the 基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印技術研究3 guid

1、2005年 4月 第 41卷 第 2期 北京師范大學學報 (自然科學版 Journal of Beijing Nor mal University (Natural Science Ap r . 2005Vol . 41 No . 2基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印技術研究3賈淑蕓 黃榮懷 溫孝東 葉衛(wèi)平(北京師范大學信息科學學院 , 100875, 北京 摘要 為了進一步增加水印系統(tǒng)的安全性 , 對經(jīng)過置亂變換的二值數(shù)字圖像水印用時空混沌技術進行加密 , 使攻擊 者無法解讀嵌入的水印 .關鍵詞 數(shù)字水印 ; 置亂變換 ; 混沌加密 ; 小波變換 分類號 TP 391. 41 3“ 八六三 ”

2、 國家高技術研究發(fā)展計劃基金資助項目 (2001AA144130 通訊作者收稿日期 :2004209217 近年來 , 多媒體技術與 I nternet 技術發(fā)展迅速 , 極大地改變了出版 、 商務 、 通訊等行業(yè)的運作方式 , 也極 大地改變了人們的生活方式 . 多媒體制作領域逐漸繁 榮 , 各種形式的多媒體作品包括音頻 、 視頻 、 動畫 、 圖像 等紛紛以網(wǎng)絡形式發(fā)布 . 但是 , 互連網(wǎng)絡逐漸普及的副 作用也十分明顯 :作品侵權更加容易 、 篡改更加方便 . 任何人都可以借助一臺普通的個人計算機和一根電話 線 , 通過網(wǎng)絡輕易取得他人的原創(chuàng)作品 , 尤其是數(shù)字化 的圖像 、 音樂 、

3、電影等等 , 甚至不經(jīng)作者的同意而任意 復制 、 修改和發(fā)行 , 從而侵害了創(chuàng)作者的著作權 . 因此 網(wǎng)絡多媒體作品的版權保護問題 , 成了一項重要而緊 迫的研究課題 . 數(shù)字水印技術正是為了解決這一問題 而產(chǎn)生的 .然而 , 當今的一些數(shù)字水印技術由于沒有采取加 密措施 , 對于非授權者來講 , 容易獲取嵌入的數(shù)字水 印 , 并進行篡改 , 從而影響水印的安全性 . 使用本文介 紹的加密方法 , 對經(jīng)過置亂變換的水印再用混沌技術 進行加密 , 在密鑰未知的前提下 , 非授權者無法獲取嵌 入的數(shù)字水印 , 從而提高了水印系統(tǒng)的安全性 .1 基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印算法1 數(shù)字圖像水印

4、數(shù)字水印1是永久鑲嵌在其他數(shù)據(jù) (宿主數(shù)據(jù) 中具有可鑒別性的數(shù)字信號或模 式 , 而且并不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性 . 由于二維水印可以是一幅小的二值數(shù)字圖像 , 該圖像的內容表明數(shù)字 產(chǎn)品的版權信息 , 因此具有特別意義 . 本文主要對二值 圖像 (大小為 32×32 水印進行研究 .2 數(shù)字圖像水印技術指標 如何設計一套完美 的數(shù)字水印算法 , 并伴隨以制訂相應的安全體系結構和標準 , 從而實現(xiàn)真正實用的版權保護方案 , 是信息隱 藏技術最具挑戰(zhàn)性也最具吸引力的一個課題2. 一般意義上認為 , 數(shù)字水印應具有較好的安全性 、 可證明 性 、 不可感知性和魯棒性 .3 基于小波變換 (

5、DW T 的數(shù)字圖像水印技術 小波域算法要先用小波變換把圖像分解成一個低頻近 似圖像和各個分辨率下 3個方向上的高頻細節(jié)圖像 , 結合小波域的人眼視覺特性 , 把要隱藏的水印加入到 各個高頻子帶中325, 以達到人類視覺系統(tǒng)不可感知的目的 . 文獻 6給出了一種新穎而簡單的算法 , 本文在 設計系統(tǒng)時借鑒了這一水印嵌入方法 .本文使用的載體圖像為 512×512的標準 LENA 灰 度圖 , 因此使用 4級小波變換 , 得到一個 32×32的逼近 子圖 .4 數(shù)字圖像水印的置亂變換 置亂技術是隨著信息的安全與保密被重視而發(fā)展起來的圖像加密技 術 . 目前 , 常用的技術主要

6、有以下幾種 :A rnold 變換 、 幻 方 、 H ilbert 曲線 、 Conway 游戲 、 Gray 變換等方法 . 隨著 近年來數(shù)字水印技術的興起 , 將置亂技術應用于水印 系統(tǒng) , 通過置亂變換盡可能地分散錯誤比特的分布 , 提 高數(shù)字水印的視覺效果來增強數(shù)字水印的魯棒性7.本文中 , 我們采用基于 A rnold 變換的數(shù)字圖像置亂技術 :設有單位正方形上的點 (x, y , 將點 (x, y 變到 另一點 (x , y 的變換為 x=1, 1, (mod 1 . (1反復進行這一變換 , 可以得到迭代程序 :P n +1x , y =A P nx, y (mod N , n

7、 =0, 1, 2, . (2將數(shù)字圖像視為一個矩陣 , 則經(jīng)過 A rnold 變換后的圖 像會變得混亂不堪 . 但繼續(xù)使用 A rnold 變換 , 一定會出 第 2期 賈淑蕓等 :基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印技術研究 147 現(xiàn)一幅與原圖相同的圖像 , 即 A rnold 變換具有周期性 8.5 水印的時空混沌加密 為了提高系統(tǒng)的安全性 , 我們使用時空混沌系統(tǒng)對二維簽名進行混沌加密 .加密后的水印呈現(xiàn)出一種類隨機性 .本文我 們 采 用 了 單 向 耦 合 映 射 格 點 時 空 混 沌(OCRML 系統(tǒng)來產(chǎn)生用作加密簽名水印信息的混沌二值序列 9. 該系統(tǒng)的描述方程如下 :x i

8、 (n +1 =(1-i f (x i (n +i f (x i-1(n , i =2, , 10x 1(n +1 =(1-i f (x 1(n +i f (x 10(n ,(3式中 :n 代表離散時間 ; i 代表空間格點的位置 ; i為第i 個空間格點的耦合參數(shù) , 取值范圍為 0. 9, 1;OCR ML系統(tǒng)的長度為 10; 函數(shù) f ( 的定義為 f (x =4x (1-x .以系統(tǒng)中的任何一個空間格點輸出的 0, 1之間的混沌實值序列為基礎 , 利用常用的二值序列的產(chǎn)生方法 10來生成 0,1二值序列 . 記第 k 個空間格點的輸出隨時 間 n 演 化 得 到 的 (0, 1 實 值

9、 混 沌 序 列 為x k, n , 實數(shù) x k, n 可以用二進制表示為|x k, n |=b 1(x k, n b 2(x k, n b i (x k, n b m (x k, n , (4式中 b i (xk, n表示二進制數(shù)中的第 i 個小數(shù)位 , 可以用 b i (x k, n =sng 1/2(2i-1|x k, n |-2i-1|x k, n | , (5來計算 . 式 (5 中 表示下取整運算 , sng 是符號函 數(shù) . 若對于混沌序列 xk, n中的每個實值都取其第 i 位 作為編碼位 , 這樣就可以得到 0,1二值序列b i (x k, 1 , b i (x k, 2

10、, b i (x k, 3 , .(6 然后用此二值混沌序列對簽名水印進行混沌加密 , 生成最后的二值簽名水印 . 取二值圖像水印為 32×32, 那么從式 (6 的序列中某個元素開始取出 32×32(1 024 個值用作混沌加密序列 . 記為 K =k 1, k 2, , k 1024. 因為時空混沌系統(tǒng)對初值非常敏感 , 故這一序列 可用格點的初始值作為混沌系統(tǒng)的密鑰 .由于 OCR ML 系統(tǒng)產(chǎn)生的時空混沌序列具有很好 的隨機性 、 平衡性 、 對初始的敏感性 、 游程分布特性 等 11212, 時空混沌序列密碼具有很高的安全性 .2 實驗檢測結果2. 1 圖像水印的

11、嵌入和提取 先設計一個有意義的 用作表示版權信息的二值簽名圖像水印 (如圖 12a 、 然 后利用 A rnold 矩陣置亂技術對要嵌入的二值簽名圖像 進行置亂預處理 (圖 12b , 再使用時空混沌序列對置亂 后的水印進行加密 , 生成要嵌入在原始圖像數(shù)據(jù)文件 中的最終水印 (圖 12c . 一個數(shù)字水印系統(tǒng)的提取算法 與嵌入在步驟上是一一對應的逆過程 , 這里就不再贅 述了 . 簽名水印的恢復不需要原始圖像的輔助 , 是一種 盲水印技術 , 因此在實際應用過程中是非常方便的 . 載 體圖像和嵌入了水印的灰度圖見圖 2.a b c圖 1 二值水印圖像a 原始 Lena 圖像 b 水印 Len

12、a 圖像圖 2 載體圖像 L ena 圖像 圖 1中 , a 是欲嵌入的簽名水印 , b 為二值簽名圖 像經(jīng)過置亂處理后的水印圖 . c 為混沌加密后水印 . 未 受攻擊時提取的混沌水印與 c 相同 , 解混沌后的水印 與 b 相同 , 去置亂后的水印與 a 相同 .可以看出 :嵌入二值簽名圖像后的水印圖像很難 感覺到嵌入的水印痕跡 , 完全滿足水印的不可視性要 求 . 數(shù)字圖像水印經(jīng) A rnold 變換后變得混亂不堪 . 經(jīng)混 沌技術加密后圖像表現(xiàn)出與噪聲相似的隨機性和“ 0” 、 “ 1” 均勻分布的特性 . 經(jīng)過試驗 , 在水印圖像未受任何 攻擊時 , 嵌入的簽名水印能完全恢復 .2.

13、 2 水印圖像的魯棒性實驗結果 可以使用一些常 用的工具產(chǎn)生基本的處理操作 , 如濾波 、 旋轉 、 尺寸變 化 、 剪切 、 有損壓縮等 . 下面應用 MAT LAB 平臺從幾個 方面檢驗本水印算法的魯棒性 .1 添加椒鹽噪聲再進行中值濾波 . 首先在水印圖 像中加入?yún)?shù) 0. 2的椒鹽噪聲 , 再使用 3, 3窗口的中 值濾波器進行濾波 , 最后檢測水印 . 水印圖像及水印檢 測結果如圖 3所示 .2 添加高斯噪聲再進行去噪 (自適應 濾波 . 首先 在水印圖像中加入均值為 0, 方差為 0. 005的 Gauss 噪 聲 , 再使用 5, 5窗口的自適應濾波器進行去噪濾波 , 最后檢測水

14、印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 4所示 . 148 北京師范大學學報 (自然科學版 第 41卷 a 加入了椒鹽噪聲 b 經(jīng)過中值濾波 c 檢測出的水印 圖 3添加椒鹽噪聲再進行中值濾波 a 加入了 Gauss 噪聲 b 經(jīng)過去噪濾波 c 檢測出的水印圖 4 添加高斯噪聲再進行去噪濾波3 亮度和對比度調節(jié) . 對嵌入水印后圖像的亮度和對比度進行調節(jié)再恢復到原亮度和對比度 , 最后檢 測水印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 5所示. a 調低亮度和對比度 b 檢測出的水印圖 5 亮度和對比度調節(jié)實驗4 抖動處理 . 對水印圖像進行抖動處理后檢測水印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 6所示. a

15、 抖動處理 b 檢測出的水印圖 6 抖動處理實驗5 JPEG 壓縮 . 對水印圖像進行 7%的 JPEG 壓縮編碼處理后檢測水印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 7所示 .6 剪切攻擊 . 對水印圖像進行剪切后檢測水印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 8所示 .7 縮放旋轉 . 將水印圖像進行放大 2倍并旋轉 a JPEG 壓縮 b 檢測出的水印圖 7 JPEG壓縮實驗 a 剪切 b 檢測出的水印圖 8 剪切實驗10°后再恢復到原尺寸和方向 , 最后檢測水印 . 水印圖像及水印檢測結果如圖 9所示. a 放大并旋轉 b 檢測出的水印圖 9 放大并旋轉實驗以上結果表明 :在水印圖像中添

16、加椒鹽噪聲再進行中值濾波或調節(jié)水印圖像的亮度和對比度 , 嵌入的 簽名水印能完全恢復 ; 在水印圖像中添加 Gauss 噪聲再 進行去噪濾波 、 對水印圖像進行抖動處理或對水印圖 像進行放大并旋轉處理 , 嵌入的簽名水印能滿意地恢 復 ; 對水印圖像進行 7%的 JPEG 壓縮編碼處理或對水 印圖像進行小部分剪切 , 嵌入的簽名水印也能有效地 得以恢復 .3 總結實驗結果說明本文介紹的基于置亂變換和混沌加 密技術的二維圖像水印經(jīng)過載體圖像的信號處理變 換 , 如噪聲 、 濾波 、 JPEG 壓縮 、 以及幾何變換 , 如剪切 、 旋轉 、 尺度變換 , 仍然能被提取和檢測出來 , 因此具有 很

17、好的可證明性和很強的魯棒性 . 嵌入水印導致圖像 的變化對觀察者的視覺系統(tǒng)來講是不可察覺的 , 因此 具有良好的不可見性 . 基于時空混沌的加密圖像技術 第 2期 賈淑蕓等 :基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印技術研究 149 保證了水印圖像系統(tǒng)具有較高的安全性 .4 參考文獻1 陳明奇 , 鈕心忻 , 楊義先 . 數(shù)字水印的研究進展和應用 J .通信學報 , 2001, 22(5 :712 Ruanaidh J, Pun T . Rotati on, scale and translati on invaiant digital i m age water marking C Pr oceed

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