信息安全课程设计-基于Matlab的数字图像加密水印嵌入与提取.docx

基于Matlab的数字图像加密水印嵌入与提取 田学成【摘 要】数字图像加密解密技术是随着信息安全与保密被重视而发展起来的。良好的数字图像加密算法一方面可以达到使非法使用者无法破译图像内容的目的，数字水印和签名技术也是加强信息安全的重要措施。【关键词】信息安全；数字图像；数字加密解密；数字水印Matlab-based digital image encryption watermark signature analysisTian XuechengAbstractDecrypt the digital image encryption technology is developed with the information security and confidentiality are considered. Good digital image encryption algorithm on the one hand, can achieve the purpose of making illegal users unable to decipher the image content, signature and digital watermarking technology is an important measure to strengthen information securitykey wordsdigital image encryption; watermarking technology一、引言图像加密技术在信息安全领域应用越来越重要，本文主要就目前图像加密技术和图像数字水印技术的算法进行讨论，通过MATLAB软件实现了图像加密和图像水印提取的理论实现。二、数字图像加密技术本章探讨图像加密算法包括像素点随机打乱、图像行列随机乱序、色彩饱和度混乱重置等，并给出了三种算法。图1-1 混沌散列加密流程Matlab里的imread函数可用于读取图片文件中的数据。读进去的数据为一个三层的矩阵，矩阵的行或列表示图像每一个像素点的位置。矩阵的第一层、第二层、第三层分别代表红、绿、蓝三种像素（RGB色域）。对此，可设计以下几种加密方法：随机打乱各层的行或列。随机打乱像素点像素点RGB值的缩放，打乱矩阵行或列的方法运算步骤少、运算速度快，可对较大图像文件进行加密，缺点是对于一些特殊的图像无法进行加密。图1-2 图像处理应用程序界面（一）图像行列加密用imread函数将图像读入矩阵RGB中,假设RGB是一个m行n列3层的矩阵。randsample可产生随机向量，用此函数产生一个与图像矩阵RGB的行数m相等的整数随机数列并返回到r中。这样就可以将原图像矩阵的行随机打乱，将打乱后的矩阵返回至RGBS中。用find函数找出向量r内从1到m的元素的位置并返回到向量f。至此就可以将打乱的图像还原。图1-3 图像行列加密（二）图像像素点加密每个像素都有各自的颜色值，可采三原色显示，因而又分成红、绿、蓝三种子像素（RGB色域），或者青、品红、黄和黑（CMYK色域，印刷行业以及打印机中常见）。像素点随机打乱算法即将图像文件的每一个像素点随机打乱。这种算法的加密效果非常好，加密用的随机数列更提高了这种算法的加密性，但是由于真彩图像的矩阵元素非常多，这种加密算法运算速度较慢。用imread函数将图像读入矩阵RGB中,假设RGB是一个m行n列3层的矩阵。randsample可产生随机向量，用此函数产生一个值为从1到m*n*3的行向量并返回到r中。这样就可以将原图像矩阵的所有像素点随机打乱，将打乱后的矩阵返回至RGBS中，在用reshape函数将RGBS中的所有元素重置为新的的矩阵并返回到RGBSS中。用find函数找出向量r内从1到m的元素的位置并返回到向量f。至此就可以将打乱的图像还原。图14 图像像素点加密（三）像素点RGB值的缩放每个像素都有各自的颜色值，其颜色值按一定倍数缩放，将其原数值进行覆盖，便产生了与原图像不同的图像，起到了加密的作用。这种加密方法加密效果会随倍数的增加其效果会更好，但由于过于简单，易被解密。用imread函数将图像读入矩阵RGB中,假设RGB是一个m行n列3层的矩阵。Rand函数产生一个m行n列3层的由随机数组成的矩阵，并返回到r中，再返回时可以数乘一个数改变其缩放倍数。用矩阵的点运算，通过点乘、点除，可得到加密解密图像。本文简单讨论了三种对数字图像加密解密的方法及原理，以及其matlab实现方法和加密效果。这三种方法只适用于加密后立刻解密，要广泛应用应选择一个具体的固定的算法进行加密解密。从以上分析可知，不同的加密方法适用于不同的场合，而加密算法的不同也使得图像加密效果和运算速度有所不同。图像加密解密技术随着信息安全的要求而越来越被重视，所以完善和改进图像加密算法将是今后要解决的一个重要问题。图1-5图像RGB像素点加密三、数字图像水印技术数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：1、隐蔽性：在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。 2、隐藏位置的安全性：水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。 3、鲁棒性：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。（一）离散余弦变换水印嵌入算法数字图像水印算法选择二值化灰度图像作为水印信息，根据水印图像的二值性选择不同的嵌入系数，并将载体图像进行88的分块，将数字水印的灰度值直接植入到载体灰度图像的DCT变换域中，实现水印的嵌入，具体方法如下：首先读取原始图像和黑白水印图像到二维数组M与N，然后将原始图像M分割为互不覆盖的图像块block(x,y)，1x,y8，对block(x,y)进行DCT变换，得到block_dct(x,y)，继续取黑白水印图像中的一个元素W(p,q)嵌入原始图像块的低频系数中，对嵌入水印信息后的图像块block_dct(x,y)进行逆DCT变换，最后合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像。图2-1图像水印嵌入图2-2图像水印嵌入（二）数字水印提取算法实现首先读取嵌入黑白水印化的图像，并对图像进行分块，对每一图像块进行逆DCT变换，得到嵌入水印后的图像块block_dct(x,y)，从每一图像block_dct(x,y)提取出黑白水印元素W(p,q)，进行DCT变换合并图像块，得到原来的黑白水印图像,如图5-2所示按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间。图2-3 图像水印提取流程图2-4 数字水印分离四、总结从整体上来看，本次课程设计中，在MATLAB软件上基于以前图像处理的基础啊上提出了信息安全的图像加密技术，和数字图像水印技术，基于dct的数字图像水印的提取与嵌入，以及其性能的检测有着一定的可取性。其对传输过程中的噪声的影响有着一定的抵抗能力。而且对于高斯滤波攻击等一些非刻意的攻击具备较强的抵抗能力。然而其也具有一定的缺陷，例如物理性攻击如旋转，缩放等易造成嵌入水印的提取不出来，水印严重失真。对于剪切的攻击，我们可以通过提取的图像来确定其原始含水印图像的剪切修改的位置。本实验采用的仿真软件是MATLAB72014。整体来说，嵌入的水印图像还