CN117455748B

CN117455748B - 一种量子水印方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN117455748B
Application number: CN202311428346.7A
Authority: CN
Inventors: 林灿堂; 袁小晨; 邢政; 严肇基
Original assignee: Macau Polytechnic University
Current assignee: Macau Polytechnic University
Priority date: 2023-10-31
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2025-10-10
Anticipated expiration: 2043-10-31
Also published as: CN117455748A

Abstract

本发明公开了一种量子水印方法、装置、设备及存储介质，属于量子保密通信技术领域。本发明通过接收载体图像；基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像；基于量子水印提取算法对载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；根据载体量子图像信息进行图像提取，得到载体图像。本发明可以使量子水印图像均匀嵌入到载体图像中，并可以再通过相应算法进行载体图像的重新提取，实现了量子水印技术对载体图像的信息保护以及提高了量子水印技术的鲁棒性。

Description

一种量子水印方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，尤其涉及一种量子水印方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

随着信息科技的发展，拦截、访问、复制和篡改图像变得越来越容易。因此，怎样保护图像数据不被未授权访问已经成为一个热门的研究课题。目前，解决图像认证问题主要有两种方法：一种方法是图像密码系统，它把图像从一种可以识别的形式转换成另一种不可识别的形式；另一种方法是图像隐写，它通过把图像嵌入到载体媒介中来隐藏存在的信息。量子水印技术作为一种重要的图像隐写技术，已经取得了很大的进步。

尽管量子水印技术在保护知识产权和信息安全方面具有潜力，但量子水印技术在面对复杂的数字内容修改或转换时可能表现出鲁棒性不足的问题。因此，亟需一种可以提高鲁棒性的量子水印方法。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种量子水印方法、装置、设备及存储介质，旨在解决现有技术中鲁棒性不足的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种量子水印方法，所述方法包括以下步骤：

接收载体图像；

基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像；

基于量子水印提取算法对所述载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；

根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像。

可选地，基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤包括：

通过所述量子水印嵌入算法生成原始量子水印图像；

基于量子水印算法在嵌入前，对所述原始量子水印图像进行图像处理，得到所述量子水印图像；

将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像。

可选地，基于量子水印算法在嵌入前，对所述原始量子水印图像进行图像处理，得到所述量子水印图像，具体步骤包括：

将所述原始量子水印图像进行比特平面分解，得到多个量子水印子图像；

将多个量子水印子图像划分为特征子图像组和细节子图像组；

对所述特征子图像组中的量子水印子图像进行QEC编码，并使用GTA方法对QEC编码后的量子水印子图像以及所述细节子图像组中的量子水印子图像进行图像重构，得到所述量子水印图像。

可选地，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤包括：

读取载体图像的QMF值；

根据所述载体图像的QMF值和量子水印嵌入规则，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像。

可选地，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤还包括：

基于所述量子水印嵌入算法，在将所述量子水印图像嵌入所述载体图像的过程中，生成量子图像密钥。

可选地，基于量子水印提取算法对所述载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息，具体步骤包括：

基于所述量子水印提取算法读取所述载体量子图像中的量子图像密钥信息；

通过所述量子图像密钥信息确定所述量子图像密钥；

基于所述量子水印提取算法并根据所述量子图像密钥和所述载体量子图像得到所述载体量子图像信息。

可选地，根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像，具体步骤包括：

对所述载体量子图像信息进行相应的GTA逆变换，得到细节组比特平面信息和特征组比特平面信息；

根据所述细节组比特平面信息和特征组比特平面信息进行信息重组得到相应的载体图像信息；

根据所述载体图像信息进行量子测量得到所述载体图像。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种量子水印装置，所述量子水印装置包括：

图像接收模块：接收载体图像；

水印嵌入模块：基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像；

信息解析模块：基于量子水印提取算法对所述载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；

图像提取模块：根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种量子水印设备，所述量子水印设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的量子水印程序，所述量子水印程序配置为实现如上文所述的量子水印方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有量子水印程序，所述量子水印程序被处理器执行时实现如上文所述的量子水印方法的步骤。

本发明通过接收载体图像；基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像；基于量子水印提取算法对所述载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像。本发明可以使量子水印图像均匀嵌入到载体图像中，并可以再通过相应算法进行载体图像的重新提取，实现了量子水印技术对载体图像的信息保护以及提高了量子水印技术的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的量子水印设备的结构示意图；

图2为本发明量子水印方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明量子水印方法第二实施例的流程示意图；

图4为本发明量子水印方法第三实施例的流程示意图；

图5为本发明中量子水印嵌入流程图；

图6为本发明中量子水印嵌入实施规则表；

图7本发明量子水印方法第四实施例的流程示意图；

图8为本发明量子水印装置第一实施例的结构框图；

图9为本发明中量子水印提取流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的量子水印设备结构示意图。

如图1所示，该量子水印设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(Wireless-Fidelity，Wi-Fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，也可以是稳定的非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对量子水印设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及量子水印程序。

在图1所示的量子水印设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明量子水印设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在量子水印设备中，所述量子水印设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的量子水印程序，并执行本发明实施例提供的量子水印方法。

本发明实施例提供了一种量子水印方法，参照图2，图2为本发明一种量子水印方法第一实施例的流程示意图。

本实施例中，所述量子水印方法包括以下步骤：

步骤S10：接收载体图像；

可以理解的是，载体图像是一种适用于量子水印技术的待保护信息载体媒介，在具体实现中，可以通过将量子水印图像嵌入到这种载体媒介中来隐藏存在的信息。

步骤S20：基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像；

需要说明的是，在具体实现中，量子水印图像的嵌入过程具体包括两部分，第一部分是量子水印图像的生成，第二部分是将量子水印图像的信息嵌入到载体图像中。

步骤S30：基于量子水印提取算法对载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；

可以理解的是，在具体实现中，量子水印图像的提取过程具体也包括两部分，第一部分是量子水印信息的提取，第二部分则是载体图像的恢复。

步骤S40：根据载体量子图像信息进行图像提取，得到载体图像。

需要说明的是，在本实施例中，所有的图像变换操作包括量子水印图像的生成、嵌入以及提取等，都是基于NEQR(一种量子图像表现方法，Novel Enhanced Quantum ImageRepresentation)图像表示的量子态下完成的，并且在本实施例中的E均表示为：初始化值为0的量子二值图像，其用于存储各类水印信息。

本实施例通过接收载体图像；基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像；基于量子水印提取算法对载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；根据载体量子图像信息进行图像提取，得到载体图像。本实施例可以使量子水印图像均匀嵌入到载体图像中，并可以再通过相应算法进行载体图像的重新提取，实现了量子水印技术对载体图像的信息保护以及提高了量子水印技术的鲁棒性。

参考图3，图3为本发明一种量子水印方法第二实施例的流程示意图。

基于上述第一实施例，在本实施例中，所述步骤S20具体包括：

步骤S21：通过量子水印嵌入算法生成原始量子水印图像；

需要说明的是，在具体实现中，可以根据实际需求生成不同的原始量子水印图像，这些原始量子水印图像需要进一步的图像处理才能够嵌入到载体图像中，从而起到数据信息保护的作用。

步骤S22：基于量子水印算法在嵌入前，对所述原始量子水印图像进行图像处理，得到所述量子水印图像；

可以理解的是，在具体实现中，原始量子水印图像所进行的图像处理过程，具体是通过量子水印嵌入算法所涉及的量子电路实现的，包括比特平面分解量子电路和用于实施GTA方法的各模块量子电路等。

步骤S23：将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像。

还需说明的是，在具体实现中，得到的量子水印图像相较于原始量子水印图像体积更大，因此可以均匀的嵌入到载体图像中，从而最终得到载体量子图像。

本实施例通过量子水印嵌入算法生成了相应的量子水印图像，并将量子水印图像进一步嵌入到载体图像中，完成了量子水印图像的嵌入过程，得到了载体量子图像。

参考图4和图5，图4为本发明一种量子水印方法第三实施例的流程示意图，图5为本发明中量子水印嵌入流程图。

基于上述第二实施例，在本实施例中，所述步骤S22具体包括：

步骤S221：将原始量子水印图像进行比特平面分解，得到多个量子水印子图像；

需要说明的是，在具体实现中，原始量子水印图片会通过比特平面分解量子电路进行比特平面分解，其具体过程例如：将量子水印图像W进行比特平面分解，得到8个比特平面w1,w2,...,w8。

步骤S222：将多个量子水印子图像划分为特征子图像组和细节子图像组；

可以理解的是，通过上述方法分解得到的多个量子水印子图像需要被分为两组，例如：特征子图像组和细节子图像组，其中特征子图像组包括，4个MSB(最高有效位，MostSignificant Bit)平面w5、w6、w7以及w8；细节子图像组包括，4个LSB(最低有效位，LeastSignificant Bit)平面w1、w2、w3以及w4。

步骤S223：对特征子图像组中的量子水印子图像进行QEC(量子纠错，QuantumError Correction)编码，并使用GTA(图像组装的几何变换，Geometric TransformationofImageAssembling)方法对QEC编码后的量子水印子图像以及细节子图像组中的量子水印子图像进行图像重构，得到量子水印图像。

需要说明的是，QEC编码的作用是使量子水印子图像的体积进行扩展，例如：通过QEC编码可以使特征子图像组中的量子水印子图像的体积扩展为原始量子水印图像的三倍。

还需说明的是，在具体实现中，GTA方法包括图像拼接QIS(量子图像缝合，QuantumImage Suturing)方法以及两种可选的图像变换方法：全局变换的QIR(量子图像旋转，Quantum Image Rotation)和区域变换的QBR(量子块旋转，Quantum Block Rotation)。例如：当特征子图像组包括有四个量子水印子图像时，图像拼接QIS的作用是将四个相等尺寸的量子水印子图像合并为一个四倍大的新图像；全局变换的QIR作用是实现图像的整体旋转；区域变换的QBR作用则是将图像划分为四个相等的区块，每个区块进行不同角度的旋转，从而实现不同于QIR的局部几何变换。

可以理解的是，由于GTA方法中包括有两种可选的图像变换方法，因此可以存在相应的两种量子水印方案，记为GTA_QIR和GTA_QBR，前者在量子操作上更加简单，而后者在量子操作上要更加复杂一些。

本实施例使用QEC编码和GTA方法对量子水印子图像进行图像重构，完成了量子水印图像的生成过程，得到了量子水印图像。

进一步地，将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像，具体步骤包括：读取载体图像的QMF值；根据载体图像的QMF值和量子水印嵌入规则，将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像。

需要说明的是，参考图6，图6为量子水印嵌入实施规则表，量子水印图像嵌入到载体量子图像的具体过程是：依据载体图像像素的QMF(量子多数查找器，Quantum MajorityFinder)值，结合提出的嵌入规则，均匀的将水印信息替换载体图像的最后3个LSB，从而实现量子水印信息的嵌入。嵌入规则的具体使用过程，例如：利用提出的QMF得到载体图像的每个像素的V⁵ _QMF，QMF是用于查找由2n+1(n为正整数)个量子基态组成的量子序列的多数量子比特。其中，V⁵ _QMF是指示嵌入和提取规则的指标。

进一步地，将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像，具体步骤还包括：基于量子水印嵌入算法，在将量子水印图像嵌入载体图像的过程中，生成量子图像密钥。

可以理解的是，图像密钥具体作用是：在水印提取时被应用，协助提取出水印信息。

进一步地，基于量子水印提取算法对载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息，具体步骤包括：基于量子水印提取算法读取载体量子图像中的量子图像密钥信息；通过量子图像密钥信息确定量子图像密钥；基于量子水印提取算法并根据量子图像密钥和载体量子图像得到载体量子图像信息。

需要说明的是，在具体实现中，量子水印的提取过程具体包括：将图像密钥和嵌入水印的载体量子图像一同输入到量子水印提取电路中，从而得到多个GTA处理过的量子水印子图像，再分别对量子水印子图像进行相应的GTA逆变换得到多个比特平面，这些比特平面中的部分比特平面，需要先经过QEC解码得到特征组比特平面，再和另一部分比特平面一起进行相应的GTA逆变换得到细节组比特平面，从而最终通过比特平面重组获得要提取的水印图像信息。例如：将图像密钥K和嵌入水印的载体图像W一同输入量子水印提取电路中，可得到四个GTA处理水印WA，WB，WC和WD，再将提取出的WA，WB，WC和WD分别进行相应的GTA逆变换得到16个比特平面，其中WA，WB和WC所产生的12个比特平面分别经过QEC解码可得到四个水印图像的特征组比特平面，最后这四个特征组比特平面和WD一起进行相应的GTA逆变换得到4个细节组比特平面，最终再通过比特平面重组获得要提取的水印图像信息。

参考图7和图9，图7为本发明一种量子水印方法第四实施例的流程示意图，图9为本发明中量子水印提取流程图。

基于上述第一实施例，在本实施例中，所述步骤S40具体包括：

步骤S41：对载体量子图像信息进行相应的GTA逆变换，得到细节组比特平面信息和特征组比特平面信息；

需要说明的是，在具体实现中，GTA逆变换是相对于GTA方法的逆序执行过程。

步骤S42：根据细节组比特平面信息和特征组比特平面信息进行信息重组得到相应的载体图像信息；

可以理解的是，载体图像信息具体是载体图像的特征信息，可用于执行后续的量子测量操作，进而得到载体图像。

步骤S43：根据载体图像信息进行量子测量得到载体图像。

需要说明的是，在本实施例中，将载体图像信息变为可视化的载体图像需要进行量子测量操作，即量子测量的具体作用是将量子电路的输出结果“载体图像信息”，恢复为可视化的载体图像。

本实施例通过GTA逆变换方法对载体量子图像信息进行处理，得到了相应的载体图像信息，进而再通过量子测量的方法得到了载体图像，完成了载体图像的恢复过程。

此外，本发明实施例还提出一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有量子水印程序，所述量子水印程序被处理器执行时实现如上文所述的量子水印方法的步骤。

此外，本发明实施例还提出一种量子水印设备，所述量子水印设备中包括有应用于如上文所述的量子水印方法的量子水印装置。

由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

参照图8，图8为本发明量子水印装置第一实施例的结构框图。

如图8所示，本发明实施例提出的量子水印装置包括：

图像接收模块10：接收载体图像；

水印嵌入模块20：基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将量子水印图像嵌入载体图像中得到载体量子图像；

信息解析模块30：基于量子水印提取算法对载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息；

图像提取模块40：根据载体量子图像信息进行图像提取，得到载体图像。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的量子水印方法，此处不再赘述。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器(Read Only Memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种量子水印方法，其特征在于，包括：

接收载体图像；

根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像；

基于量子水印嵌入算法生成量子水印图像，并将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤包括：

通过所述量子水印嵌入算法生成原始量子水印图像；

将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像；

基于量子水印算法在嵌入前，对所述原始量子水印图像进行图像处理，得到所述量子水印图像，具体步骤包括：

对所述特征子图像组中的量子水印子图像进行量子纠错QEC编码，并使用图像组装的几何变换方法即GTA方法对QEC编码后的量子水印子图像以及所述细节子图像组中的量子水印子图像进行图像重构，得到所述量子水印图像，所述GTA方法包括图像拼接的量子图像缝合QIS方法、全局变换的量子图像旋转QIR方法和区域变换的量子块旋转QBR方法。

2.根据权利要求1所述的量子水印方法，其特征在于，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤包括：

读取载体图像的QMF值即量子多数查找器值；

根据所述载体图像的QMF值和量子水印嵌入规则，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像；

所述QMF是用于查找由2n+1个量子基态组成的量子序列的多数量子比特，其中，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的量子水印方法，其特征在于，将所述量子水印图像嵌入所述载体图像中得到载体量子图像，具体步骤还包括：

4.根据权利要求1所述的量子水印方法，其特征在于，基于量子水印提取算法对所述载体量子图像进行读取和解析，得到载体量子图像信息，具体步骤包括：

通过所述量子图像密钥信息确定所述量子图像密钥；

5.根据权利要求1所述的量子水印方法，其特征在于，根据所述载体量子图像信息进行图像提取，得到所述载体图像，具体步骤包括：

根据所述载体图像信息进行量子测量得到所述载体图像。

6.一种应用权利要求1-5中任一所述的量子水印方法的量子水印装置，其特征在于，所述量子水印装置包括：

图像接收模块：接收载体图像；

7.一种量子水印设备，其特征在于，所述量子水印设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的量子水印程序，所述量子水印程序配置为实现根据权利要求1至5中任一项所述的量子水印方法。

8.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，计算机程序被处理器执行时能够实现权利要求1至5任一项所述的量子水印方法中的步骤。