一種復(fù)合加密的小波變換圖像數(shù)字水印技術(shù)研究

張曉琪 胡振 唐天國 張佳麗

摘 要 研究圖像數(shù)字水印技術(shù)，水印圖像預(yù)處理對(duì)整個(gè)水印系統(tǒng)安全性起到至關(guān)重要的作用。提出一種基于Arnold置亂對(duì)原始水印圖像復(fù)合加密的方法，首先對(duì)水印圖像進(jìn)行Arnold位置置亂，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行Logistic混沌序列加密，使水印信息具有雙重的保密性；其次利用小波變換技術(shù)分解載體圖像，將復(fù)合加密的水印信息嵌入到高頻子帶中，使嵌有水印的圖像具有良好的透明性和魯棒性，通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲得性能較優(yōu)的水印算法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字水印 小波變換 復(fù)合加密 魯棒性

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及信息媒體的日益數(shù)字化，多媒體信息的安全傳輸和數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)越來越引起人們的重視。為此，數(shù)字水印技術(shù)的研究與應(yīng)用得到高度關(guān)注。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)的重要分支，如今成為研究網(wǎng)絡(luò)信息安全和數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)的熱門話題。

本文采用了一種復(fù)合加密的小波變換圖像數(shù)字水印算法，首先對(duì)水印信息進(jìn)行復(fù)合加密預(yù)處理，即對(duì)水印圖像進(jìn)行Arnold置亂變換，然后再進(jìn)行Logistic混沌序列加密，增強(qiáng)了水印信息的安全性； 其次通過小波變換分解載體圖像，在高頻子帶嵌入復(fù)合加密的水印信息，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入與提取，仿真實(shí)驗(yàn)，算法具有較好的不可見性，同時(shí)也具有較好的魯棒性。

1 數(shù)字水印技術(shù)

數(shù)字水印技術(shù)，是指在不影響載體正常使用的條件下，將具有特殊意義的標(biāo)識(shí)信息嵌入圖像、聲音、文檔等數(shù)字多媒體作品中，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。并且水印信息的嵌入應(yīng)以不破壞原始數(shù)據(jù)的欣賞和使用價(jià)值為原則，數(shù)字水印在真?zhèn)舞b別、隱藏通信、標(biāo)志隱含等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.1 數(shù)字水印技術(shù)特征

數(shù)字水印是在載體媒介中嵌入具有版權(quán)歸屬性鑒別的數(shù)字信號(hào)，并且不影響載體數(shù)據(jù)的正常使用。數(shù)字水印一般具有如下特征：

1.1.1 不可感知性

不可感知性是指原始載體作品與嵌入水印之后的作品在視覺效果上的相似度，對(duì)于載體數(shù)據(jù)中嵌入的數(shù)字水印不能被察覺，在經(jīng)過相應(yīng)算法處理后，載體數(shù)據(jù)沒有明顯的質(zhì)量下降，而且隱藏的水印信息具有不可見性，通過視覺無法辨別出嵌入水印前后載體有所不同，使用統(tǒng)計(jì)方法也無法判斷載體數(shù)據(jù)是否含有水印信息或提取水印。

1.1.2 魯棒性

數(shù)字水印技術(shù)的魯棒性是指含有水印的載體數(shù)據(jù)在各種數(shù)字信號(hào)處理和攻擊處理下，依然能保持完整、清晰可辨的水印信息。則通過相應(yīng)的水印提取算法，能夠檢測(cè)到水印信息的存在。在經(jīng)過包括篡改、偽造攻擊以及噪聲、中值濾波、JPEG壓縮等技術(shù)處理之后，應(yīng)該具備從載體圖像中提取水印信息的能力，并且不影響水印的鑒別。

1.1.3 安全性

水印算法的安全性是水印不受到外界惡意攻擊的破環(huán)。安全性主要取決于密鑰，水印信息不被非法用戶破解、提取。一般用戶并不了解水印信息的存在，即使知道水印信息的存在，沒有正確的密鑰，也不能從載體數(shù)據(jù)中提取嵌入的水印，從而確保安全性。水印系統(tǒng)的安全性也取決于水印信息嵌入的位置，即水印信息要隱藏于載體數(shù)據(jù)的內(nèi)容中，以防止水印信息的丟失。

1.1.4 可證明性

數(shù)字水印信息多元化，可以是用戶自己的身份識(shí)別信息、產(chǎn)品的標(biāo)志或有或者是用戶標(biāo)識(shí)意義的文字等，利用數(shù)字水印算法它們被嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中。在實(shí)際應(yīng)用中，可以重復(fù)疊加水印，允許多重水印技術(shù)嵌入保護(hù)數(shù)據(jù)安全，而被嵌入的每一個(gè)水印都能夠獨(dú)立驗(yàn)證。

1.2 數(shù)字水印分類

數(shù)字水印的分類有多種，根據(jù)不同的出發(fā)點(diǎn)，數(shù)字水印就有不同的劃分方式：

（1）按載體劃分，將水印分為圖像，音頻，視頻、文檔水印以及網(wǎng)格水印等。

（2）按水印可見性劃分為可見水印和不可見水印，不可見水印是主要應(yīng)用和研究方向。

（3）根據(jù)抵御攻擊的能力分為魯棒性水印和脆弱性水印，魯棒性水印是指能抵御一定程度的惡意攻擊或者是一些非惡意攻擊，魯棒性水印多用于版權(quán)保護(hù)。

（4）按水印的嵌入方式劃分為空域水印、變換域水印，目前采用較多的算法是變換域， 變換域的算法主要有離散余弦變換（DCT）和離散小波變換（DWT）兩類。

（5）根據(jù)檢測(cè)過程分為非盲水印、盲水印。在提取或恢復(fù)水印的過程中，如需要原始數(shù)據(jù)的參與稱為非盲水印，否則不需要載體圖像參與即為盲水印。目前盲水印是數(shù)字水印算法主流研究方向。

1.3 數(shù)字水印的應(yīng)用

數(shù)字水印技術(shù)近年來得到廣泛應(yīng)用，具體主要表現(xiàn)在以下方面：

1.3.1 版權(quán)保護(hù)

應(yīng)用水印技術(shù)將水印作品嵌入原始數(shù)字作品中，嵌入水印是不可見的。如作品一旦出現(xiàn)侵權(quán)事件，即可通過水印技術(shù)提取出嵌入的水印，獲得版權(quán)依據(jù)，以此來維護(hù)合法權(quán)益。

1.3.2 數(shù)字指紋

數(shù)字指紋技術(shù)是一種可靠的先進(jìn)技術(shù)，已應(yīng)用于多種領(lǐng)域。為了防止數(shù)字作品內(nèi)容不會(huì)被拷貝，可以在發(fā)送給用戶的數(shù)字作品中嵌入不同的水印識(shí)別信息，依據(jù)用戶信息生成水印，如發(fā)現(xiàn)未授權(quán)的拷貝，即可根據(jù)拷貝的指紋來確定來源，維護(hù)合法權(quán)益。

1.3.3 認(rèn)證和信息完整性檢驗(yàn)

通過脆弱水印技術(shù)，對(duì)水印中的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)，可以采用數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的密鑰識(shí)別水印，通過檢驗(yàn)水印信息完整性來確保信息的完整。可效精簡處理過程，認(rèn)同相同內(nèi)容存在密切聯(lián)系。

1.3.4 訪問控制

利用數(shù)字水印技術(shù)能夠?qū)⒖刂菩畔⑶度氲矫襟w作品中，實(shí)現(xiàn)訪問的控制，突顯出數(shù)字水印技術(shù)的魯棒性。

2 水印信息預(yù)處理復(fù)合加密算法

水印信息預(yù)處理可以清除原水印圖像像素間的相關(guān)性，把有意義的水印圖像變得毫無意義，將二值水印信號(hào)轉(zhuǎn)換為雜亂無章的序列，非法用戶即使獲取了該水印數(shù)據(jù)，由于截獲的為無意義亂碼，攻擊者仍然無法得到水印信息的真實(shí)內(nèi)容，只有掌握了置亂算法和密鑰的人才可以提取出正確的水印信息。對(duì)水印進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)圖像的安全性。針對(duì)Arnold 置亂，破解密碼難度不高和單一的Logistic混沌映射可能退化為周期問題，為此，采用將Arnold 置亂和Logistic混沌加密二者結(jié)合的方法，對(duì)水印圖像實(shí)現(xiàn)共同置亂雙重加密，提高水印系統(tǒng)的安全性。