基于雙重加密和紋理特征的盲水印算法*

唐宛蓉 李潤午 莫加京

(1.廣西大學計算機與電子信息學院 南寧 530004)(2.廣西衛生職業技術學院 南寧 530023) (3.民盟廣西區委 南寧 530023)(4.廣西河池市國資委 河池 530800)

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基于雙重加密和紋理特征的盲水印算法*

唐宛蓉1,2李潤午3莫加京4

(1.廣西大學計算機與電子信息學院 南寧 530004)(2.廣西衛生職業技術學院 南寧 530023) (3.民盟廣西區委 南寧 530023)(4.廣西河池市國資委 河池 530800)

提出一種基于圖像紋理、高斯隨機置亂和混沌變換的圖像數字水印算法。該算法利用混沌變換和高斯隨機置亂對水印進行雙重加密,以提高水印的安全性。在水印嵌入時,將載體圖像進行分塊,應用Prewitt因子對其的紋理特征區域進行分類,并對不同區域選擇不同的嵌入強度。實驗結果表明,該算法具有良好的透明性和魯棒性。

盲水印; Logistic映射; 高斯置亂; 雙重加密; 紋理特征

Class Number TP391

1 引言

近年來,多媒體技術和互聯網的迅速發展,給人們的生活帶來極大便利的同時,也帶來了日益嚴重的多媒體作品被侵權、被篡改問題。而傳統的信息安全技術無法滿足多媒體信息的版權保護要求。為了解決這一難題,數字水印作為一種有效的版權保護技術,得到了迅速的發展[1]。目前,數字水印分為非盲水印和盲水印,非盲水印提取時需要原始數據而后者不需要[2～3]。一方面,由于實際運用中不容易獲得原始數據,盲水印在版權保護中更具有更好的應用前景;另一方面,盲水印和非盲水印相比,其安全性較差。針對盲水印易被攻擊者檢測出的特點,本文提出一種基于混沌(Logistic)和置亂雙重加密的水印算法,同時結合人類視覺特性,根據載體圖像自身紋理特征來有差別的嵌入信息,從而在提高水印的安全性和魯棒性的同時兼顧了透明性。

2 基于混沌和置亂加密算法

傳統密碼學加密方法是針對文本設計的,無法滿足數字圖像加密的要求,針對圖像數據量大、相關度高、冗余性強等特點,如何進行快速安全的加密已成為研究焦點。混沌映射是一種基于混沌現象的置亂方法,混沌映射所產生的信號具有良好隨機性的,同時對參數具有較強的敏感性和遍歷性[4～5]。1989年文獻[6]首次將混沌引入到加密領域,1998年文獻[7]率先把混沌映射應用于圖像加密。目前,混沌映射已成為圖像加密領域研究的熱點[8]。

2.1 混沌映射

Logistic映射又稱Logistic迭代,是一個時間離散的動力系統,按照如下方程進行反復迭代[9]:

x(t+1)=μx(t)(1-x(t)),μ∈[0,4],x(t)∈[0,1],

其中,t為迭代時間步,μ為一可調參數。

混沌研究表明,當3.05699456≤μ≤4時,Logistic映射工作于混沌態。也就是說,由初始條件x(0)在Logistic映射的作用下所產生的序列{x;t=0,1,2,3…}是非周期的、不收斂的并對初始值非常敏感的。混沌加密解密的過程如圖1所示。

圖1 混沌加密和解密過程

2.2 高斯隨機置亂

在數字水印預處理中,置亂加密不僅可以增加水印的安全性,而且它能通過重置后的隨機性,提高水印的魯棒性。Cox[10]研究指出由高斯隨機序列構成的水印信號具有良好的魯棒性,基于這一理論,本文提出對原始水印圖像進行高斯置亂加密。

1) 將原始水印圖像W變換成一維向量Vi(i=0,1,2,…,n);

2) 正態分布隨機函數生成數組Ui(i=0,1,2,…,n);

5) 按key對Vi進行置亂加密轉換成水印信號W～。

水印信號W～為服從N(0,1)正態分布,長度為n的隨機序列。

2.3 雙重加密的預處理

隨著置亂加密技術的發展,研究者嘗試將多種置亂方法組合起來,增加密鑰空間長度,使得密碼破譯需要花費巨大的計算量來測試各種可能性。采用組合置亂的方法可有效彌補單一置亂方法的不足,提高加密的安全性。為此,本文提出一種將混沌和隨機置亂雙重加密的水印預處理方法,具體算法如圖2所示。

圖2 雙重加密和解密過程

3 紋理特性的水印嵌入

人類視覺特性HVS:在圖像平滑區域,人眼視覺對其變化較為敏感;在圖像紋理區域,紋理越復雜人眼視覺對外來信號干擾容忍度越高[11]。為此,本文應用一種基于圖像紋理特性的水印嵌入算法。為了有效抵抗噪聲攻擊,希望抽取的紋理特征對噪聲攻擊具有更好的抗性,本文的處理方法是采用Prewitt因子進行紋理檢查。算法將水印載體圖像分割成若干8×8單位塊,分別進行Prewitt檢測,并根據檢測結果設置閾值將各個單元塊分成三類(平滑區域、邊緣區域、紋理區域),對不同類別的單元塊進行不同強度的嵌入操作。

4 基于雙重加密和紋理特征的水印算法

針對現有數字水印加密方法存在一定的安全隱患,本文將混沌映射、隨機置亂有機結合,同時利用紋理特性,自適應調整水印嵌入強度,構造一種基于雙重加密和紋理特征的水印算法。其基本思想:首先將原始水印進行混沌置亂變換,再進行隨機置亂產生符合高斯分布的嵌入信息,將載體圖像分割成若干個8×8單位塊進行紋理特性分類,根據分類嵌入不同強度的處理后水印信息,得到嵌入水印后的圖像。水印嵌入提取過程如圖3、圖4所示。

圖3 水印嵌入示圖

5 實驗分析

本文在Matlab上進行水印嵌入和提取實驗,使用64×64的二值圖像作為原始水印如圖5(c)所示,圖5(d)是水印混沌加密后的圖像、圖5(e)是水印二次加密后的圖像,采用512×512的灰度圖像為載體圖像,圖5(a)為載體圖像,圖5(b)為含水印圖像(Barb),而圖5(f)是算法提取的水印圖像。

圖4 水印提取示圖

圖5 水印嵌入和提取

圖6是三種攻擊后的載體圖像和提取的水印。表1是傳統盲水印算法和本文算法提取水印圖像的歸一化相關系數(nc)的比較。

圖6 三種攻擊下的載體圖像和水印提取

水印攻擊傳統算法(nc)本文算法正常提取11斑點噪聲(0．01)0．9370．969斑點噪聲(0．05)0．8220．841剪切1/40．7360．952剪切1/20．6260．900中值濾波([3×3])0．9390．946中值濾波([4×4])0．7460．753

通過上述實驗,可以看出本文提出的算法相比傳統算法有較好的透明性并且對于噪聲、濾波、剪切等攻擊具有更強的魯棒性。分析原因是: 1) 圖像的紋理特征是基于Prewitt邊緣檢測,有平滑作用,所以在嵌入強度相同情況下,本文算法對于噪聲攻擊有更好的魯棒性; 2) 由于水印經混沌、高斯隨機置換后使信息更均勻分布到整幅圖像上,從而提高了抗剪切力; 3) 由于采用盲水印和中等強度的嵌入,對于中值濾波抗性表現一般。

6 結語

本文提出了一種基于雙重加密和紋理特征的盲水印算法,采用混沌映射、隨機置亂的水印預處理方法,同時利用分塊的紋理特性有效地選擇水印嵌入強度。實驗結果表明,本算法在兼顧水印透明性的同時,對噪聲、濾波、剪切等攻擊具有魯棒性。

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Blind Watermarking Arithmetic Based on Dual Encryption and Textured Features

TANG Wanrong1,2LI Runwu3MO Jiajing4

(1. School of Computer and Electronic Information, Guangxi University, Nanning 530004) (2. Guangxi Medical College, Nanning 530023)(3. Guangxi Committee of China Democratic League, Nanning 530023) (4. State-owned Assets Supervision and Administration Commission of Liuzhou Municipal Government, Hechi 530800)

An image watermarking method based on image texture, random transformation(Gaussian distribution) and Logistic mapping is proposed in this paper. In this algorithm, chaos transform is used together with random mapping to encrypt watermark in order to enhance the security. When embedding watermarking, the original image separates the texture regions by using the Prewitt operator, and different textures are embedded by different strengths of watermark. A lot of experiment are done,and results show the invisibility and robustness of this method.

blind watermarking, Logistic mapping, Gaussian scrambling, dual encryption, texture feature

2016年7月10日,

2016年8月27日

唐宛蓉,女,碩士研究生,工程師,研究方向:計算機圖形圖像處理。李潤午,男,碩士,工程師,研究方向:數字圖像處理。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.034