the 基于置乱和混沌加密的数字图像水印技术研究3 guid

1、2005年 4月 第 41卷 第 2期 北京师范大学学报 (自然科学版 Journal of Beijing Nor mal University (Natural Science Ap r . 2005Vol . 41 No . 2基于置乱和混沌加密的数字图像水印技术研究3贾淑芸 黄荣怀 温孝东 叶卫平(北京师范大学信息科学学院 , 100875, 北京 摘要 为了进一步增加水印系统的安全性 , 对经过置乱变换的二值数字图像水印用时空混沌技术进行加密 , 使攻击 者无法解读嵌入的水印 .关键词 数字水印 ; 置乱变换 ; 混沌加密 ; 小波变换 分类号 TP 391. 41 3“ 八六三 ”

2、 国家高技术研究发展计划基金资助项目 (2001AA144130 通讯作者收稿日期 :2004209217 近年来 , 多媒体技术与 I nternet 技术发展迅速 , 极大地改变了出版 、 商务 、 通讯等行业的运作方式 , 也极 大地改变了人们的生活方式 . 多媒体制作领域逐渐繁 荣 , 各种形式的多媒体作品包括音频 、 视频 、 动画 、 图像 等纷纷以网络形式发布 . 但是 , 互连网络逐渐普及的副 作用也十分明显 :作品侵权更加容易 、 篡改更加方便 . 任何人都可以借助一台普通的个人计算机和一根电话 线 , 通过网络轻易取得他人的原创作品 , 尤其是数字化 的图像 、 音乐 、

3、电影等等 , 甚至不经作者的同意而任意 复制 、 修改和发行 , 从而侵害了创作者的著作权 . 因此 网络多媒体作品的版权保护问题 , 成了一项重要而紧 迫的研究课题 . 数字水印技术正是为了解决这一问题 而产生的 .然而 , 当今的一些数字水印技术由于没有采取加 密措施 , 对于非授权者来讲 , 容易获取嵌入的数字水 印 , 并进行篡改 , 从而影响水印的安全性 . 使用本文介 绍的加密方法 , 对经过置乱变换的水印再用混沌技术 进行加密 , 在密钥未知的前提下 , 非授权者无法获取嵌 入的数字水印 , 从而提高了水印系统的安全性 .1 基于置乱和混沌加密的数字图像水印算法1 数字图像水印

4、数字水印1是永久镶嵌在其他数据 (宿主数据 中具有可鉴别性的数字信号或模 式 , 而且并不影响宿主数据的可用性 . 由于二维水印可以是一幅小的二值数字图像 , 该图像的内容表明数字 产品的版权信息 , 因此具有特别意义 . 本文主要对二值 图像 (大小为 32×32 水印进行研究 .2 数字图像水印技术指标 如何设计一套完美 的数字水印算法 , 并伴随以制订相应的安全体系结构和标准 , 从而实现真正实用的版权保护方案 , 是信息隐 藏技术最具挑战性也最具吸引力的一个课题2. 一般意义上认为 , 数字水印应具有较好的安全性 、 可证明 性 、 不可感知性和鲁棒性 .3 基于小波变换 (

5、DW T 的数字图像水印技术 小波域算法要先用小波变换把图像分解成一个低频近 似图像和各个分辨率下 3个方向上的高频细节图像 , 结合小波域的人眼视觉特性 , 把要隐藏的水印加入到 各个高频子带中325, 以达到人类视觉系统不可感知的目的 . 文献 6给出了一种新颖而简单的算法 , 本文在 设计系统时借鉴了这一水印嵌入方法 .本文使用的载体图像为 512×512的标准 LENA 灰 度图 , 因此使用 4级小波变换 , 得到一个 32×32的逼近 子图 .4 数字图像水印的置乱变换 置乱技术是随着信息的安全与保密被重视而发展起来的图像加密技 术 . 目前 , 常用的技术主要

6、有以下几种 :A rnold 变换 、 幻 方 、 H ilbert 曲线 、 Conway 游戏 、 Gray 变换等方法 . 随着 近年来数字水印技术的兴起 , 将置乱技术应用于水印 系统 , 通过置乱变换尽可能地分散错误比特的分布 , 提 高数字水印的视觉效果来增强数字水印的鲁棒性7.本文中 , 我们采用基于 A rnold 变换的数字图像置乱技术 :设有单位正方形上的点 (x, y , 将点 (x, y 变到 另一点 (x , y 的变换为 x=1, 1, (mod 1 . (1反复进行这一变换 , 可以得到迭代程序 :P n +1x , y =A P nx, y (mod N , n

7、 =0, 1, 2, . (2将数字图像视为一个矩阵 , 则经过 A rnold 变换后的图 像会变得混乱不堪 . 但继续使用 A rnold 变换 , 一定会出 第 2期 贾淑芸等 :基于置乱和混沌加密的数字图像水印技术研究 147 现一幅与原图相同的图像 , 即 A rnold 变换具有周期性 8.5 水印的时空混沌加密 为了提高系统的安全性 , 我们使用时空混沌系统对二维签名进行混沌加密 .加密后的水印呈现出一种类随机性 .本文我 们 采 用 了 单 向 耦 合 映 射 格 点 时 空 混 沌(OCRML 系统来产生用作加密签名水印信息的混沌二值序列 9. 该系统的描述方程如下 :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 代表离散时间 ; i 代表空间格点的位置 ; i为第i 个空间格点的耦合参数 , 取值范围为 0. 9, 1;OCR ML系统的长度为 10; 函数 f ( 的定义为 f (x =4x (1-x .以系统中的任何一个空间格点输出的 0, 1之间的混沌实值序列为基础 , 利用常用的二值序列的产生方法 10来生成 0,1二值序列 . 记第 k 个空间格点的输出随时 间 n 演 化 得 到 的 (0, 1 实 值

9、 混 沌 序 列 为x k, n , 实数 x k, n 可以用二进制表示为|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表示二进制数中的第 i 个小数位 , 可以用 b i (x k, n =sng 1/2(2i-1|x k, n |-2i-1|x k, n | , (5来计算 . 式 (5 中 表示下取整运算 , sng 是符号函 数 . 若对于混沌序列 xk, n中的每个实值都取其第 i 位 作为编码位 , 这样就可以得到 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对签名水印进行混沌加密 , 生成最后的二值签名水印 . 取二值图像水印为 32×32, 那么从式 (6 的序列中某个元素开始取出 32×32(1 024 个值用作混沌加密序列 . 记为 K =k 1, k 2, , k 1024. 因为时空混沌系统对初值非常敏感 , 故这一序列 可用格点的初始值作为混沌系统的密钥 .由于 OCR ML 系统产生的时空混沌序列具有很好 的随机性 、 平衡性 、 对初始的敏感性 、 游程分布特性 等 11212, 时空混沌序列密码具有很高的安全性 .2 实验检测结果2. 1 图像水印的

11、嵌入和提取 先设计一个有意义的 用作表示版权信息的二值签名图像水印 (如图 12a 、 然 后利用 A rnold 矩阵置乱技术对要嵌入的二值签名图像 进行置乱预处理 (图 12b , 再使用时空混沌序列对置乱 后的水印进行加密 , 生成要嵌入在原始图像数据文件 中的最终水印 (图 12c . 一个数字水印系统的提取算法 与嵌入在步骤上是一一对应的逆过程 , 这里就不再赘 述了 . 签名水印的恢复不需要原始图像的辅助 , 是一种 盲水印技术 , 因此在实际应用过程中是非常方便的 . 载 体图像和嵌入了水印的灰度图见图 2.a b c图 1 二值水印图像a 原始 Lena 图像 b 水印 Len

12、a 图像图 2 载体图像 L ena 图像 图 1中 , a 是欲嵌入的签名水印 , b 为二值签名图 像经过置乱处理后的水印图 . c 为混沌加密后水印 . 未 受攻击时提取的混沌水印与 c 相同 , 解混沌后的水印 与 b 相同 , 去置乱后的水印与 a 相同 .可以看出 :嵌入二值签名图像后的水印图像很难 感觉到嵌入的水印痕迹 , 完全满足水印的不可视性要 求 . 数字图像水印经 A rnold 变换后变得混乱不堪 . 经混 沌技术加密后图像表现出与噪声相似的随机性和“ 0” 、 “ 1” 均匀分布的特性 . 经过试验 , 在水印图像未受任何 攻击时 , 嵌入的签名水印能完全恢复 .2.

13、 2 水印图像的鲁棒性实验结果 可以使用一些常 用的工具产生基本的处理操作 , 如滤波 、 旋转 、 尺寸变 化 、 剪切 、 有损压缩等 . 下面应用 MAT LAB 平台从几个 方面检验本水印算法的鲁棒性 .1 添加椒盐噪声再进行中值滤波 . 首先在水印图 像中加入参数 0. 2的椒盐噪声 , 再使用 3, 3窗口的中 值滤波器进行滤波 , 最后检测水印 . 水印图像及水印检 测结果如图 3所示 .2 添加高斯噪声再进行去噪 (自适应 滤波 . 首先 在水印图像中加入均值为 0, 方差为 0. 005的 Gauss 噪 声 , 再使用 5, 5窗口的自适应滤波器进行去噪滤波 , 最后检测水

14、印 . 水印图像及水印检测结果如图 4所示 . 148 北京师范大学学报 (自然科学版 第 41卷 a 加入了椒盐噪声 b 经过中值滤波 c 检测出的水印 图 3添加椒盐噪声再进行中值滤波 a 加入了 Gauss 噪声 b 经过去噪滤波 c 检测出的水印图 4 添加高斯噪声再进行去噪滤波3 亮度和对比度调节 . 对嵌入水印后图像的亮度和对比度进行调节再恢复到原亮度和对比度 , 最后检 测水印 . 水印图像及水印检测结果如图 5所示. a 调低亮度和对比度 b 检测出的水印图 5 亮度和对比度调节实验4 抖动处理 . 对水印图像进行抖动处理后检测水印 . 水印图像及水印检测结果如图 6所示. a

15、 抖动处理 b 检测出的水印图 6 抖动处理实验5 JPEG 压缩 . 对水印图像进行 7%的 JPEG 压缩编码处理后检测水印 . 水印图像及水印检测结果如图 7所示 .6 剪切攻击 . 对水印图像进行剪切后检测水印 . 水印图像及水印检测结果如图 8所示 .7 缩放旋转 . 将水印图像进行放大 2倍并旋转 a JPEG 压缩 b 检测出的水印图 7 JPEG压缩实验 a 剪切 b 检测出的水印图 8 剪切实验10°后再恢复到原尺寸和方向 , 最后检测水印 . 水印图像及水印检测结果如图 9所示. a 放大并旋转 b 检测出的水印图 9 放大并旋转实验以上结果表明 :在水印图像中添

16、加椒盐噪声再进行中值滤波或调节水印图像的亮度和对比度 , 嵌入的 签名水印能完全恢复 ; 在水印图像中添加 Gauss 噪声再 进行去噪滤波 、 对水印图像进行抖动处理或对水印图 像进行放大并旋转处理 , 嵌入的签名水印能满意地恢 复 ; 对水印图像进行 7%的 JPEG 压缩编码处理或对水 印图像进行小部分剪切 , 嵌入的签名水印也能有效地 得以恢复 .3 总结实验结果说明本文介绍的基于置乱变换和混沌加 密技术的二维图像水印经过载体图像的信号处理变 换 , 如噪声 、 滤波 、 JPEG 压缩 、 以及几何变换 , 如剪切 、 旋转 、 尺度变换 , 仍然能被提取和检测出来 , 因此具有 很

17、好的可证明性和很强的鲁棒性 . 嵌入水印导致图像 的变化对观察者的视觉系统来讲是不可察觉的 , 因此 具有良好的不可见性 . 基于时空混沌的加密图像技术 第 2期 贾淑芸等 :基于置乱和混沌加密的数字图像水印技术研究 149 保证了水印图像系统具有较高的安全性 .4 参考文献1 陈明奇 , 钮心忻 , 杨义先 . 数字水印的研究进展和应用 J .通信学报 , 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 . 基于小波变换的图像水印嵌入方法 J .中国图像图形学报 , 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 李华 , 朱光喜 , 朱耀庭 . 基于视觉特性和小波分解的数

19、字 水印隐藏方法 J .通信学报 , 2000, 21(6 :37 6 周亚训 , 徐铁锋 . 基于二值运算的隐形签名数字水印算法 J .通信学报 , 2002, 23(2 :1077 孙伟 . 关于 A rnold 变换的周期性 J .北方工业大学学 报 , 1999, 11(1 :298 张华雄 , 仇佩亮 . 置乱技术在数字水印中的应用 J .电 路与系统学报 , 2001, 6(3 :329 匡锦瑜 , 邓昆 , 黄荣怀 . 利用时空混沌同步进行数字加密 通信 J .物理学报 , 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 余乐军 . 基于时空混沌二值序列的图像扩频水印 D .北京 :北京师范大学信息科学学院 , 200212 李昌刚 , 韩正之 . 一种基于离散混沌系统的密钥流设计 算法 J .信息与控制 , 2002, 31(5