圖像水印技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡亞軍,陳 青

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

圖像水印技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡亞軍,陳 青

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

為進(jìn)一步保障電力系統(tǒng)的信息安全,可將圖像水印技術(shù)應(yīng)用其中。文中結(jié)合圖像水印技術(shù)的主要特征,分析了小波變化的基本理論,結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)小波變化在電力系統(tǒng)電量交易中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。根據(jù)結(jié)果可知,圖像水印技術(shù)的使用對(duì)于提高電力信息隱蔽通信與真?zhèn)舞b定可起到一定作用,并具備一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖像水印;電力系統(tǒng);小波變換;真?zhèn)舞b定

電力系統(tǒng)數(shù)字化、信息化進(jìn)程加速,在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,存在著不同程度的保密信息。數(shù)字水印技術(shù)可通過(guò)提取與嵌入信息的匹配程度判斷文件是否遭受惡意攻擊。因此,該技術(shù)可被用于電力系統(tǒng)信息保護(hù)中,其中,圖像水印技術(shù)已被一些企業(yè)用于電力信息保護(hù)[1]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)中越來(lái)越多的信息被在互聯(lián)網(wǎng)上傳播,其中,電量、電價(jià)、設(shè)備相關(guān)信息及先進(jìn)技術(shù)等具備一定的保密性或者享有版權(quán)[2]。因此,對(duì)其進(jìn)行信息安全保護(hù)非常必要。同時(shí),針對(duì)電力信息進(jìn)行真?zhèn)舞b定以防止惡意侵害,也是至關(guān)重要的。本文在介紹圖像水印基本特點(diǎn)與常用算法的基礎(chǔ)上,給出了圖像數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)信息安全保護(hù)的方案,并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了分析。

1 圖像水印技術(shù)特性和模型

1.1 圖像水印基本概念

圖像水印技術(shù),是指將所需要隱藏的信息嵌入到原始圖像數(shù)據(jù)內(nèi)容中,通常情況下,被嵌入的信息應(yīng)具備良好的不可見(jiàn)性。但該信息可通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)方法被正確檢測(cè)或者提取。水印信息與圖像載體緊密結(jié)合,成為圖像作品中所不可分離的部分,同時(shí),嵌入的水印信息需要具備一定強(qiáng)度的魯棒性從而可抵御一定的信號(hào)處理和惡意攻擊。

1.2 基本特性

(1)魯棒性。嵌入的水印信息需要具備一定的抵抗攻擊能力,其中包含無(wú)意攻擊與有意攻擊。無(wú)意攻擊是指嵌入水印信息的圖像在使用過(guò)程中所經(jīng)歷的日常操作所帶來(lái)的影響,有意攻擊是指刻意對(duì)圖像進(jìn)行的攻擊。為了正確提取有效的水印信息,魯棒性強(qiáng)度是重要的因素。

(2)容量。容量是影響數(shù)字水印性能的重要因素,足夠的容量可保證足夠的信息被嵌入,以滿足不同的使用需求,但容量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致不可見(jiàn)性的下降。因此,平衡這兩者的關(guān)系非常重要,在保證不可見(jiàn)性的條件下,盡量設(shè)計(jì)出更大容量的水印算法。

(3)不可見(jiàn)性。水印信息的嵌入不能導(dǎo)致原始數(shù)字產(chǎn)品發(fā)生可察覺(jué)的改變與降質(zhì)。如果水印信息的嵌入導(dǎo)致了一定程度的視覺(jué)變化,將容易引起有關(guān)人員的興趣,增加了水印作品被破壞的可能性。

1.3 水印模型

數(shù)字水印系統(tǒng)主要有水印嵌入、水印提取和水印檢測(cè)3個(gè)過(guò)程。圖1為數(shù)字水印系統(tǒng)模型。

圖1 數(shù)字水印系統(tǒng)模型

水印嵌入模型主要是把水印信息嵌入到原始載體圖像中,需要在水印系統(tǒng)的不可見(jiàn)性和魯棒性之間找到一個(gè)較好的平衡,水印提取模型是通過(guò)提取算法從含有水印的載體圖像中提取水印信息,水印檢測(cè)模塊主要根據(jù)檢測(cè)算法得到的結(jié)果來(lái)判斷載體圖像中是否含有水印。

2 小波變換

小波變換基于傅里葉變換的發(fā)展而發(fā)展,同時(shí)改進(jìn)了傅里葉變換但只能反映信號(hào)及頻譜的整體特性,缺少局部性特點(diǎn)的情況[3]。

2.1 連續(xù)小波變換

(1)

即小波函數(shù)。其中,a為尺度因子,a>0;b為平移因子,b∈R;Ψ(t)為基本小波或母小波。

在Ψ是基本小波的情況下,信號(hào)x(t)為平方可和函數(shù),即

(2)

2.2 離散小波變換

為增加小波變化的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,通常將信號(hào)離散化以加強(qiáng)計(jì)算機(jī)的處理能力。離散化處理同樣是由尺度因子a與平移因子b所得到,但需要將其進(jìn)行離散。即

(3)

離散小波變換系數(shù)為

(4)

2.3 圖像的小波變換

(5)

基于離散小波變換,得到f(x,y)的有限層分解為

(6)

圖像信號(hào)經(jīng)小波變換后獲得逼近信號(hào)及細(xì)節(jié)信號(hào)。可使用倍頻程隊(duì)圖像頻譜進(jìn)行分割,原始載體圖像的多分辨率特性通常在頻帶上顯現(xiàn)。針對(duì)L級(jí)分解的小波圖像,低頻帶包含原始信息的大部分能量;高頻帶分別表示圖像中豎直方向、水平方向與對(duì)角方向的高頻信息,集合了原始圖像較小的能量[5],容易遭受攻擊的影響。圖2是小波分解圖。

圖2 小波分解圖

3 圖像水印技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,電力信息系統(tǒng)的安全變得越來(lái)越重要,為保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)的安全,數(shù)字圖像水印技術(shù)已經(jīng)被逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)信息安全保護(hù)中,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 版權(quán)保護(hù)

電力系統(tǒng)運(yùn)行中,電力設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的電流或電壓信號(hào),這些信號(hào)有的以文本形式保存,有的則以圖像的形式保存,這些資料對(duì)以后的系統(tǒng)故障分析或工廠的運(yùn)營(yíng)具有重要的作用,這往往會(huì)引起非法者盜用,因此這些資料的版權(quán)保護(hù)尤為重要。魯棒性水印可較好地解決這一問(wèn)題,通常的做法是把能夠證明版權(quán)歸屬的信息嵌入到資料中去,當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí),就可從資料中提取水印來(lái)證明版權(quán)。

3.2 真?zhèn)舞b定

電力系統(tǒng)產(chǎn)生的各種數(shù)字信號(hào)被保存下來(lái),有的甚至需要在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳送,如監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)生的視頻信號(hào)、生產(chǎn)過(guò)程中記錄的技術(shù)文檔或電力安全事故的影像資料等。而數(shù)字化信息容易遭到篡改,使用者通常難以了解數(shù)字信號(hào)是否完整、真實(shí)。因此,需要一種新技術(shù)來(lái)進(jìn)行鑒定,而脆弱性數(shù)字水印能夠進(jìn)行完整性認(rèn)證。通常將特定分布的脆弱水印信息嵌入到數(shù)字信號(hào)中去,這些水印信息對(duì)數(shù)字信號(hào)可能發(fā)生的變化具有很好的敏感性,需要時(shí)可以通過(guò)提取水印來(lái)確定數(shù)字信號(hào)的完整性和真實(shí)性。

3.3 隱蔽通信

隨著電力系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)中的信息保密工作變得尤為重要,如不同區(qū)域的電網(wǎng)電量?jī)r(jià)格就是一個(gè)比較敏感的元素,如果電量?jī)r(jià)格被對(duì)手獲取,經(jīng)濟(jì)利益則會(huì)受到損害。因此,需要一種新的技術(shù),將重要的信息隱藏起來(lái)傳送,而水印技術(shù)能將電量?jī)r(jià)格嵌入到普通的數(shù)據(jù)中傳送,從而達(dá)到保密的作用。

4 小波數(shù)字圖像水印的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)嵌入方式不同,圖像水印算法可分為空間域嵌入與變化域嵌入方法。其中,空間域方法是通過(guò)改變圖像中的某些像素值完成水印信息的嵌入。一般結(jié)合Hash函數(shù),將其作為偽隨機(jī)產(chǎn)生器選擇水印比特嵌入位置[6]。變換域方法通常是先對(duì)圖像進(jìn)行變換,然后選擇某些變換后的系數(shù)完成水印信息的嵌入,最后通過(guò)逆變換獲得含有水印信息的圖像[8-9]。目前,小波數(shù)字水印技術(shù)已被用于電量交易價(jià)格安全傳輸中。為保證電量交易相關(guān)信息的隱蔽性與安全性,可使用圖像水印技術(shù)對(duì)其進(jìn)行信息安全保護(hù)。

數(shù)字圖像水印一般包括水印生成模塊、水印嵌入模塊和水印檢測(cè)模塊。

(1)數(shù)字圖像水印生成。首先將電網(wǎng)中的電量?jī)r(jià)格進(jìn)行記錄并以圖像的形式保存,然后運(yùn)用置亂技術(shù)將電量?jī)r(jià)格信息置亂,進(jìn)一步加強(qiáng)安全性。本文用Arnold變換,因?yàn)锳rnold變換具有:1)算法簡(jiǎn)單。2)具有周期性。3)經(jīng)Arnold變換后,圖像的大小不變

(7)

其中,(x,y)是變換前坐標(biāo);(x′,y′)是變換后的像素坐標(biāo);k和N取正整數(shù);mod是取模算法。如圖3所示。

圖3 水印Arnold變換

(2)數(shù)字圖像水印嵌入。一般情況下,可將隱蔽的電量水印信息嵌入到電力系統(tǒng)公開(kāi)傳送的圖像中。先對(duì)原始載體圖像進(jìn)行3級(jí)小波變換,為達(dá)到水印不可見(jiàn)性和魯棒性之間的平衡,選取第3級(jí)低頻系數(shù)嵌入加密后的水印。

1)當(dāng)嵌入的水印W(i,j)=0時(shí),若mod(D(i,j),s)<3s/4;則

D’(i,j)=D(i,j)-mod(D(i,j),s)+s/4

(8)

若mod(D(i,j),s)≥3s/4,則

D’(i,j)=D(i,j)-mod(D(i,j),s)+5s/4

(9)

2)當(dāng)嵌入的水印W(i,j)=1時(shí),若mod(D(i,j),s)

D’(i,j)=D(i,j)-mod(D(i,j),s)-s/4

(10)

若mod(D(i,j),s)≥s/4,則

D’(i,j)=D(i,j)-mod(D(i,j),s)+3s/4

(11)

其中,mod(a,b)是求模運(yùn)算;s是預(yù)先設(shè)定的量化值;D(i,j)是原始載體變換后的系數(shù);D’(i,j)是嵌入水印后的系數(shù)。如圖4所示。

圖4 水印嵌入

(3)水印提取。將可能含有水印的圖像3級(jí)小波分解,根據(jù)嵌入水印時(shí)的位置信息取出第3級(jí)低頻系數(shù),然后用逆算法提取出水印,再進(jìn)行相應(yīng)的反置亂,就可得到正確的水印

(12)

其中,W*(i,j)是提取的水印。圖5(a)是原始水印,圖5(b)是JPEG壓縮后提取的水印,圖5(c)中值濾波后提取的水印。

圖5 水印提取

針對(duì)嵌入水印信息的檢測(cè)可使用相關(guān)的檢測(cè)方法[7],將圖像中提取的水印信息和嵌入時(shí)的水印信息比較,獲得相似度值sim為

(13)

其中,W(i,j)是原始水印;W*(i,j)是提取出的水印。在sim值接近1的情況下,可認(rèn)為水印信息滿足實(shí)際使用要求,未遭破壞。將小波變換理論應(yīng)用到電量交易價(jià)格傳輸保護(hù)中,不止可以保護(hù)信息的隱蔽通信,同時(shí)也可進(jìn)行真?zhèn)舞b定,充分保證了信息傳遞的安全。

(4)常見(jiàn)攻擊對(duì)水印的影響。本文算法簡(jiǎn)單,并且能夠抵抗常見(jiàn)的各種攻擊,魯棒性好,實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn),得出了各種攻擊后水印的NC值,如表1和圖6所示。

表1 各種攻擊后提取水印的NC值

圖6 NC值

5 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè),電力系統(tǒng)的信息安全直接影響著工業(yè)安全。本文結(jié)合實(shí)際情況,針對(duì)電力系統(tǒng)電量信息安全保護(hù)進(jìn)行了一定的分析研究。在給出圖像水印基本理論的基礎(chǔ)上,分析了小波變化在電力系統(tǒng)電量信息安全保護(hù)的應(yīng)用情況,并進(jìn)行了理論分析,通過(guò)分析可知,在選值恰當(dāng)?shù)那闆r下,圖像水印技術(shù)可以較好地保證電力信息的安全通信。同時(shí),還可根據(jù)提取信息的結(jié)果進(jìn)行真?zhèn)舞b定,判斷圖像是否遭受攻擊,進(jìn)一步保護(hù)了信息的安全傳輸。

[1] 陳曉蘇,劉立剛,盧正鼎.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)安全協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2006,29(9):1722-1728.

[2] 劉巖,伍祥生,鄭東,等.數(shù)字水印技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力信息化,2005,3(6):91-92.

[3] 吳軍基,盛琪,賀濟(jì)峰,等.小波數(shù)字水印在電力系統(tǒng)信息安全中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2005,24(12):40-42.

[4] 涂蓉暉,趙繼英.基于小波變換和量化理論的半脆弱數(shù)字聲音水印算法及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(12):78-85.

[5] 崔尚勇.基于均值運(yùn)算和系數(shù)分類的半脆弱水印算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(21):152-153.

[6] 于帥珍.基于小波域的彩色圖像盲數(shù)字水印算法[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(4):286-288.

[7] 張樺,蔣榮欣,陳耀武.基于小波域數(shù)字水印的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(5):39-45.

[8] 張茂,虞曉慶.基于Turbo碼與HVS的擴(kuò)頻數(shù)字圖像水印算法[J].電子科技,2013,26(3):140-142.

[9] 陳楊,方寶磊,張小華.基于圖像置亂和ICA-DWT的數(shù)字圖像水印算法[J].電子科技,2012,25(12):128-129,133.

Application of Image Watermark Technology in the Electric Power System

HU Yajun,CHEN Qing

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to protect the information security of the power system,the watermarking technology is used.This article describes the main features of the image watermarking technology and analyzes the basic theory of wavelet transform.It also analyzes the application of wavelet changes in electricity transaction with actual project case.According to the results,the image watermarking technology helps to improve the covert communication and authenticity of the power system,so that it is of practical value in application.

image watermark;power system;wavelet transform;authenticity

2014- 11- 10

上海自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1420800)

胡亞軍(1990—),男,碩士研究生。研究方向:數(shù)字水印,圖像處理。E-mail:huyajun2005@163.com。陳青(1962—),女,副教授。研究方向:數(shù)字水印技術(shù),圖像處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.040

TP391.41

A

1007-7820(2015)04-149-05