基于半色调水印的抗打印-扫描攻击图像色彩传递和恢复技术研究

现有的图像色彩传递是指利用一幅或多幅数字彩色图像的色彩信息给另一幅数字灰度图像进行着色的技术。本项目研究的是基于半色调水印的抗打印-扫描攻击的图像色彩传递和恢复技术。即一幅彩色数字图像在普通打印机输出时，自动将其色彩信息作为不可见水印信息嵌入在输出的灰度图像硬拷贝中。当扫描这幅含有水印的硬拷贝时，提取隐藏在其中的色彩信息并同时对数字灰度图像进行着色，以达到色彩传递和恢复的目的。与传统的色彩传递技术不同，本项目研究的是一幅数字彩色图像和及其硬拷贝灰度图像之间的色彩传递，而且用于着色的色彩来自于原始彩色图像本身，这是大部分现有技术所不能直接应用的。因此，本课题具有很强的应用背景和广泛的应用前景，其中涉及的打印－扫描建模、鲁棒半色调图像水印算法等关键科学问题也具有重要的理论研究意义。

本项目重点开展基于半色调水印的抗打印-扫描攻击图像色彩传递和恢复技术研究，主要完成的研究内容及取得的成果包括：(1) 创新性地将图像色彩传递与恢复问题归结为图像可逆信息隐藏问题，提出了两者之间的内在关联架构，即将色彩传递等效为不可见秘密信息的嵌入，而将色彩恢复等效为秘密信息的提取与重构。此外，在此架构下，着重分析了需要解决的核心问题所在，即高容量高保真度可逆水印算法。具体来说，课题组提出了三种高性能可逆水印算法。① 提出了基于区块内部中值保持的高容量可逆水印算法。相对于基于区块处理的同类型算法，本课题提出的方法在嵌入容量上有明显提升，同时色彩数据的嵌入对原始图像引入的失真也大幅降低。该研究成果发表已被同行他引21次。② 提出了基于多级直方图移位和顺序恢复的可逆水印算法。相比同类型基于直方图移位的算法，该方法在嵌入容量上平均可提升0.1bpp，而量化失真度的峰值信噪比指标可下降1dB左右。该研究成果已被同行他引12次。③ 提出了基于混合预测和交替直方图移位的可逆水印算法。由于该方法采用了单像素启动嵌入与提取机制，性能指标相比前两种方法进一步提高，与国际先进算法相比，在嵌入容量上平均提升0.2bpp的同时，峰值信噪比指标下降2dB左右。该研究成果在线发表在国际知名SCI期刊Signal, Image and Video Processing上。(2) 创新性地将将图像色彩传递与恢复问题转化为图像可逆秘密分享问题，一方面，通过秘密分享来将半色调色彩信息隐藏在载体图像中，另一方面，通过可逆性来保证色彩信息的恢复并对图像进行重新着色。这部分工作成果主要包括：① 提出了一种高容量可逆秘密分享算法，该算法在现有秘密分享架构基础上，通过突破可逆性和高嵌入容量两个关键技术来实现色彩传递与恢复。该研究成果在线发表在国际知名SCI期刊International Journal of Innovative Computing, Information and Control当年影响因子2.932。② 提出了一种基于基矩阵剖分的可逆秘密分享算法，该方法可允许不同用户对载体图像进行不同的色彩传递与恢复，为各自的知识产权保护提供了可行性。该研究成果已被国际知名SCI期刊Measurement录用待发表。综上所述，本课题已完成研究内容，总体上达到预期研究目标，后继还需要对部分指标进行分析与优化。