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。