基于混沌加密的DCT域灰度級(jí)盲水印算法

1、基于混沌加密的DCT域灰度級(jí)盲水印算法摘 要：提出一種混沌加密的DCT域灰度級(jí)盲水印算法。該算法利用80位外部密鑰和兩個(gè)混沌序列加密水印圖像，為保證水印圖像的平安性，兩個(gè)混沌映射初始條件由外部密鑰經(jīng)過分組和數(shù)學(xué)變換提供，且動(dòng)態(tài)變化。加密后的水印圖像再經(jīng)過灰度處理后嵌入到數(shù)字圖像之中。仿真實(shí)驗(yàn)說明，該算法對(duì)圖像信號(hào)處理和幾何失真有較好魯棒性，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下版權(quán)保護(hù)和多媒體數(shù)據(jù)認(rèn)證之中。關(guān)鍵詞：混沌加密;DCT域;盲水印;灰度級(jí)中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302202101-00-030 引 言作為傳統(tǒng)密碼學(xué)的有效補(bǔ)充，數(shù)字水印技術(shù)被認(rèn)為是解決數(shù)字化時(shí)代數(shù)字作

2、品版權(quán)保護(hù)的一個(gè)重要手段，并成為信息平安領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)1。早期研究的水印多以嵌入一個(gè)無意義的一維或二維偽隨機(jī)序列為主，之后逐漸開展到嵌入一個(gè)具有可視性的水印圖像2。二值水印圖像或者灰度水印圖像嵌入的數(shù)據(jù)量更多，而且由于人眼在直覺上對(duì)圖像最為敏感，一維或二維偽隨機(jī)序列顯然不如二值水印圖像或灰度水印圖像更容易識(shí)別3。此外，灰度水印較二值水印嵌入的數(shù)據(jù)量大，不但嵌入難度高，而且難于實(shí)現(xiàn)盲提取，在進(jìn)步水印嵌入魯棒性的同時(shí)，也降低了其透明性，所以許多學(xué)者對(duì)灰度水印進(jìn)展了預(yù)處理以減少數(shù)據(jù)的嵌入量。一個(gè)好的數(shù)字水印算法應(yīng)該折中的考慮水印的不可見性和魯棒性。然而現(xiàn)有的水印加密的方法多數(shù)為用一個(gè)混沌序列與水印圖

3、像進(jìn)展一定的位運(yùn)算進(jìn)展簡(jiǎn)單的加密，可以很容易被直觀地提取出來，在平安性上存在很大風(fēng)險(xiǎn)。而假設(shè)對(duì)水印的加密過于復(fù)雜的話，那么其在恢復(fù)的時(shí)候比較困難;通過改變連續(xù)序列數(shù)據(jù)分布特征實(shí)現(xiàn)水印的嵌入，魯棒性較好，但只能對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)適用，限制了水印嵌入容量4。另外根據(jù)工作域不同還有空域法和變換域法5，空域水印直接修改圖像的像素，該類算法最大特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低、但魯棒性較差6-7。變換域算法是對(duì)圖像進(jìn)展各種各樣的變換后嵌入水印，相對(duì)于空域水印算法，變換域算法中水印信號(hào)能量可以分布到所有像素上，有利于保證水印不可見性;可以較方便地結(jié)合HVS Human vision system，有利于進(jìn)步魯棒性8

4、。為了加強(qiáng)水印的平安性、不可見性和魯棒性，本文提出了一種基于混沌加密的 DCTDiscrete Cosine Transform域灰度級(jí)盲水印算法，首先用兩個(gè)混沌序列置亂水印，然后把水印文件分解成二值序列嵌入到選定DCT塊的選定系數(shù)中實(shí)現(xiàn)水印文件的嵌入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該算法有效，在沒有壓縮灰度水印數(shù)據(jù)量的情況下對(duì)JPEG 壓縮、剪切等圖像處理有較好魯棒性。1 基于混沌映射的水印加密混沌是非線性系統(tǒng)出現(xiàn)的類似隨機(jī)的動(dòng)力學(xué)過程，具有初值敏感性、非周期性、連續(xù)寬帶頻譜及類似噪聲的特性，使它具有天然的隱蔽性。混沌序列具有接近函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)和零互相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，遍歷統(tǒng)計(jì)特性類似于白噪聲，因此可被應(yīng)用

5、于數(shù)字通信、多媒體數(shù)據(jù)平安和水印之中，以加強(qiáng)信息和水印的平安性。水印加密是利用外部秘鑰通過對(duì)密進(jìn)展鑰分組和數(shù)學(xué)變換來確定混沌映射的初始條件X0、Y0，產(chǎn)生兩個(gè)混沌序列X、Y。第一個(gè)序列用于和水印圖像進(jìn)展異或運(yùn)算對(duì)水印圖像進(jìn)展數(shù)據(jù)的置亂每次8 b，第二個(gè)序列用來決定給像素中的R、G、B都占8 b中的哪一位與第一個(gè)混沌序列進(jìn)展位運(yùn)算。置亂后的水印圖像再經(jīng)過灰度處理后嵌入到圖像文件中。本文以Logistic映射為例演示混沌序列加密水印算法，詳細(xì)步驟如下：第一步，應(yīng)用一個(gè)80 b長的外部密鑰，每4 b分成一個(gè)秘鑰塊：K=k1k2k3k20HEX格式 1ki是0-9，A-F。另外，每8 b分成一個(gè)秘鑰塊

6、表示如下，其中Ki代表第i個(gè)密鑰塊：K=K1K2K10ASCII格式 2第二步，利用Logistic映射產(chǎn)生兩個(gè)混沌密鑰序列Xn、Yn用來置亂水印圖像：Xn+1=Xn1-Xn 3Yn+1=Yn1-Yn 4混沌序列的初始值X0、Y0通過下面的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到。第三步，計(jì)算初始條件X0，選擇式2中三個(gè)密鑰模塊如：K1K2K3并把其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格式B1：B1=K1K2K3 5 Kij是第i個(gè)密鑰模塊第j個(gè)bit位0或1，用上面二進(jìn)制形式計(jì)算實(shí)數(shù)X019：X01=B110/224=K4120+K4221+K4827+K5128+K5229+K58215+K61216+K62217+K68223/224 6

7、用如下公式計(jì)算得出X02，其中的 ki 是式1中十六進(jìn)制表示的塊：X02=k13+k14+k15+k16+k17+k1810/96 7根據(jù)式6、式7計(jì)算的X01和X02，利用以下算法可得映射3的初值X0：X0=X01+X02mod 1 8第四步，根據(jù)計(jì)算獲得的X0和式3產(chǎn)生一個(gè)混沌序列，其中取出區(qū)間0.1，0.9內(nèi)的4個(gè)迭代值構(gòu)成一個(gè)實(shí)數(shù)序列f1， f2， f4，再把該實(shí)數(shù)序列用下式轉(zhuǎn)換成整數(shù)序列，如式9所示，其中int表示整數(shù)轉(zhuǎn)換，第k個(gè)整數(shù)為9：Pk=int23fk-0.1/0.8+1 k=1，2，4 9第五步，計(jì)算第二個(gè)混沌序列的初始狀態(tài)Y0，選擇三個(gè)密鑰模塊轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式：B2=K1

8、K2K3 10Kij是第i個(gè)密鑰模塊第j個(gè)bit位0或1，用上面二進(jìn)制形式計(jì)算實(shí)數(shù)Y01：Y01=B210/24 11Y02用如下公式計(jì)算得到：12B2Pk表示B2中第Pk個(gè)bit位的二進(jìn)制值0或1，映射4的初始值表示如下：Y0=Y01+Y02mod 1 13第六步，利用初始條件Y0和式4迭代產(chǎn)生一個(gè)混沌序列y1，y2，y3，y4，yn。對(duì)序列的每個(gè)值都擴(kuò)大十倍后取整，然后對(duì)每個(gè)值對(duì)3取余，詳細(xì)表示如式14所示：vn=intyn10mod 3 14序列vn決定R、G、B與第一個(gè)混沌迭代產(chǎn)生的實(shí)數(shù)序列進(jìn)展位運(yùn)算，如式15所示。從文件中取一個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，放入大小為3的數(shù)組Val中，R放入Val0

9、，G放入Val1，B放入Val2。序列vn其值為0、1、2序列決定R、G、B中的與fi 第一個(gè)混沌序列產(chǎn)生的迭代值中的那一個(gè)進(jìn)展異或操作。其中的char表示取實(shí)數(shù)的低八位。Valj=Valjcharfij=0，1，2，jvn 15第七步，水印文件的像素模塊加密以后，用如下方程更改K1K9密鑰，Ki10=Ki10+K1010mod 256 1i9 16用上式修改密鑰后，取步驟4中迭代產(chǎn)生的實(shí)數(shù)序列中的 f4作為第一個(gè)混沌映射的初始條件即X0=f4再次生成一個(gè)新的4位實(shí)數(shù)序列，之后重復(fù)步驟57，直到水印文件處理完畢。2 DCT域灰度級(jí)盲水印算法2.1 灰度級(jí)水印預(yù)處理經(jīng)過1產(chǎn)生的加密水印圖像文件為

10、設(shè)為W，大小為MN。對(duì)W每個(gè)像素值Wi，j，i=1，2，M，j=1，2，N，按位分解為二進(jìn)制，得到一個(gè)長度為MN8的一維二值水印嵌入序列。2.2 水印嵌入將原始灰度圖像按88進(jìn)展分塊然后進(jìn)展DCT變換。為較好地滿足水印的穩(wěn)健性和不可見性，選擇將水印嵌入到DCT中頻系數(shù)中10。詳細(xì)步驟如下：1設(shè)W為192192的原始圖像數(shù)據(jù)矩陣，將W按88進(jìn)展分塊，每塊大小為2424。對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)展DCT變換，即I=DCT 2I。2將W的像素值分別嵌入到24個(gè)88的塊中，并按加性原那么嵌入在中頻位置。將水印信息分別嵌入到每個(gè)塊的第x，y系數(shù)上，即Idx，y=kWi，j，k為嵌入強(qiáng)度。 3水印嵌入后，對(duì)圖像進(jìn)展離

11、散余弦逆變換，即I=IDCTId，這樣就得到含水印的圖像。2.3 水印提取水印提取算法大致是嵌入算法的逆過程：第一步，對(duì)嵌入水印后的圖像I按88分塊，每一塊進(jìn)展DCT變換，得到每一塊系數(shù)，取出每一塊中點(diǎn)x，y處系數(shù)Idx，y做相應(yīng)計(jì)算：Wi，j=Idx，y/k，k為嵌入強(qiáng)度11。第二步，對(duì)提取出的水印圖像Wi，j，先灰度級(jí)逆處理，然后用混沌序列再進(jìn)展二值化處理即可得到原始水印圖像。3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析在DCT域選定一組混沌加密序列作為嵌入?yún)?shù)，盲水印嵌入利用人類視覺掩蔽特性，如圖1、2所示。嵌入的水印序列在沒有原始圖像情況下可以被提取出來，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明水印對(duì)大部分圖像信號(hào)處理和幾何失真具有魯

12、棒性，如圖3、4所示。圖5為論文用到的原始水印，圖6為恢復(fù)水印。圖1輸入灰度圖像 圖2 嵌入水印圖像 圖3不同像素圖4受噪聲破壞的圖像 圖5原始水印 圖6恢復(fù)水印選用峰值信噪比PSNR客觀評(píng)價(jià)圖像降質(zhì)，數(shù)據(jù)失真率DR客觀評(píng)價(jià)檢測(cè)水印質(zhì)量，NC表示原水印和提取水印最大相關(guān)系數(shù);1718各種攻擊及其對(duì)含水印載體和水印檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量的影響如下：1JPEG壓縮：圖7描繪了在JPEG不同的質(zhì)量和相應(yīng)的NC壓縮后的恢復(fù)水印。顯然，水印可以被識(shí)別，同時(shí)，NC的值均大于0.85。一般來說，當(dāng)Q從90至20變化過程中，NC是穩(wěn)步減少而不是像Q一樣下降。因此，該算法仍具有魯棒性和穩(wěn)定性。2濾波：當(dāng)水印圖像通過高斯低

13、通、中值和不同型號(hào)的平均值過濾器進(jìn)展過濾時(shí)，所有的水印如圖8和圖9所示。此外，NC的值均大于0.83，這說明該算法具有對(duì)抗濾波的才能。a Q=90 NC=0.950 9 b Q=70 NC=0.927 3 c Q=50 NC=0.911 8d Q=30 NC=0.895 4 e Q=20 NC=0.868 7圖7 不同品質(zhì)JPEG壓縮后的恢復(fù)水印Qa s=3 NC=0.907 3 b s=4 NC=0.870 8圖8 不同尺寸高斯低通濾波器s*s后的恢復(fù)水印aMedians=3NC=0.910 7 bMedians=5NC=0.890 8 cMedians=7 NC=0.869 7dMedia

14、n s=9NC=0.850 2 eAverages=3NC=0.904 7 fAverages=5NC=0.873 0g Averages=7 NC=0.857 8 h Average s=9 NC=0.832 4圖9 不同尺寸下中值和均值濾波器s*s后的恢復(fù)水印各種攻擊及其對(duì)含水印載體和水印檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量的影響如表1所示。表1 攻擊及其對(duì)載體圖像和水印質(zhì)量攻擊方法 載體PSNR 水印無攻擊 43.236 4 1.039 5JPEG 90% 38.656 3 5.659 4JPEG 70% 36.146 8 10.626 8JPEG 30% 33.562 2 23.931 8高斯噪聲 26.74

15、8 3 11.258 4低通濾波 33.515 8 14.216 4中值濾波 34.753 9 14.469 4銳化 29.812 3 18.837 1灰度拉伸 18.776 5 26.890 1綜合 10.166 2 18.123 74 結(jié) 語在本算法中利用80 b的外部秘鑰通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到混沌序列的初始值，迭代產(chǎn)生兩個(gè)混沌序列，以字節(jié)的方式加密水印圖像像素點(diǎn)，再經(jīng)過灰度處理后嵌入到圖像中。實(shí)驗(yàn)顯示此算法保證了水印的不可見性，又具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，受到攻擊后的圖像提取出來的水印仍能被識(shí)別出來，對(duì)常見圖像處理操作具有較好的魯棒性。參考文獻(xiàn)1單桂軍，時(shí)文兵. 基于Shearlet變換的盲圖像水

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