所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
具体的，在上述344中，重新选取起点和终点作为当前的起点和终点的方法可以有多种，举例来说，可以重新任意选取起点和终点作为当前的起点和终点，或者以当前的起点和终点构成的网格的中心为中心点，将所述网格的边长扩大2倍，选取扩大后的网格的对角线上的两个差值对作为当前的起点和终点。
进一步的，在上述344中，若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量远大于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，可以采用二分法重新选取起点和终点作为当前的起点和终点，并返回执行342中所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于且接近当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
本实施例提供的自适应可逆水印方法，通过选取任意两个差值对作为当前的起点和终点，并采用动态规划算法，按照预设的第一规则在当前的起点和终点构成的网格内选择出当前的最优路径；若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并返回执行根据当前的起点和终点，采用动态规划算法在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。本方案可快速选定可进行数据嵌入的像素对，数据嵌入效率高。
图4为本发明实施例三提供的一种自适应可逆水印方法的流程示意图，如图4所示，在图1所示实施方式的基础上，14具体可以包括：
441、将所述二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集An，其中n＝1,2,3,4；所述第二规则为：
Figure BDA0001291444590000091
442、按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；
具体的，按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量的方法可以有多种，举例来说，可以将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量均等的划分为每个子集对应的容量。
443、针对每个所述子集，在所述子集中选定距离(0,0)最近的差值对为所述子集对应的起点，并选定所述子集对应的终点；采用动态规划算法，在所述子集对应的起点和所述子集对应的终点构成的网格内选择所述子集对应的最优路径，所述子集对应的最优路径为所述网格内所述子集对应的起点至所述子集对应的终点的所有路径中经过的差值对的频率之和最大的路径，且所述子集对应的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于所述子集对应的容量，所述子集对应的最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
444、将每个子集对应的最优路径相加，获得所述最优路径。
作为一种可选的实施方式，在图4所示实施方式的基础上，443中选定所述子集对应的终点，具体可以包括：
4431、选取所述子集中任意一个差值对作为当前的终点；
4432、根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径；
4433、计算所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
4434、若所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于所述子集对应的容量，则在所述子集中重新选取终点作为当前的终点；并返回执行所述根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径的步骤，直至所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于所述子集对应的容量。
具体的，在上述4434中，在所述子集中重新选取终点作为当前的终点的方法可以有多种，举例来说，可以重新在所述子集中任意选取终点作为当前的终点，或者将所述子集的起点和当前的终点构成的网格的边长扩大2倍，选取扩大后的网格上所述子集的起点所在的对角线上的另一差值对作为当前的终点。
进一步的，在上述4434中，若所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量远大于所述子集对应的容量，可以采用二分法重新选取终点作为当前的终点，并返回执行4432中所述根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径的步骤，直至所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于且接近所述子集对应的容量。
本实施例提供的自适应可逆水印方法，通过将二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集，并按照预设的第三规则，将待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；针对每个所述子集，采用动态规划算法选择出每个子集对应的最优路径，将每个子集对应的最优路径相加，获得整个二维差值直方图的最优路径。本方案获得的最优路径经过的第一差值对的频率之和最大，因此，可获得更高的数据嵌入容量以及更小的嵌入失真。
图5为本发明实施例四提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图，如图5所示，所述***包括：
像素对模块51、用于将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值。
具体的，可以采用多种方式将载体图像划分为多个互不重合的像素对，举例来说，以载体图像水平方向相邻的两个像素点作为一组像素对，将载体图像划分为多个互不重合的像素对。
差值对模块52、用于针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z。
直方图模块53、用于根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
进一步的，选取像素对所对应的差值对生成二维差值直方图方法可以有多种，举例来说，为了提高秘密信息嵌入的安全性，对于载体图像纹理复杂区域的像素点，不进行数据嵌入，即不选取载体图像纹理复杂区域的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图，也即选取图像平滑区域的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图。在图5所示实施方式的基础上，直方图模块53可以包括：噪声单元，用于计算每个像素对的噪声级别，根据所述噪声级别小于噪声阈值的多个像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
进一步的，对于载体图像中像素值为255或0的像素点，无法进行+1或-1的修改，这种情况为像素溢出。在选取差值对生成二维直方图时，可以不选取存在像素溢出的像素对所对应的差值对。作为一种可选的实施方式，在上述任一实施方式的基础上，直方图模块53可以包括：溢出单元，用于统计存在像素溢出的像素对所对应的差值对的信息，记录至位置映射表L；选取不存在像素溢出的像素对所对应的差值对生成二维差值直方图。
前述两种实施方式还可以结合实施，相应的，在噪声单元和溢出单元进行处理的基础上，直方图模块53具体用于选取噪声级别小于阈值，且不存在像素溢出的像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
最优路径模块54、用于在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻。
具体的，采用动态规划算法，在所述起点和终点构成的网格内选择的最优路径的形式化定义如下公式所示：
D(x，y)＝max{D(x-1，y)，D(x，y-1)}+h(x，y)
其中，D(x,y)表示终点为(x,y)的最优嵌入路径经过的差值对的频率之和，h(x,y)表示载体图像中与差值对(x,y)对应的像素对的个数，即差值对(x,y)的频率。所述公式可以采用动态规划算法以线性时间复杂度进行求解。
定义模块55、用于将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对。
对应模块56、用于建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系。
修改模块57、用于针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改。
作为一种可选的实施方式，在上述任一实施方式的基础上，修改模块57可以包括：
移动单元，用于按照所述第一规则，将所述二维差值直方图中所述像素对对应的差值对向远离所述最优路径的方向移动，且移动后的差值对互不重合，所述差值对的移动距离为预设的阈值；
修改单元，用于根据移动后的所述像素对对应的差值对的坐标和所述第一公式，计算出当前所述像素对中各像素点的像素值，并将所述像素对中各像素点的像素值修改为当前计算得到的像素值。
通过前述方案，即可完成在载体图像中嵌入水印。具体的，为了减小载体图像的嵌入失真，可以定义所述预设的阈值为1，即差值对(d1,d2)的修改方向可以为(d1-1,d2)，或者(d1+1,d2)，或者(d1,d2-1)，或者(d1，d2+1)，根据所述第一公式可以计算得出，差值对所对应的像素对的修改方向为(x-1,y)，或者(x+1,y)，或者(x,y-1)，或者(x，y+1)，即像素对的修改量为1。
进一步的，为了后续能够提取嵌入的水印所携带的比特信息与恢复载体图像，所述***还可以包括附加模块，用于在所述载体图像中嵌入附加信息，所述附加信息包括：所述最优路径经过的第一差值对的位置信息、与待嵌入的水印所携带的比特信息的最后一位比特信息所对应的像素对的位置信息、噪声阈值、位置映射表L以及位置映射表L的长度。
本实施例提供的自适应可逆水印***，通过将载体图像划分为多个互不重合的相邻像素对；利用梯度预测方法计算出对应的差值对并生成二维差值直方图；采用动态规划算法，在二维差值直方图中选择最优路径，建立最优路径上的差值对所对应的像素对与待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；若像素对所对应的差值对不在最优路径上，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的差值对在最优路径上，则根据第一对应关系，若像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则修改像素对；若像素对所对应的比特信息的取值为0，则不修改像素对。本方案的数据嵌入容量高、嵌入失真低，隐藏数据的安全性高。
以实际应用场景举例来说，在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径的方法可以有多种，举例来说，可以二维差值直方图的原点(0,0)为中心点划取预定边长的网格，以所述网格对角线上的两个差值对作为起点和终点；或者，也可以任意选取两个差值对作为起点和终点。具体如图6所示，图6为本发明实施例五提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图，在图5所示实施方式的基础上，最优路径模块54可以包括：
第一选取单元641、用于选取任意两个差值对作为当前的起点和终点；
最优路径单元642、用于根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径；
计算单元643、用于计算当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
第二选取单元644、用于若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并返回执行342中所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
具体的，第二选取单元644重新选取起点和终点作为当前的起点和终点的方法可以有多种，举例来说，可以重新任意选取起点和终点作为当前的起点和终点，或者以当前的起点和终点构成的网格的中心为中心点，将所述网格的边长扩大2倍，选取扩大后的网格的对角线上的两个差值对作为当前的起点和终点。
进一步的，第二选取单元644还可以用于若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量远大于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，采用二分法重新选取起点和终点作为当前的起点和终点，并指示所述最优路径单元642再次执行所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于且接近当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
本实施例提供的自适应可逆水印***，通过选取任意两个差值对作为当前的起点和终点，并采用动态规划算法，按照预设的第一规则在当前的起点和终点构成的网格内选择出当前的最优路径；若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并返回执行根据当前的起点和终点，采用动态规划算法在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。本方案可快速选定可进行数据嵌入的像素对，数据嵌入效率高。
图7为本发明实施例六提供的一种自适应可逆水印***的结构示意图，如图7所示，在图5所示实施方式的基础上，最优路径模块54可以包括：
第一划分单元741、用于将所述二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集An，其中n＝1,2,3,4；所述第二规则为：
Figure BDA0001291444590000151
第二划分单元742、用于按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；
具体的，按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量的方法可以有多种，举例来说，可以将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量均等的划分为每个子集对应的容量。
子集单元743、用于针对每个所述子集，在所述子集中选定距离(0,0)最近的差值对为所述子集对应的起点，并选定所述子集对应的终点；采用动态规划算法，在所述子集对应的起点和所述子集对应的终点构成的网格内选择所述子集对应的最优路径，所述子集对应的最优路径为所述网格内所述子集对应的起点至所述子集对应的终点的所有路径中经过的差值对的频率之和最大的路径，且所述子集对应的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于所述子集对应的容量，所述子集对应的最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
组合单元744、用于将每个子集对应的最优路径相加，获得所述最优路径。
作为一种可选的实施方式，在图7所示实施方式的基础上，子集单元743可以包括：
第一选取子单元、用于选取所述子集中任意一个差值对作为当前的终点；
最优路径子单元、用于根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径；
计算子单元、用于计算所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
第二选取子单元、用于若所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于所述子集对应的容量，则在所述子集中重新选取终点作为当前的终点；并返回执行所述根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径的步骤，直至所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于所述子集对应的容量。
具体的，第二选取子单元在所述子集中重新选取终点作为当前的终点的方法可以有多种，举例来说，可以重新在所述子集中任意选取终点作为当前的终点，或者将所述子集的起点和当前的终点构成的网格的边长扩大2倍，选取扩大后的网格上所述子集的起点所在的对角线上的另一差值对作为当前的终点。
进一步的，第二选取子单元还可以用于若所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量远大于所述子集对应的容量，可以采用二分法重新选取终点作为当前的终点，并指示所述最优路径子单元再次执行所述根据所述子集的起点和当前的终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出所述子集当前的最优路径的步骤，直至所述子集当前的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于且接近所述子集对应的容量。
本实施例提供的自适应可逆水印***，通过将二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集，并按照预设的第三规则，将待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；针对每个所述子集，采用动态规划算法选择出每个子集对应的最优路径，将每个子集对应的最优路径相加，获得整个二维差值直方图的最优路径。本方案获得的最优路径经过的第一差值对的频率之和最大，因此，可获得更高的数据嵌入容量以及更小的嵌入失真。
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，上述描述的***的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种自适应可逆水印方法，其特征在于，包括：
将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值；
针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z；
根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图；
在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对；
建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；
针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改；
所述按照预设的第一规则对所述像素对进行修改包括：按照所述第一规则，将所述二维差值直方图中所述像素对对应的差值对向远离所述最优路径的方向移动，且移动后的差值对互不重合，所述差值对的移动距离为预设的阈值；根据移动后的所述像素对对应的差值对的坐标和所述第一公式，计算出当前所述像素对中各像素点的像素值，并将所述像素对中各像素点的像素值修改为当前计算得到的像素值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图，包括：
计算每个像素对的噪声级别，根据所述噪声级别小于噪声阈值的多个像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，包括：
选取任意两个差值对作为当前的起点和终点；
根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径；
计算当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并返回执行所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，包括：
将所述二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集An，其中n＝1,2,3,4；所述第二规则为：
Figure FDA0003241846510000021
按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；
针对每个所述子集，在所述子集中选定距离(0,0)最近的差值对为所述子集对应的起点，并选定所述子集对应的终点；采用动态规划算法，在所述子集对应的起点和所述子集对应的终点构成的网格内选择所述子集对应的最优路径，所述子集对应的最优路径为所述网格内所述子集对应的起点至所述子集对应的终点的所有路径中经过的差值对的频率之和最大的路径，且所述子集对应的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于所述子集对应的容量，所述子集对应的最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
将每个子集对应的最优路径相加，获得所述最优路径。
5.一种自适应可逆水印***，其特征在于，包括：
像素对模块，用于将载体图像划分为多个互不重合的像素对(x,y)，每个像素对中的两个像素点相邻，其中，x为前一像素点的像素值，y为后一像素点的像素值；
差值对模块，用于针对每个像素对(x,y)，根据所述像素对的邻域，采用梯度预测方法计算相应的预测值z，并利用第一公式计算出对应的差值对(dx,dy)，所述第一公式为：
d1＝x-z，d2＝y-z；
直方图模块，用于根据多个所述像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图；
最优路径模块，用于在所述二维差值直方图中选定起点和终点，采用动态规划算法，在所述起点和所述终点构成的网格内选择最优路径，所述最优路径为所述网格内所述起点至所述终点的所有路径中经过的第一差值对的频率之和最大的路径，且所述最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，所述最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
定义模块，用于将所述第一差值对定义为扩张差值对，将其余差值对定义为平移差值对；
对应模块，用于建立所述扩张差值对所对应的像素对与所述待嵌入的水印所携带的比特信息的第一对应关系；
修改模块，用于针对每个像素对，若所述像素对所对应的差值对为平移差值对，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的差值对为扩张差值对，则根据所述第一对应关系，若所述像素对所对应的比特信息的取值为1，则按照预设的第一规则对所述像素对进行修改；若所述像素对所对应的比特信息的取值为0，则不对所述像素对进行修改；
所述修改模块包括：移动单元和修改单元；
所述移动单元，用于按照所述第一规则，将所述二维差值直方图中所述像素对对应的差值对向远离所述最优路径的方向移动，且移动后的差值对互不重合，所述差值对的移动距离为预设的阈值；
所述修改单元，用于根据移动后的所述像素对对应的差值对的坐标和所述第一公式，计算出当前所述像素对中各像素点的像素值，并将所述像素对中各像素点的像素值修改为当前计算得到的像素值。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述直方图模块包括：
噪声单元，用于计算每个像素对的噪声级别，根据所述噪声级别小于噪声阈值的多个像素对所对应的差值对，生成二维差值直方图。
7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述最优路径模块包括：
第一选取单元，用于选取任意两个差值对作为当前的起点和终点；
最优路径单元，用于根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径；
计算单元，用于计算当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量；
第二选取单元，用于若当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量，则重新选取起点和终点作为当前的起点和终点；并指示所述最优路径单元再次执行所述根据当前的起点和终点，采用所述动态规划算法，按照预设的第一规则在所述起点和所述终点构成的网格内选择出当前的最优路径的步骤，直至所述当前的最优路径经过的第一差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量的实际容量不小于当前待嵌入的水印所携带的比特信息的容量。
8.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述最优路径模块包括：
第一划分单元，用于将所述二维差值直方图按照预设的第二规则划分为互不相交的四个子集An，其中n＝1,2,3,4；所述第二规则为：
Figure FDA0003241846510000051
第二划分单元，用于按照预设的第三规则，将所述待嵌入的水印所携带的比特信息的容量划分为每个子集对应的容量；
子集单元，用于针对每个所述子集，在所述子集中选定距离(0,0)最近的差值对为所述子集对应的起点，并选定所述子集对应的终点；采用动态规划算法，在所述子集对应的起点和所述子集对应的终点构成的网格内选择所述子集对应的最优路径，所述子集对应的最优路径为所述网格内所述子集对应的起点至所述子集对应的终点的所有路径中经过的差值对的频率之和最大的路径，且所述子集对应的最优路径经过的差值对所对应的像素对的实际可嵌入容量不小于所述子集对应的容量，所述子集对应的最优路径经过的相邻差值对在水平方向或者竖直方向上相邻；
组合单元，用于将每个子集对应的最优路径相加，获得所述最优路径。
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