基于混沌序列的小波數(shù)字水印算法研究

摘要:數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏領(lǐng)域的一個新的研究熱點(diǎn)，是一種全新的保護(hù)多媒體信息安全的技術(shù)，它是通過把特定的秘密信息以不可感知的形式嵌入到圖像、文本、語音、視頻等各種數(shù)字媒體中來確認(rèn)版權(quán)所有者，以達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。一個有效的水印系統(tǒng)必須具備較強(qiáng)的魯棒性、安全性和透明性。該文介紹了圖像處理的基本方法，根據(jù)小波理論，提出了一種基于KENT映射置亂小波域盲水印算法，實(shí)驗(yàn)表明該算法具有良好的視覺掩蔽特性，對濾波、加噪聲、壓縮等圖像處理有較好的魯棒性。

關(guān)鍵詞:信息隱藏;數(shù)字水印;KENT;小波變換;人類知覺模型

中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10054-03

Research on Digital Image Watermarking Based on Wavelet Transform

ZHANG Li-hua， CHEN Ping

(Department of Computer Science， Huanghuai College， Zhumadian 463000， China)

Abstract: Digital watermark technology is a new research focus that the information hides the field， it is the technology of a kind of brand-new information safety of protection multimedia， it through particular secret information until intangible form imbed， get picture， text， pronunciation， video various digital media come， confirm the copyright owner， in order to the purpose to achieve copyright protection. An effective watermark system must possess stronger stupid and excellent， security and transparency. This text introduce basic tool of pattern process， according to small wave theory， propose one shine upon， put messy light wave land blind watermark algorithm on the basis of KENT， experiment indicate algorithm this have good vision shelter characteristic， to strain wave， add noise， pattern process of compressing etc. have a better one stupid and getting wonderful.

Key words: information hiding; digital watermark; KENT; wavelet transform; human visual system

1 前言

隨著通信、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信息的高速傳輸、處理以及存儲已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但是由于網(wǎng)絡(luò)安全性問題的存在，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)字媒體(圖像、文本、聲音和視頻等)很容易被截獲、復(fù)制和篡改，因此如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效的版權(quán)保護(hù)和媒體安全已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。數(shù)字水印技術(shù)就是一種解決版權(quán)保護(hù)和信息安全的技術(shù)，它是通過將一些附加信息(即水印信息)直接嵌入到要保護(hù)的數(shù)字作品中來實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)和信息安全。

目前，數(shù)字水印的研究主要集中在數(shù)字水印的嵌入和提取算法方面，而對如何有效便捷地保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán)研究得較少。例如，文獻(xiàn)[3]把隨機(jī)產(chǎn)生的一組無意義的序列作為水印嵌入到載體圖像中由于水印信息不能唯一識別作者的身份，所以在面對解釋性攻擊時顯得“力不從心”。文獻(xiàn)[4]雖然能夠嵌入有意義的水印，但不能實(shí)現(xiàn)水印的盲提取，即提取時需要原始圖像。增加了水印提取的復(fù)雜性。無論是無意義的非盲水印，還是有意義的盲水印，其共同的不足在于:1) 水印內(nèi)容和嵌入密鑰的確定以及嵌入過程都是個人行為(由作者一人完成)，水印信息缺乏公正性與合法性;2) 水印嵌入與提取是在單個密鑰的控制下完成的，降低了水印的安全性?；谏鲜鲈颍疚膶⒂懻撘环N利用混沌序列生產(chǎn)水印，在小波中嵌入水印的完整的水印算法。

2 數(shù)字水印技術(shù)的基本原理

數(shù)字水印可以定義為:可感知的或不可感知的形式嵌入到數(shù)字多媒體產(chǎn)品(圖形和圖像、文本、音頻、視頻等)中的，用于版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容檢驗(yàn)或提供其它信息的信號。數(shù)字水印技術(shù):是將代表數(shù)字媒體著作權(quán)人身份的特定信息、用戶指定的標(biāo)識或序列碼等，按照某種方式嵌入到被保護(hù)的信息中，在產(chǎn)生版權(quán)糾紛時，通過相應(yīng)的算法提取出該數(shù)字水印，從而驗(yàn)證版權(quán)的歸屬，確保媒體著作權(quán)人的合法利益，避免非法盜版的威脅的一門技術(shù)。被保護(hù)的信息可以是任何一種數(shù)字媒體，如軟件、圖像、音頻、視頻或一般性的電子文檔等。數(shù)字水印是嵌在數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字信號，水印的存在要以不破壞原數(shù)據(jù)的欣賞價值、使用價值為原則。數(shù)字水印技術(shù)是水印生成、嵌入、檢測/提取和攻擊等過程的統(tǒng)稱。

數(shù)字水印的基本原理是:嵌入某些標(biāo)識數(shù)據(jù)到宿主數(shù)據(jù)中作為水印，使得水印在宿主數(shù)據(jù)中不可感知和足夠安全。為了保證由于水印的嵌入而導(dǎo)致的宿主數(shù)據(jù)的失真不被覺察到，必須應(yīng)用到某種感知準(zhǔn)則。因而作為不可感知性的要求，宿主數(shù)據(jù)上的每個采樣點(diǎn)的值的改變與其自身相比應(yīng)該相對比較小。為了保證水印算法的健壯性，水印信息在宿主數(shù)據(jù)上通常有很大的冗余度，這意味著水印信息可以從其部分?jǐn)?shù)據(jù)中恢復(fù)出來。但如果在恢復(fù)過程中能提供更多的數(shù)據(jù)那么恢復(fù)的健壯性則更強(qiáng)。

一個數(shù)字水印方案一般包括三個基本方面:水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或檢測。數(shù)字水印技術(shù)實(shí)際上是通過對水印載體媒質(zhì)的分析、嵌入信息的預(yù)處理、信息嵌入點(diǎn)的選擇、嵌入方式的設(shè)計、嵌入調(diào)制的控制等幾個相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理優(yōu)化，尋求滿足不可感知性、安全可靠性、穩(wěn)健性等諸條件約束下的準(zhǔn)最優(yōu)化設(shè)計問題。而作為水印信息的重要組成部分—密鑰，則是每個設(shè)計方案的一個重要特色所在。

3 算法設(shè)計思想

Cox等提出“擴(kuò)展頻譜”數(shù)字水印算法，它借鑒擴(kuò)頻通信的思想，充分利用人的視覺的頻域感知特性，將水印信息隱藏在圖像的DCT變換域中。這種方法具有隱蔽性和魯棒性好等特點(diǎn)。但是CDMA算法也有一些不足，最嚴(yán)重的問題是嵌入容量是非常有限的。如果嵌入數(shù)據(jù)量較多，例如圖像數(shù)據(jù)，則很容易使載體圖像質(zhì)量受損。此外還有一個不足，CDMA算法在水印檢測時需要原圖，這不僅意味著需要耗費(fèi)大量的存儲空間和計算時間。

3.1 水印生成

混沌現(xiàn)象是一種類似隨機(jī)的過程，這種過程為非周期，是一種貌似無規(guī)則的運(yùn)動，不收斂但有界，并且對初值具有極其敏感的依賴性，兩個初值十分接近的序列，經(jīng)過短暫時間而毫不相關(guān)。所以，混沌序列的類隨機(jī)特性比一般的m序列和Gold序列更好，而且通過混沌序列對初始值的敏感依賴性，任意改變初始值可以提供數(shù)量眾多、非相關(guān)、類隨機(jī)而又確定可再生的信號，它比m序列和Gold序列更具有接近噪聲的本質(zhì)特性。因此這里采用一種機(jī)遇Kent映射的混沌序列[1]。

圖像置亂的主要作用:①信息加密的需要。②便于信息隱匿，去除信息圖像的紋理特性使其就有與噪聲相同的特征。

1) Kent映射定義及其產(chǎn)生的混沌序列的統(tǒng)計特征xn

① Kent映射定義:

a∈(0，1)，x∈[0，1]

當(dāng)a∈(0，1)，x∈[0，1]時，映射處于混沌狀態(tài)。

② 概率密度函數(shù)

對于一般的混沌映射，可根據(jù)Perron-Frobenious公式得到概率密度p(y)，即:

可知kent映射概率密度函數(shù)服從[0，1]上的均勻分布，即:

③ 序列均值

混沌序列產(chǎn)生都是連續(xù)的模擬值，根據(jù)其概率密度分布將其量化為-1和1。在Kent映射中，其概率關(guān)于0.5對稱分布，故可以以0.5為界，對它們進(jìn)行量化。量化后的混沌序列-1的數(shù)目與1的數(shù)目大致相同，可得到混沌二進(jìn)制序列的平均值為:

④ 自相關(guān)性

自相關(guān)函數(shù)Rx，x(m)為:

⑤ 互相關(guān)特性

混沌二進(jìn)制序列由于初始值不同而不重疊，序列間的互相關(guān)表示為:

從上面的分析可知Kent映射對應(yīng)的混沌序列具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，此外Kent映射序列還具有較好的平衡性。所謂平衡性是指序列中“1”碼元數(shù)目應(yīng)與“-1”相當(dāng)，不能過多也不能過少。理想偽隨機(jī)碼對游程的要求是1/2的游程長度為1，1/4的游程長度為2， 1/2n上的游程長度為n。

在數(shù)據(jù)嵌入和提取的過程中，有可能產(chǎn)生低概率隨機(jī)性的錯誤;在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，也可能會引入噪聲:而主動攻擊者一旦發(fā)覺有隱藏的數(shù)據(jù)，更會主動的引入隨機(jī)噪聲，以達(dá)到破壞嵌入數(shù)據(jù)的目的。為了檢查或者糾正被更改的數(shù)據(jù)，使水印具有更好的魯棒性，可以對置亂后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯控制編碼。差錯控制編碼方法包括:奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)碼、卷積碼、交織編碼等。本文在水印圖像置亂前對圖像序列進(jìn)行(7，4)漢明校驗(yàn)編碼，這樣得到的序列長度為64×64×7/4。這樣會導(dǎo)致一些冗余的數(shù)據(jù)，但是相對CDMA嵌入方法((CDMA至少會增加一倍的數(shù)據(jù)量)，進(jìn)行校驗(yàn)編碼還是一個有效方法。

3.2 水印嵌入

水印的嵌入頻帶是影響水印魯棒性和不可視性的重要因素。離散小波變換(DWT)域水印與離散余弦變換(DCT)域水印都屬于變換域水印技術(shù)，相對空域水印技術(shù)，變換域水印具有更強(qiáng)的魯棒性。DWT域水印技術(shù)較之DCT域水印又尤其優(yōu)越之處。DCT變換純粹將空域變換到頻域，因此沒有利用圖像的空間頻率特性，而這種空間頻率特性正好和人眼的某些視覺特性相一致，也就是說，利用小波變換等于隱含的使用了HVS的空間一頻率特性。其次，圖像DCT變換是把圖像分成多個8×8塊，然后重構(gòu)，這樣不可避免的會導(dǎo)致塊效應(yīng)，而利用小波變換就可以避免塊效應(yīng)[2]。另外，DWT變換可以采用圖像融合技術(shù)將水印分散到載體圖像的多個尺度中去，使魯棒性更強(qiáng)。由于小波變換的諸多優(yōu)越性，JPEG-2000和MPEG7采用了小波壓縮算法，在數(shù)字水印領(lǐng)域，小波算法也越來越被重視。

為了兼顧經(jīng)小波分解后高低頻系數(shù)的特點(diǎn)，可選擇將水印嵌入中低頻帶，分解的級數(shù)根據(jù)需要而定。本文采用了整數(shù)小波變換，因而無需量化變換后的小波系數(shù)，經(jīng)過多級分解后的圖像仍然能夠精確的重構(gòu)，大幅的提高了變換過程中的精度。

3.3 水印提取

水印提取實(shí)際上是水印嵌入的逆過程。本文采用的算法是盲水印算法，即不需要原始載體圖像參與。提取過程如下:

1) 利用小波變換，把含有水印的圖像進(jìn)行兩層整數(shù)小波變換。

2) 選取LH2， HL2兩個頻帶的系數(shù)xi'，對x i'進(jìn)行量化，提取出的水印位Wi ' = Q(x i');得到恢復(fù)后的水印序列;

3) 用與生成水印相同的初值x。和控制參數(shù)α產(chǎn)生相同二值的Kent混沌序列pk，k∈(0，1，2…mxn-1);

4) 將Kent混沌序列Pk與水印序列序wi'對應(yīng)位進(jìn)行異或便可恢復(fù)水印圖像。

4 結(jié)束語

數(shù)字水印技術(shù)，作為一種在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多媒體版權(quán)保護(hù)的有效方法而提出，文中以一種DCT變換域的嵌入算法為基礎(chǔ)，利用超混沌序列對水印進(jìn)行加密處理，增強(qiáng)了加水印圖像的保密性。有必要時還可以結(jié)合嵌入時的隨機(jī)數(shù)種子作為雙密鑰來達(dá)到加強(qiáng)保密性的目的。能很好兼顧魯棒性的水印方法，并可滿足更特殊的應(yīng)用要求。

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