(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211039197.0 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 山东科技大 学 地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港 路579号 (72)发明人 杨红梅　王彤　颜斌　王梦溪　 刘涛　姚金良　 (74)专利代理 机构 青岛智地领创专利代理有限 公司 37252 专利代理师 种艳丽 (51)Int.Cl. G06T 1/00(2006.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于三维参考矩阵的彩 色图像自恢复方法， 属于图像处理技术领域， 构 建大小为256 ×256×256的三维参考矩阵， 并基 于该矩阵生成水印图像和实现图像的篡改检测 和自恢复； 三维参考矩阵利用密钥根据伪随机数 发生器形成。 原始彩色图像首先被 分成四个相同 大小的主块， 然后将主块进 一步划分为4 ×4大小 的子块， 生成恢复位和认证位， 并基于三维参考 矩阵将其 嵌入到子块中以获得水印图像； 基于重 新构造的三维参考矩阵提取恢复位和认证位； 然 后与重新计算的恢复位和认证位进行对比以检 测图像篡改区域， 最后利用恢复位得到恢复的 图 像。 本发明能在保证嵌入容量的同时提高含水印 图像的视觉质量， 并进一步提升恢复图像的视觉 质量。 权利要求书2页 说明书10页 附图3页 CN 115439299 A 2022.12.06 CN 115439299 A 1.一种基于三维参考矩阵的彩色图像自恢复方法， 其特征在于， 构建大小为256 ×256 ×256的三维参 考矩阵， 并基于该矩阵生成水印图像和实现图像的篡改检测 和自恢复； 三维参考矩阵的构建过程为： 首先， 利用密钥k1根据伪随机数发生器形成从0到26‑1的 64位随机数字， 将这64位数字放置到一个3 ×3×3大小的矩阵的64个顶点处； 然后， 重复这 个3×3×3大小的矩阵， 产生256 ×256×256大小的三维参考矩阵RM3D； 其中， 每个彩色像素 的三个通道(Ri,Gi,Bi)对应于该矩阵的三个维度； 在水印嵌入过程中， 以点(Ri,Gi,Bi)为中 心形成一个3 ×3×3大小的矩阵， 并寻找将要隐藏的信息所在的位置(Ri′,Gi′,Bi′)； 如果 RM3D(Ri,Gi,Bi)对应的值就是要隐藏的水印Wi， 则不需要改变(Ri,Gi,Bi)的像素值； 否则， 原 始通道像素值(Ri,Gi,Bi)被修改为(Ri′,Gi′,Bi′)来携带水印信息Wi； 彩色图像自恢复方法具体包括如下步骤： 步骤1、 基于三维参 考矩阵生成水印图像； 具体过程如下： 步骤1.1、 获取原始彩色图像， 假设原始彩色图像Io的大小为h ×w， Io被划分为四个主块 Mn(n＝1,2,3,4)， 然后每 个主块被进一 步划分为大小为 4×4的非重叠的块； 步骤1.2、 计算平均值并生成恢复位 Wr， 然后进行集 合划分和进制转换； 步骤1.3、 收集每 个主块中的恢复位并通过密钥k2进行置乱得到 步骤1.4、 从距离最远的主块中选择一个4 ×4大小的块， 利用三维参考矩阵嵌入置乱后 的恢复位 步骤1.5、 利用已经嵌入恢复位的图像块和SHA ‑256算法， 计算并基于三维参考矩阵嵌 入该块的认证位 步骤1.6、 重复步骤1.2 ‑步骤1.5， 直到所有块都被嵌入水印信息， 得到水印图像Iw； 步骤2、 篡改检测 和图像自恢复； 具体过程如下： 步骤2.1、 利用密钥 k1根据伪随机数发生器重新构建一个包含64个顶点的3 ×3×3大小 的矩阵， 重复这个3 ×3×3大小的矩阵来获得25 6×256×256的三维参 考矩阵RM ′3D； 步骤2.2、 对于第k个4 ×4大小的块， 将每个彩色像素的三个通道的像素值(Ri′,Gi′, Bi′)匹配到RM ′3D中； 矩阵RM ′3D(Ri′,Gi′,Bi′)对应的数字就是提取的水印Wi′， 该块中提取的 所有水印信息为 Wk′； 步骤2.3、 进行水印信息划分； 提取出的水印信息Wk′为0到26‑1的十进制数字， Wk′的前q 个数字是置乱后的恢复位 其余的是提取的认证位 步骤2.4、 收集每个4 ×4块的 并利用密钥k2进行逆置乱， 得到按序排列的Wr′； 收集 每个4×4块的认证位 得到Wa′； 步骤2.5、 对于第k个4 ×4大小的块， 重新计算得到恢复位 和认证位 步骤2.6、 认证第一个阶段是比较 与 如果它们是相同的， 则认为该4 ×4块没有 被篡改， 否则， 认为该块是被篡改的； 步骤2.7、 认 证第二个阶段是比较 与 当他们之间差值的绝对 值大于阈值并且在 步骤2.6中被认为未被篡改， 则认为该2 ×2块是被篡改的； 否则， 认为该2 ×2块没有被篡改； 步骤2.8、 利用提取的恢复位恢复被篡改块；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115439299 A 2步骤2.9、 重复步骤2.2 ‑步骤2.8， 直到检测出的被篡改块全部被恢复， 得到恢复图像。 2.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢 复方法， 其特征在于， 水印由 两部分组成， 分别是用于检测被篡改的块的认证位和用于恢复被篡改的图像块的恢复位。 3.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢 复方法， 其特征在于， 所述步 骤1.2的具体过程 为： 将每个4×4大小的块进一步划分为四个大小为2 ×2的块； 每个块的平均值如公式(1) 计算得出， 其中Rm、 Gm、 Bm分别代表2 ×2大小的块的三个通道的平均值； 然后选择Rm、 Gm、 Bm的 前7位最高有效位作为2 ×2块的恢复位； 一个大小为4 ×4的块产生7 ×3×4＝84位， 作为第k 个4×4大小的块的恢复位 然后， 将 划分成q个6位的集合， 并转换为十进制 length表示 的位数； 其中， Ri,Gi,Bi分别代表第i个彩色像素的三个通道的像素值。 4.根据权利要求3所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢 复方法， 其特征在于， 所述步 骤1.5中， 认证位 按照公式(2)计算得到， 计算出的哈希值Hk的前12位被截断作为认证位 其中， 已嵌入像素的三个通道 的像素值 和块索引bk转换为4×4×3×8+15＝ 399位二进制， 作为SHA ‑256算法的输入。 5.根据权利要求4所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢 复方法， 其特征在于， 所述步 骤2.5中， 恢复位 和认证位 根据步骤1中的公式(1)和公式(2)计算得到 。 6.根据权利要求1所述基于三维参考矩阵的彩色图像自恢 复方法， 其特征在于， 所述步 骤2.8的具体过程 为： (1)假设块B2中嵌入的是块B1的恢复位； 如果B1被篡改， 而B2没有被篡改， 则从B2中提取 恢复位恢复B1； (2)当B1和B2都被篡改时， 将通过B1邻域中未被篡改的块的平均值恢复B1。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115439299 A 3