the 基于置亂和混沌加密的數(shù)字圖像水印技術(shù)研究3 guid

1、2005年 4月 第 41卷 第 2期 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)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(shù)研究3賈淑蕓 黃榮懷 溫孝東 葉衛(wèi)平(北京師范大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院 , 100875, 北京 摘要 為了進(jìn)一步增加水印系統(tǒng)的安全性 , 對(duì)經(jīng)過(guò)置亂變換的二值數(shù)字圖像水印用時(shí)空混沌技術(shù)進(jìn)行加密 , 使攻擊 者無(wú)法解讀嵌入的水印 .關(guān)鍵詞 數(shù)字水印 ; 置亂變換 ; 混沌加密 ; 小波變換 分類(lèi)號(hào) TP 391. 41 3“ 八六三 ”

2、 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目 (2001AA144130 通訊作者收稿日期 :2004209217 近年來(lái) , 多媒體技術(shù)與 I nternet 技術(shù)發(fā)展迅速 , 極大地改變了出版 、 商務(wù) 、 通訊等行業(yè)的運(yùn)作方式 , 也極 大地改變了人們的生活方式 . 多媒體制作領(lǐng)域逐漸繁 榮 , 各種形式的多媒體作品包括音頻 、 視頻 、 動(dòng)畫(huà) 、 圖像 等紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)布 . 但是 , 互連網(wǎng)絡(luò)逐漸普及的副 作用也十分明顯 :作品侵權(quán)更加容易 、 篡改更加方便 . 任何人都可以借助一臺(tái)普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)和一根電話 線 , 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輕易取得他人的原創(chuàng)作品 , 尤其是數(shù)字化 的圖像 、 音樂(lè) 、

3、電影等等 , 甚至不經(jīng)作者的同意而任意 復(fù)制 、 修改和發(fā)行 , 從而侵害了創(chuàng)作者的著作權(quán) . 因此 網(wǎng)絡(luò)多媒體作品的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題 , 成了一項(xiàng)重要而緊 迫的研究課題 . 數(shù)字水印技術(shù)正是為了解決這一問(wèn)題 而產(chǎn)生的 .然而 , 當(dāng)今的一些數(shù)字水印技術(shù)由于沒(méi)有采取加 密措施 , 對(duì)于非授權(quán)者來(lái)講 , 容易獲取嵌入的數(shù)字水 印 , 并進(jìn)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(duì)經(jīng)過(guò)置亂變換的水印再用混沌技術(shù) 進(jìn)行加密 , 在密鑰未知的前提下 , 非授權(quán)者無(wú)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(hào)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(nèi)容表明數(shù)字 產(chǎn)品的版權(quán)信息 , 因此具有特別意義 . 本文主要對(duì)二值 圖像 (大小為 32×32 水印進(jìn)行研究 .2 數(shù)字圖像水印技術(shù)指標(biāo) 如何設(shè)計(jì)一套完美 的數(shù)字水印算法 , 并伴隨以制訂相應(yīng)的安全體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn) , 從而實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用的版權(quán)保護(hù)方案 , 是信息隱 藏技術(shù)最具挑戰(zhàn)性也最具吸引力的一個(gè)課題2. 一般意義上認(rèn)為 , 數(shù)字水印應(yīng)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(shù) 小波域算法要先用小波變換把圖像分解成一個(gè)低頻近 似圖像和各個(gè)分辨率下 3個(gè)方向上的高頻細(xì)節(jié)圖像 , 結(jié)合小波域的人眼視覺(jué)特性 , 把要隱藏的水印加入到 各個(gè)高頻子帶中325, 以達(dá)到人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)不可感知的目的 . 文獻(xiàn) 6給出了一種新穎而簡(jiǎn)單的算法 , 本文在 設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn) LENA 灰 度圖 , 因此使用 4級(jí)小波變換 , 得到一個(gè) 32×32的逼近 子圖 .4 數(shù)字圖像水印的置亂變換 置亂技術(shù)是隨著信息的安全與保密被重視而發(fā)展起來(lái)的圖像加密技 術(shù) . 目前 , 常用的技術(shù)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(lái)數(shù)字水印技術(shù)的興起 , 將置亂技術(shù)應(yīng)用于水印 系統(tǒng) , 通過(guò)置亂變換盡可能地分散錯(cuò)誤比特的分布 , 提 高數(shù)字水印的視覺(jué)效果來(lái)增強(qiáng)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(shù) :設(shè)有單位正方形上的點(diǎn) (x, y , 將點(diǎn) (x, y 變到 另一點(diǎn) (x , y 的變換為 x=1, 1, (mod 1 . (1反復(fù)進(jìn)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(gè)矩陣 , 則經(jīng)過(guò) A rnold 變換后的圖 像會(huì)變得混亂不堪 . 但繼續(xù)使用 A rnold 變換 , 一定會(huì)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(shù)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(shí)空混沌加密 為了提高系統(tǒng)的安全性 , 我們使用時(shí)空混沌系統(tǒng)對(duì)二維簽名進(jìn)行混沌加密 .加密后的水印呈現(xiàn)出一種類(lèi)隨機(jī)性 .本文我 們 采 用 了 單 向 耦 合 映 射 格 點(diǎn) 時(shí) 空 混 沌(OCRML 系統(tǒng)來(lái)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(shí)間 ; i 代表空間格點(diǎn)的位置 ; i為第i 個(gè)空間格點(diǎn)的耦合參數(shù) , 取值范圍為 0. 9, 1;OCR ML系統(tǒng)的長(zhǎng)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(gè)空間格點(diǎn)輸出的 0, 1之間的混沌實(shí)值序列為基礎(chǔ) , 利用常用的二值序列的產(chǎn)生方法 10來(lái)生成 0,1二值序列 . 記第 k 個(gè)空間格點(diǎn)的輸出隨時(shí) 間 n 演 化 得 到 的 (0, 1 實(shí) 值

9、 混 沌 序 列 為x k, n , 實(shí)數(shù) x k, n 可以用二進(jìn)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(jìn)制數(shù)中的第 i 個(gè)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(lái)計(jì)算 . 式 (5 中 表示下取整運(yùn)算 , sng 是符號(hào)函 數(shù) . 若對(duì)于混沌序列 xk, n中的每個(gè)實(shí)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(duì)簽名水印進(jìn)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(gè)元素開(kāi)始取出 32×32(1 024 個(gè)值用作混沌加密序列 . 記為 K =k 1, k 2, , k 1024. 因?yàn)闀r(shí)空混沌系統(tǒng)對(duì)初值非常敏感 , 故這一序列 可用格點(diǎn)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(shí)空混沌序列具有很好 的隨機(jī)性 、 平衡性 、 對(duì)初始的敏感性 、 游程分布特性 等 11212, 時(shí)空混沌序列密碼具有很高的安全性 .2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果2. 1 圖像水印的

11、嵌入和提取 先設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的 用作表示版權(quán)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(shù)對(duì)要嵌入的二值簽名圖像 進(jìn)行置亂預(yù)處理 (圖 12b , 再使用時(shí)空混沌序列對(duì)置亂 后的水印進(jìn)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(gè)數(shù)字水印系統(tǒng)的提取算法 與嵌入在步驟上是一一對(duì)應(yīng)的逆過(guò)程 , 這里就不再贅 述了 . 簽名水印的恢復(fù)不需要原始圖像的輔助 , 是一種 盲水印技術(shù) , 因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是非常方便的 . 載 體圖像和嵌入了水印的灰度圖見(jiàn)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(guò)置亂處理后的水印圖 . c 為混沌加密后水印 . 未 受攻擊時(shí)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(jué)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(shù)加密后圖像表現(xiàn)出與噪聲相似的隨機(jī)性和“ 0” 、 “ 1” 均勻分布的特性 . 經(jīng)過(guò)試驗(yàn) , 在水印圖像未受任何 攻擊時(shí) , 嵌入的簽名水印能完全恢復(fù) .2.

13、 2 水印圖像的魯棒性實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn) 、 尺寸變 化 、 剪切 、 有損壓縮等 . 下面應(yīng)用 MAT LAB 平臺(tái)從幾個(gè) 方面檢驗(yàn)本水印算法的魯棒性 .1 添加椒鹽噪聲再進(jìn)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(jìn)行濾波 , 最后檢測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢 測(cè)結(jié)果如圖 3所示 .2 添加高斯噪聲再進(jìn)行去噪 (自適應(yīng) 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(yīng)濾波器進(jìn)行去噪濾波 , 最后檢測(cè)水

14、印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 4所示 . 148 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 第 41卷 a 加入了椒鹽噪聲 b 經(jīng)過(guò)中值濾波 c 檢測(cè)出的水印 圖 3添加椒鹽噪聲再進(jìn)行中值濾波 a 加入了 Gauss 噪聲 b 經(jīng)過(guò)去噪濾波 c 檢測(cè)出的水印圖 4 添加高斯噪聲再進(jìn)行去噪濾波3 亮度和對(duì)比度調(diào)節(jié) . 對(duì)嵌入水印后圖像的亮度和對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)再恢復(fù)到原亮度和對(duì)比度 , 最后檢 測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 5所示. a 調(diào)低亮度和對(duì)比度 b 檢測(cè)出的水印圖 5 亮度和對(duì)比度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)4 抖動(dòng)處理 . 對(duì)水印圖像進(jìn)行抖動(dòng)處理后檢測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 6所示. a

15、 抖動(dòng)處理 b 檢測(cè)出的水印圖 6 抖動(dòng)處理實(shí)驗(yàn)5 JPEG 壓縮 . 對(duì)水印圖像進(jìn)行 7%的 JPEG 壓縮編碼處理后檢測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 7所示 .6 剪切攻擊 . 對(duì)水印圖像進(jìn)行剪切后檢測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 8所示 .7 縮放旋轉(zhuǎn) . 將水印圖像進(jìn)行放大 2倍并旋轉(zhuǎn) a JPEG 壓縮 b 檢測(cè)出的水印圖 7 JPEG壓縮實(shí)驗(yàn) a 剪切 b 檢測(cè)出的水印圖 8 剪切實(shí)驗(yàn)10°后再恢復(fù)到原尺寸和方向 , 最后檢測(cè)水印 . 水印圖像及水印檢測(cè)結(jié)果如圖 9所示. a 放大并旋轉(zhuǎn) b 檢測(cè)出的水印圖 9 放大并旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以上結(jié)果表明 :在水印圖像中添

16、加椒鹽噪聲再進(jìn)行中值濾波或調(diào)節(jié)水印圖像的亮度和對(duì)比度 , 嵌入的 簽名水印能完全恢復(fù) ; 在水印圖像中添加 Gauss 噪聲再 進(jìn)行去噪濾波 、 對(duì)水印圖像進(jìn)行抖動(dòng)處理或?qū)λD 像進(jìn)行放大并旋轉(zhuǎn)處理 , 嵌入的簽名水印能滿意地恢 復(fù) ; 對(duì)水印圖像進(jìn)行 7%的 JPEG 壓縮編碼處理或?qū)λ?印圖像進(jìn)行小部分剪切 , 嵌入的簽名水印也能有效地 得以恢復(fù) .3 總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本文介紹的基于置亂變換和混沌加 密技術(shù)的二維圖像水印經(jīng)過(guò)載體圖像的信號(hào)處理變 換 , 如噪聲 、 濾波 、 JPEG 壓縮 、 以及幾何變換 , 如剪切 、 旋轉(zhuǎn) 、 尺度變換 , 仍然能被提取和檢測(cè)出來(lái) , 因此具有 很

17、好的可證明性和很強(qiáng)的魯棒性 . 嵌入水印導(dǎo)致圖像 的變化對(duì)觀察者的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)講是不可察覺(jué)的 , 因此 具有良好的不可見(jiàn)性 . 基于時(shí)空混沌的加密圖像技術(shù) 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(shù)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(xiàn)1 陳明奇 , 鈕心忻 , 楊義先 . 數(shù)字水印的研究進(jìn)展和應(yīng)用 J .通信學(xué)報(bào) , 2001, 22(5 :712 Ruanaidh J, Pun T . Rotati on, scale and translati on invaiant digital i m age water marking C Pr oceed

18、ings of I EEE I nternati onal Conference on I m age Pr ocessing, 19973 潘蓉 , 高有行 . 基于小波變換的圖像水印嵌入方法 J .中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào) , 2002, 7(7 :6674 Christine I, Podilchuk, Zeng W enjun . I m age 2adap tive water marking using visual models J .I EEE J Select A reas Commun, 1998, 16(4 :5255 李華 , 朱光喜 , 朱耀庭 . 基于視覺(jué)特性和小波分解的數(shù)

19、字 水印隱藏方法 J .通信學(xué)報(bào) , 2000, 21(6 :37 6 周亞訓(xùn) , 徐鐵鋒 . 基于二值運(yùn)算的隱形簽名數(shù)字水印算法 J .通信學(xué)報(bào) , 2002, 23(2 :1077 孫偉 . 關(guān)于 A rnold 變換的周期性 J .北方工業(yè)大學(xué)學(xué) 報(bào) , 1999, 11(1 :298 張華雄 , 仇佩亮 . 置亂技術(shù)在數(shù)字水印中的應(yīng)用 J .電 路與系統(tǒng)學(xué)報(bào) , 2001, 6(3 :329 匡錦瑜 , 鄧?yán)?, 黃榮懷 . 利用時(shí)空混沌同步進(jìn)行數(shù)字加密 通信 J .物理學(xué)報(bào) , 2001, 50(10 :185610 I ngemar J Cox, M att L M iller . The first 50years of electr onic water marking E B /OL.2004209201 htt p:/www. neci . nec . com /homepages/inge mar11 余樂(lè)軍 . 基于時(shí)空混沌二值序列的圖像擴(kuò)頻水印 D .北京 :北京師范大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院 , 200212 李昌剛 , 韓正之 . 一種基于離散混沌系統(tǒng)的密鑰流設(shè)計(jì) 算法 J .信息與控制 , 2002, 31(5