基于提升小波變換LWT的AES數(shù)據(jù)加密水印技術(shù)

李 偉， 孫云娟

(1.河南師范大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院， 河南新鄉(xiāng) 453007； 2.河南師范大學(xué) 新聯(lián)學(xué)院, 河南新鄉(xiāng) 453007)

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)改變了人們的生活方式，在互聯(lián)網(wǎng)上人們可以交互他們的多媒體文本和數(shù)據(jù)，如語音、數(shù)據(jù)和圖像等。一個(gè)突出的問題就是版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證,信息技術(shù)發(fā)展的趨勢增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸安全性的需要。通信信道的數(shù)據(jù)傳輸為了數(shù)據(jù)的安全必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。近些年，數(shù)字圖像水印技術(shù)已經(jīng)提出用于多媒體文本和數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)。

Vivekanda等[1]提出了一個(gè)具有魯棒性和透明性的有效水印技術(shù)，基于在DWT域中進(jìn)行奇異值分解(SVD)，很容易產(chǎn)生誤判；Ray等[2]提出了一種改進(jìn)算法，在DWT域中嵌入主值分量；Musrrat等[3-5]引入優(yōu)化算法計(jì)算嵌入水印強(qiáng)度系數(shù)；Nasrin等[6-8]提出LWT算法水印技術(shù)；Daled等[9]提出了RC4數(shù)據(jù)加密水印技術(shù)方案;Yangliu等[10]提出了邏輯映射和RSA數(shù)據(jù)加密水印技術(shù)方案；Indra等[11]提出了AES數(shù)據(jù)加密用于通信技術(shù)。為了提高水印的安全性、魯棒性和透明性，本文提出了基于提升小波理論LWT的灰度水印AES數(shù)據(jù)加密的水印技術(shù)方案,提升小波變換計(jì)算效率高，在整數(shù)域圖像重構(gòu)精確, 是一種整數(shù)到整數(shù)的變換，灰度水印圖像AES數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)更安全，為水印技術(shù)又多了一層保護(hù),SVD技術(shù)是一個(gè)用于圖像壓縮和數(shù)據(jù)隱藏強(qiáng)有力的工具。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 提升小波變換(LWT)

離散小波變換已經(jīng)成功地應(yīng)用于圖像壓縮和圖像處理領(lǐng)域[12-15]。由于傳統(tǒng)小波系數(shù)的浮點(diǎn)類型，使得在圖像重構(gòu)時(shí)引入舍入誤差失去了圖像的精確性。提升小波變換在直接分析整數(shù)域問題時(shí)簡化可逆性問題，精確度高。提升小波方案采用了原位運(yùn)算，運(yùn)算速度快，效率高，所需存儲空間少。該算法分為分裂、預(yù)測和更新3個(gè)步驟。提升小波變換的分解框圖如圖1所示, 重構(gòu)過程為分解的逆過程。

圖1 提升小波變換的分解框圖

(1)分裂:將原始信號x(n)分解為偶點(diǎn)和奇點(diǎn)樣值序列xe(n)和xo(n)。

(2)預(yù)測:利用偶點(diǎn)序列xe(n)的預(yù)測值P[xe(n)]來預(yù)測奇點(diǎn)序列xo(n)，其差值d(n)=xo(n)-P[xe(n)]定義為信號x(n)的細(xì)節(jié)(高頻)分量，其中P[·]為預(yù)測算子。

(3)更新:利用高頻分量d(n)來更新偶點(diǎn)序列xe(n)，即：近似分量(低頻)c(n)=xe(n)+U[d(n)]，其中U[·]為更新算子。

1.2 高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)數(shù)據(jù)加密算法

AES和DES算法的安全性非常好[15]。AES算法是對稱的，在加密和解密過程中共用一個(gè)密鑰，而DES算法是非對稱的；AES算法中選擇長度為128 bit、192 bit和256 bit的密鑰，AES算法的密鑰比DES更難破解。初始密鑰經(jīng)過密鑰擴(kuò)展形成輪密鑰(round key),每一輪數(shù)據(jù)包括4個(gè)操作：字節(jié)代換、行位移、列混合和輪密鑰加。AES算法圖(第k輪算法)如圖2所示。

圖2 AES算法圖(第k輪算法)

1.3 奇異值分解(SVD)

2 方法提出

然后重構(gòu)LL子帶分量，利用LWT逆變換重構(gòu)嵌入水印圖像，按照相逆的方法提取水印。

2.1 水印嵌入算法

(1)將原始圖像利用提升小波變換LWT分解成4個(gè)子帶；

(2)將LL子帶劃分成l×l大小的模塊K；

(3)對LL子帶的每一個(gè)模塊進(jìn)行奇異值分解：K=USV′，S=diag(λi)；

(4)將水印圖像進(jìn)行AES加密，將加密后的圖像數(shù)據(jù)D進(jìn)行奇異值分解：D=UwSwVw′，Sw=diag(λwi)；

(6)重構(gòu)嵌入水印的LL模塊：Kd=USdV′；

(7)利用LWT逆變換形成嵌入水印圖像。

2.2 水印提取算法

(1)把嵌入水印圖像利用LWT分解為4個(gè)子帶圖像；

(2)把LL子帶圖像劃分為l×l大小的模塊Kd；

(6)將AES加密水印圖像進(jìn)行AES解密，恢復(fù)原始水印。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及其性能

仿真環(huán)境為MATLAB7.0，選擇數(shù)字圖像處理標(biāo)準(zhǔn)測試圖庫中的標(biāo)準(zhǔn)圖像，尺寸大小為256×256像素，如圖3(a)所示，灰度水印圖像尺寸大小為32×32像素，如圖4(a)所示。首先將水印圖像分解成8×8個(gè)子塊，每子塊大小為4×4像素。選擇128 bit初始密鑰進(jìn)行密鑰擴(kuò)展生成輪密鑰，每個(gè)子塊數(shù)據(jù)經(jīng)過10輪的字節(jié)代換、行位移、列混合和輪密鑰加形成灰度水印圖像的AES加密圖像，如圖4(b)所示。再將原始圖像進(jìn)行LWT變換分解為4個(gè)子帶，取出LL子帶，大小為128×128像素，提取LL子帶和AES水印圖像的主值，按照水印嵌入方法嵌入水印。嵌入水印圖像如圖3(b)所示。水印提取按照相逆的算法進(jìn)行。提取的灰度水印AES解密圖像如圖4(c)所示。隨著網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密的要求日益提高，AES的應(yīng)用首先體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域中。灰度水印圖像經(jīng)過AES數(shù)據(jù)加密后比EDS數(shù)據(jù)加密更難破解，AES算法抗旁道攻擊以及其他攻擊性能非常強(qiáng)。因此該水印的安全性非常好。

(a)原始圖像 (b)嵌入水印圖像圖3 原始圖像和嵌入水印圖像

(a)水印圖像 (b)AES加密圖像 (c)AES解密圖像圖4 水印圖像及其AES加密解密圖像

(a)高斯噪聲干擾 (b)椒鹽噪聲干擾 (c)斑紋噪聲干擾圖5 噪聲干擾時(shí)提取的水印圖像

4 結(jié) 語

利用提升小波理論運(yùn)算效率高、精確度高的優(yōu)點(diǎn)和灰度水印圖像AES加密數(shù)據(jù)更安全的特點(diǎn)，提出了基于提升小波變換的AES數(shù)據(jù)加密水印技術(shù)，以提高水印的魯棒性、透明性和安全性。仿真實(shí)驗(yàn)說明了該方法的有效性。