(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210407246.5 (22)申请日 2022.04.19 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114511437 A (43)申请公布日 2022.05.17 (73)专利权人 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　 潘正祥　刘涛　 (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 陈海滨 (51)Int.Cl. G06T 1/00(2006.01)H04L 9/32(2006.01) (56)对比文件 US 2002146123 A1,20 02.10.10 US 2003070075 A1,20 03.04.10 CN 113014742 A,2021.0 6.22 黄良永.一种图像篡改可恢复的认证水印方 法. 《计算机 工程》 .201 1,(第05期), 审查员 姚培 (54)发明名称 基于参考矩阵和LSB替换的水印嵌入和图像 自恢复方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于参考矩阵和LSB替换 的水印嵌入和图像自恢复方法， 属于数字水印技 术领域， 包括如下步骤： 实时采集原始图像， 采用 块划分方法将图像划分为4 ×2或2×4大小的子 块； 生成水印的恢复位、 标志位和认证位； 基于参 考矩阵和LSB替换将水印嵌入原始图像； 基于参 考矩阵和LSB提取水印， 重新计算恢复位和认证 位； 篡改检测分为两个阶段， 第一阶段基于对比 提取的认证位和重新计算的认证位， 第二阶段基 于对比提取的恢复位和重新计算的恢复位； 利用 恢复位来恢复被篡改 的子块， 最后得到恢复的 图 像； 参考矩阵包括第一参考矩阵和第二参考矩 阵。 本发明实现了水印图像的视觉质量、 篡改检 测的性能和恢复图像的视 觉质量之间的平衡 。 权利要求书3页 说明书13页 附图5页 CN 114511437 B 2022.07.12 CN 114511437 B 1.基于参考矩阵和LSB替换的水印嵌入和图像自恢复方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： A.实时采集原 始图像， 采用块划分方法将图像划分为 4×2或2×4大小的子块； B.生成水印的恢复位、 标志位和认证位； 具体过程 为： B1.恢复位的生成过程为： 如公式 （1） ， 对于每个子块， 计算出8个像素 px的平均值 P， 将P 转换成8位 二进制， 作为 一个子块的恢复位；                                   (1) 其中，px表示每个子块中第 x个像素； B2.标志位的生成过程为： 当嵌入恢复位时， 8位二进制恢复位首先被分为两组4位； 如 公式 （2） ， 判断每一组恢复位的十进制 r是否大于8， 如果 r大于8， 生成一个标志位 f=1， 此时 选择第二 参考矩阵嵌入水印； 否则， 生成一个标志位 f=0， 此时选择第一 参考矩阵嵌入水印；                                   (2) B3.认证位的生成过程 为： 采用SHA ‑256算法生成认证位， 生成认证位的过程如下： B31.对于已经嵌入恢复位和标志位的子块， 最后两对像素对的2位最低有效位被设置 为0； B32.将图像 的像素值、 子块编号和块索引作为SHA ‑256算法的输入， 以获得256位的哈 希值K； B33.取哈希值 K的前6位作为该子块的认证位； C.基于参 考矩阵和LSB替换将水印嵌入原 始图像； 所述参考矩阵包括第一参考矩阵和第二参考矩阵， 矩阵大小均为256 ×256； 第一参考 矩阵是以任意一点为中心形成的3 ×3大小的矩阵， 包含从0到8的9个数字， 对应于二进制数 值0000到1000； 第二参考矩阵是以任意一点为中心形成的3 ×3大小的矩阵， 包含从7到15的 9个数字， 对应于二进制数值0111到1111； 在传输过程中， 只需要传输其中一个参考矩阵， 接 收方根据获得的其中一个参 考矩阵自动计算出另一个参 考矩阵； 步骤C包括基于参 考矩阵和LSB的水印嵌入； 具体过程 为： C1.嵌入水印恢复位和标志位的具体过程 为： C11.基于步骤A中划分的子块， 计算每个子块的平均 值P作为恢复位， 将8位平均 值分为 两个4位组， 并转换为十进制； C12.使用密钥 k对每个主块中的恢复位进行置乱， 并将它 们嵌入到最远的主块中； C13.根据参 考矩阵嵌入 恢复位； 具体过程 为： C131.步骤A划分子块时会先将原始图像分成4个相同大小的主块， 从最远的主块中选 择一个4×2或2×4大小的子块， 该子块的前两对像素对 对应参考矩阵的两组坐标； C132.判断要嵌入的恢复位组是否大于8， 以选择不同的参 考矩阵进行嵌入； 如果恢复位组的十进制 r小于或等于8， 则像 素对 (px, px+1)对应到第一参考矩阵中， 以   (px, px+1)为中心形成一个3 ×3大小的矩 阵， 如果对应点的值是 r， 像素对不需要改变， 否权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114511437 B 2则， 在3×3矩阵中找到等于 r的值， 将( px, px+1)修改为 (px’, px+1’)来嵌入r； 同时产生一个 标志位0； 当 r大于8时，  (px, px+1)对应到第二参考矩阵中， 在以( px, px+1)为中心的3×3矩 阵中找到值 等于r对应的点( px’, px+1’)， 同时产生 一个标志位1； C133.将生成的两个标志位嵌入到 子块的第三个 像素对的倒数第二 最低有效位中； C2.嵌入水印认证位的具体过程 为： C21.在嵌入恢复位和标志位后， 子块中第三和第四个像素对的2位最低有效位被设置 为0用来生成认证位； C22.基于步骤B3， 利用图像的像素值、 子块编号和块索引生成一个6位的哈希值 K； C23.用生成的哈希值 K替换第三个像素对的最低有效位和第四个像素对的2位最低有 效位； D.通过提取 水印进行图像的篡改检测 和自恢复； 具体过程 为： D1.基于参 考矩阵和LSB进行 水印提取， 包括 提取恢复位、 标志位和认证位； D2.进行篡改检测 和定位， 篡改检测分为第一阶段、 第二阶段； D3.利用提取的恢复位 来恢复被篡改的子块， 最后得到恢复的图像。 2.根据权利要求1所述基于参考矩阵和LSB替换的水印嵌入和图像自恢 复方法， 其特征 在于， 所述步骤A中， 采用块划分方法划分图像的具体过程为： 首先将原始图像划分为4 ×2 的子块， 计算4 ×2子块的平均值用来 获得垂直恢复的图像； 然后， 将原始图像划分为2 ×4大 小的子块， 计算2 ×4子块的平均值用来 获得水平恢复的图像； 最后， 比较垂 直恢复的图像与 水平恢复的图像的PSNR， 若垂直恢复的图像的PSNR高于水平恢复的图像， 则将原始图像划 分为4×2的子块， 反 之， 将原始图像划分为2 ×4大小的子块。 3.根据权利要求1所述基于参考矩阵和LSB替换的水印嵌入和图像自恢 复方法， 其特征 在于， 所述 步骤D1的具体过程 为： D11.将接收到的图像按照步骤A划分为大小为 4×2或2×4的子块； D12.根据提出的参 考矩阵， 从子块的前两个 像素对中提取恢复位； 具体过程 为： D121.从子块中第三个 像素对中提取 标志位； D122.根据标志位， 确定分别嵌入前两个 像素对的4 位恢复位的十进制值是否大于8； D123.如果提取的标志位为0， 说明嵌入的信息小于8， 第一参考矩阵中的点  (px’,  px+1’)所对应的值就是嵌入的信息； 否则， 标志位为1， 说明嵌入的信息大于8， 第二参考矩阵 中的点 (px’, px+1’)所对应的值 就是嵌入的信息； D13.从子块中第三和第四个 像素对的2位 最低有效位中提取认证位。 4.根据权利要求3所述基于参考矩阵和LSB替换的水印嵌入和图像自恢 复方法， 其特征 在于， 所述 步骤D2的具体过程 为： D21.根据步骤B中恢复位、 认证位的生成过程， 基于得到的子块重新计算恢复位和认证 位； D22.篡改检测第 一阶段将提取的认证位与重新计算的认证位进行对比， 如果提取的认 证位与重新计算的认证位相同， 则认为该子块未被篡改； 否则， 则认为该子块被篡改； D23.篡改检测第 二阶段对比重新计算的恢复位和提取的恢复位， 当重新计算的恢复位 与提取的恢复位之间差值的绝对值大于阈值， 并且子块在步骤D22中被标记 为未被篡改， 则 将该块进一 步标记为被篡改。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114511437 B 3