（概率论与数理统计专业论文）数字水印中自适应多级信息隐匿算法研究.pdf

数字水印中自适应多级信息隐匿算法研究 概率论与数理统计专业 研究生：施达指导教师：马洪 随着多媒体和网络技术的飞速发展并广泛应用，数字媒体( 包括数字图像、 数字视频、音频) 已得到了广泛的应用。信息媒体的数字化为信息的存取提供 了极大的方便，但同时也使得其负面效应信息传播中的信息安全问题和数 字产品的版权保护问题越来越成为一个追在眉睫的现实问题。如何在目前开放 式的网络环境中为数字信息产品提供切实有效的版权保护和数据安全手段已成 为一个现实的问题。传统的加密方法已不能满足实践的需要。数字水印技术作 为传统加密技术的有效补充手段，近年来已经引起了人们越来越多的兴趣。 本文利用混沌序列作为置乱序列的良好性能和人类视觉系统( h v s ) 的视 觉掩盖特性提出了一种基于多级信息隐匿技术的图像数字水印算法。该方法首 先对原始图像的边缘图像作离散小波变换( d w t ) ，选择若干小波变换子图，再 对其实施离散余弦变换( d c t ) ，利用混沌序列将水印置乱，然后利用h v s 的视 觉掩盖和图像边缘具有较大的梯度的特点自适应地将置乱后的水印嵌入到置乱 后的d c t 中频系数中。水印检测时，虽然仍需要原图像，但原图像已被置乱， 必须先用密钥将其恢复后才能看到原图像的真实面貌。实验结果表明：该算法 较好地兼顾了水印的稳健性和不可见性，并具有较强的抗攻击能力。 关键词：数字水印混沌序列图像边缘图像置乱小波变换 d c t 变换视觉掩盖 r e s e a r c ho f a d a p t i v em u l t i s t e pi n f o r m a t i o nh i d i n g a l g o r i t h mi nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g m a j o r ：p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s g r a d u a t es t u d e n t ：d as h i i n s t r u c t o r ：h o n gm a a b s t r a c t ：w i t ht h eb o o m i n gd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f m u l t i m e d i aa n dc o m p u t e rn e t w o r k s ，t h ed i g i t a lm e d i a s ( i n c l u d i n gd i g i t a li m a g e ， d i g i t a lv i s i o na n da u d i of r e q u e n c y ) h a v eb e e na p p l i e de x t e n s i v e l y w i t l lt h e d i g i t a l i z a t i o no fi n f o r m a f i o nm e d i a s ，w ec a ng e td i g i t a li n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l ya n d q u i c k l y b u tt h en e g a t i v ee f f e c to fd i g i t a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a d et h ec o p y r i g h t a n ds e c u r i t yo fd i g i t a li n f o r m a t i o np r o d u c t sb ew i d e l yt h r e a t e n e dn o w i nt h eo p e n c o m p m e rn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i th a sb e c o m em u c hu r g e n tf o r h st o p r o v i d e e f f i c i e n tc o p y r i g h ta n ds e c u r i t yp r o t e c t i o nm e a n sf o rt h ed i g i t a li n f o r m a t i o np r o d u c t s t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so f e n c r y p t i o nh a v ea l r e a d yn o ts a t i s f i e dt h en e e d so f p r a c t i c e a sae f f e c t i v ec o m p l i m e n t a r i l ym e a n so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o do fe n c r y p t i o n ，t h e d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yh a sa l r e a d ya r o u s ep e o p l em o r ea n dm o r ei n t e r e s ti n r e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , w em a k eu s eo f t h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h ec h a o t i cs e q u e n c ea sa m e t h o do fc o n f u s i n ga n dt h eh v sv i s u a lm a s k i n g ，a n dp r e s e n taa l g o r i t h mo fi m a g e w a t e r m a r kb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f m u l t i s t e pi n f o r m a t i o nh i d i n g i nt h i sa l g o r i t h m ， a tf i r s t ，w em a k et h et r a n s f o r m a t i o no fd w to nt h eo r i g i n a li m a g e ，t h e ns e l e c ts o m e s u bi m a g eo ft h ed w la n dm a k et h et r a n s f o r m a t i o no fd c to nt h e m ，a n du s e c h a o t i cs e q u e n c et oc o n f u s et h ei n i t i a lw a t e r m a r k ；t h e n ，b a s e do nt h eh v sv i s u a l m a s k i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei m a g ee d g e ，d i g i t a lw a t e r m a r ki se m b e d d e dt o t h ec o n f u s e dd c tm i d d l ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so ft h eb l o c k d c zt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o ww i t ht h i sa l g o r i t h m ，w a t e r m a r kc a r la c h i e v eb e t t e rr o b u s ta n di n v i s i b l e i t sa l s oh a ss t r o n g e ra b i l i t yo f a n t i a t t a c k k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；c h a o t i cs e q u e n c e ，e d g eo fi m a g e ，c o n f u s i n g o fi m a g e ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，d c t , v i s u a lm a s k i n g 数字水印中自适应多级信息隐匿算法研究 概率论与数理统计专业 施达 摘要：本文提出了一种基于多级信息隐匿技术的图像数字水印算法。该方 法首先对原始图像的边缘图像作小波变换，选择若干小波变换子图，再对其实 施离散余弦变换；另一方面，我们利用混沌序列将水印置乱，然后利用h v s 的 视觉掩盖和图像边缘具有较大的梯度的特点自适应地将置乱后的水印嵌入到置 乱后的d c t 中频系数中。实验结果表明：该算法较好的兼顾了水印的鲁棒性和 不可见性，并具有较强的抗攻击能力。 关键词：数字水印混沌序列图像边缘图像置乱小波变换 d c t 变换视觉掩盖 1 引言 当前时代是信息化的时代。随着多媒体和网络技术的飞速发展并广泛应用， 数字媒体( 包括数字图像、数字视频、数字音频) 已得到了广泛的应用。信息 媒体的数字化为信息的存取提供了极大的方便，数据的交换和传输变成了一个 相对简单的过程，人们可以借助于计算机，扫描仪，打印机等电子设备方便 迅捷地将数字信息传达到世界各地。但随之而来的负面效应：一方面信息传播 存在信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 的问题，另一方面数字产品的传播和复制 存在版权保护fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 司题。这些问题的解决己成为一个追在眉睫 的现实问题。通常人们认为通信的安全问题可以通过加密来实现，即将多媒体 数据文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密 文获得机密信息，从而达到版权保护和信息安全的目的，但实际上，这并不能 解决问题。因为，一方面加密后钓文件因其不可理解性妨碍多媒体的传播；另 一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可 能性( 实际上随着解密技术的不断提高。传统的加密技术已经受到了前所未有 的挑战) ，而一旦加密文件被破解后其内容就完全透明了。数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 技术作为佳统加密技术的有效 充手段，是一种可以在开放的网 络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，近年来已经引起了人们的高 度重视，并己成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。 2 数字水印技术的基本框架 2 。1 信息隐藏模型 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 不同于传统的密码学技术。密码技术主要是 研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式f 密文) 进行 传递；而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另公开的信息 中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监铡 者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发 送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言可能的监测者或非法拦截 者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保 证机密信息的安全。多媒体技术的广泛应用。为信息隐藏技术的发展提供了更 加广阔的领域。 我们称待隐藏的信息为秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ，它可以是版权信息或秘 密数据，也可以是一个序列号：而公开信息则称为载体信息( c o v e rm e s s a g e ) ， 如视频、音频片段。这种信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，即通过嵌入算 法( e m b e d d i n ga l g o r i t h m ) 将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘 密信息的公开信息) 则通过信道( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 传递，然后检测器 ( d e t e c t o r ) 利用密钥从隐蔽载体中恢复检测出秘密信息。 信息隐藏技术主要由下述两部分组成：( 1 ) 信息嵌入算法，它利用密钥来 实现秘密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息检测，提取算法( 检测器) ，它利用密钥从 隐蔽载体中检测恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘 载体中得到或删除秘密信息。 2 2 数字水印的基本概念 所谓数字水印l l 】技术就是将序列号，身份识别码，图像标志，文本，音频和 视频等信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权保护，秘密通信，数据文件真伪 鉴别和产品标志等作用。由于图像存在视觉冗余的机理，即在视觉上图像具有 一定的伸缩性，所以我们可以在保持图像的视觉质量不变的情况下对其进行压 缩或嵌入一定的信息。嵌入的数字水印既不扩大原图像所占的空间，也不引起 度重视，并已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。 2 数字水印技术的基本框架 2 1 信息隐藏模型 信息隐藏( n f o r m a t k mh i d i n g ) 不同于传统的密码学技术。密码技术主要是 研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行 传递；而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息 中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测 者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发 送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截 者则难以从公开信息中判断机密信息是雨存在，难以截获机密信息，从而能保 证机密信息的安全。多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更 加广阔的领域。 我们称待隐藏的信息为秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ，它可以是版权信息或秘 密数据，也可以是一个序列号：而公开信息则称为载体信息( c o v e rm e s s a g e ) 如视频、音频片段。这种信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，即通过嵌入算 法( e m b e d d i n ga l g o r i t l m a ) 将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘 密信息的公开信息) 则通过信道( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 传递，然后检测器 “e t e c t o r ) l j 用密钥从隐蔽载体中恢复检测出秘密信息。 信息隐藏技术主要由下述两部分组成：( t ) 信息嵌入算法，它利用密钥来 实现秘密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息检测提取算法( 检测器) ，它利用密钥从 隐蔽载体中检测，恢复h 秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者报难从隐秘 载体中得到或删除秘密信息。 22 数字水印的基本概念 所谓数字水印川技术就是将序列号，身份识别码，图像标志，文本，音频和 视频等信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权保护，秘密通信，数据文件真伪 鉴别和产品标志等作用。由于图像存在视觉冗余的机理，即在视觉上图像具有 一定的伸缩性，所以我们可以在保持图像的视觉质量不变的情况下对其进行压 缩或嵌入一定的信息。嵌入的数字水印既不扩大原图像所占的空间，也不引起 缩或嵌入一定的信息。嵌入的数字水印既不扩大原图像所占的空问，也不引起 视觉上的人工痕迹。相对于其他信息隐藏技术，数字水印有以f 三种优势：其 一，水印是无法感知的( 可见水印除外) ，从而不会影响多媒体的美观；其二， 嵌入水印的多媒体文件在使用过程中，水印始终和多媒体文件不分割且不会被 消除；其三，水印与被嵌入水印的作品在应用中会经历相同的变换，从而可以 通过查看水印获悉变换的一些情况。 我们以数字水印在多媒体数字产品的版权保护中的应用为例，介绍数 字水印的基本框架。我们可将数字水印信号统一表示为 w = w ( t ) 1 w ( ) u ，k 脬7 “ 其中“表示水印域，d = l ，2 ，3 ，分别表示声音、静态图像和视频水印。 水印信号可以是二进制形式或高斯噪声形式，其幅值相对于要保护的数字产品 的幅值而言应该是很小的。w 有时被称作“原始水印”，以区别于可能在嵌入 检测过程中变换以后的水印f ( w ) 。 通用水印框架( g w f ) 可用六元组( x ，w ，k ，g ，告，d ) 表示，其中： ( 1 ) x 表示要被保护的数字水印产品的集合。 ( 2 ) w 表示水印信号集合。 ( 3 ) k 表示水印密钥空间。 ( 4 ) g 表示用某密钥与要加水印的数字产品产生水印的水印生成算法 g ：x k ww = g f x ，k 1 ( 5 ) 亭表示在数字产品中加入水印的水印嵌入算法 善：x x w k z= 掌( x o ，矿) ( 6 ) d 为水印检测算法 d ：x k j o ，1 则朋= 任磊。黧出 通用数字水印框架( g w f ) 应满足如下一些条件： ( 1 ) 不可感知性水印嵌入不应造成可觉察的数据变化。即与原产品。 相比，嵌入水印的产品x 。不应有任何可感知降质或变形。该性质可以表示为： x n x 。 ( 2 ) 密钥唯一性不同密钥不应产生相同水印。即对任意产品x x 且 彬= g ( x ，k ) ，k i k 2j 。 ( 3 ) 水印有效性只有有效的水印才能被用于水印方案。对一特定产品 爿x 当且仅当存在k k ，以使g ( x ，k ) = w ，水印w w 才有效。 ( 4 ) 不可逆性函数g ，。( 足) = g ( x + ，足) 应该是不可逆的，即g ：不存在或 由w 不能估计出k 。不可逆性意味着对任何水印信号w ，要找到另一个与w 等价的水印是不现实的。 ( 5 ) 产品依赖性当水印算法o 被用相同密钥应用于不同产品时应产生不 同的水印，即对任意给定密钥k k 和任意x 。x ，x ，x ，x ，j 彬眠， 其中形= g ( 置，k ) 。 ( 6 ) 多重水印对一个已作过水印化处理的产品，用一个不同的密钥再加 入一重水印是可能的。盗版者或侵权者有可能利用该特性。但在某些情况下， 该特性也有其正面价值，例如，当一个产品存在很多分销商时，可在产品中加 入标记并在分发通道中进行跟踪。当x 。= 4 ( x 。，w f ) 时，在瓦中应仍能检测 出原水印：d ( x h ，) = 1v i n 。其中，n n 时满2 = x 。凰和x 。x o a ( 7 ) 可靠性检验肯定检验输出应有一个可接受的最小精度。当圪是检 验器的虚警概率时，匕 0 l i - y o r k e 定理：设f ( x ) 是( 口，b 1 上的连续自映射，若f ( x ) 有3 周期点，则对 任何正整数n ，厂( x ) 都有n 周期点。 根据上述的定义和定理，对闭区间i 上的连续函数厂( x ) ，如果存在一个周 期为3 的周期点时，就一定存在任何正整数的周期点，即一定出现混沌现象。 该定义准确地刻画了混沌运动的几个重要特征： ( i ) 存在可数无穷多个稳定的周期轨道； ( i i ) 存在不可数无穷多个稳定的非周期轨道： ( i i i ) 至少存在一个不稳定的非周期轨道。 ( i i ) d e v a n e y 的混沌定义 在拓扑意义下，混沌定义为：设v 是一度量空间，映射f ：v 斗矿，如果 满足下面3 个条件，便称厂在v 上是混沌的； ( 1 ) 对初始敏感依赖。存在占 0 ，对任意的占 0 和任意的x v ，在x 的 i 邻域内存在y 和自然数n ，使得d ( 广( x ) ，- 厂“( _ y ) ) j 。 ( 2 ) 拓扑传递性。对v 上的任意对开集x ，y ，存在k 0 ，( ) n y 中 ( 如一映射具有稠轨道，则它显然是拓扑传递的) 。 ( 3 ) 厂的周期点集在v 中稠密。 对初值的敏感依赖性，意味着无论x 和y 离得多近，在的作用下两者的 距离都可能分开较大的距离。并且在每个点x 附近，都可以找到离它很近而在， 的作用下最终分道扬镳的点y ，对这样的厂，如果用计算机计算它的轨道，任意 微小的初值误差，经过多次迭代后将导致计算结果的失败。 拓扑传递性意味着任一点的邻域在厂的作用下将“遍撒”整个度量空间v ， 这说明厂不可能细分或不可能分解为两个在厂下相互影响的予系统。 周期点的稠密性，表明系统具有很强的确定性和规律性，决非混乱一片， 形似混乱两实则混沌的耐人寻味之处。 4 2 混沌的基本特征 混沌运动是一种不稳定有限定常运动，即为全局压缩和局部不稳定的运动， 或除了平衡，周期和准周期以外的有限定常运动。所谓有限定常运动，是指运 动状态在某种意义上( 以相空闻的有限域为整体) 不随时间而变化。此定义指 出了混沌运动的两个主要特征：不稳定性( 该性质克由平均l y a p u n o v 指数精确 描述) 和有限性。混沌的基本特征有： ( 1 ) 有界性。混沌是有界的，它的运动轨迹线始终局限于一个确定的区域， 这个区域称为混沌吸引域。无论混沌系统内部多么不稳定，它的轨线都不会走 出混沌吸引域。所以从整体上来说混沌系统是稳定的。 ( 2 ) 遍历性。一定条件下，混沌运动在其混沌吸引域内是各态历经的，即 在有限时问内混沌轨道经过混沌区内每一个状态点。 ( 3 ) 内随机性。一定条件下，如果系统的某个状态可能出现，也可能不出 现，该系统被认为具有随机性。一般来说，当系统受到外界干扰时才产生这种 随机性，一个完全确定的系统( 能用确定的微分方程表示) ，在不受外界干扰的 情况下，其运动状态也应当是确定的，即是可以预测的。不受外界干扰的混沌 系统虽能用确定的微分方程表示，但其运动状态却具有某些“随机”性，那么 产生这些随机性的根源只能在系统本身，即混沌系统内部自发的产生这种随机 性。这里的混沌的内随机性是指它的不可预测性，对初值的敏感性造就了它的 这一性质。同时也说明混沌是局部不稳定的。 ( 4 ) 分维性。是指混沌的运动轨迹线在相空间中的行为特征。混沌系统 在相空间中得到运动轨迹线，在某个有限区域内经过无限次的折叠，不同于一 般确定性运动，不能用一般的几何术语来表示，而分数维正好可以表示这种无 限次的折叠。分维性表示混沌运动状态具有多时，多层结构，且叶层越分越细， 表现为无限层次的自相似结构。 ( 5 ) 标度性，是指混沌运动是无序中的有序态。其有序可以理解为：只要 数值或试验设备精度足够高，总可以在小尺度的混沌区内看到其中有序的运动 花样。 ( 6 ) 普适性。所谓普适性，是指不同系统在趋向混沌态时所表现出来的 某些共同特征，它不依具体的系统方程或参数而变。具体体现为几个混沌普适 常数，如著名的f e i g e n b a u r n 常数等，普适性是混沌内在规律性的一种体现。 ( 7 ) 统计特征，正的l y a p u n o v 指数以及连续功率谱等。l y a p u n o v 指数 是对非线性映射产生的运动轨道相互问趋近或分离的整体效果进行的定量刻 画。对于非线性映射而言，l y a p u n o v 指数表示n 维相空间中运动轨道沿各基向 量的平均指数发散率，当l y a p u n o v 指数小于0 时，轨道间的距离按指数消失， 系统运动状态对应于周期运动或不动点：当l y a p u n o v 指数大于0 时，则在初始 状态相邻的轨道将按指数分离，系统运动对应于混沌状态；当l y a p u n o v 指数等 于0 时，各轨道间距离不变，迭代产生的点对应分岔点( 即周期加倍的位置) 。 对混沌系统而言，正的l y a p u n o v 指数表明轨道线在每个局部都是不稳定 的，相邻轨道按指数分离。但是由吸引子的有界性，轨道不能分离到无限远处， 所以混沌轨道只能在一个局部区域内反复折叠，但又永远互不相交。形成了混 沌吸引子的特殊结构。同时正的l y a p u n o v 指数也表示相邻点信息量的丢失，其 值越大，信息量丢失越严重，混沌程度越高。 4 3 混沌序列 混沌系统在混沌区输出的序列称为混沌序列。不同的混沌系统可以产生不 同的混沌序列即使对于同一系统，如果参数不同其混沌特性也是不同的，另 外混沌系统对初值的敏感性，即使系统和参数完全相同，不同的初值也可以得 到不同的随机序列，因此，混沌序列的主要优点是：( 1 ) 通过改变混沌系统参 数及初始值可以得到数量巨大的序列，并且序列长度是任意的，而且一般情况 下，很难从一段有限长度推断混沌序列的初始条件；( 2 ) 混沌序列没有周期， 类似于一个随机过程，因此具有良好的保密性：( 3 ) 昏沌序列的产生和复制很 方便，只要给出一个混沌迭代公式和一个初值，就可以产生一个混沌序列。 本文的混沌系统采用简单且被广泛使用的l o g i s t i c 映射和u l a my o n n e u m a n n 映射。l o g i s t i c 映射定义如下：+ i = 2 x ( 1 一矗) ，其中，称为分枝参 数， o ，4 1 ；x 。( o ，1 ) 。试验证明，当3 ，6 5 9 9 4 乒4 时，l o g i s t i c 映射处于 混沌状态，即可以输出混沌序列。l o g i s t i c 映射经过变换，其在( 一l ，1 ) 上的定义 可表示为：x “= l a x ：， 旯( o ，2 ) 。试验证职1 7j ，当兄= 1 4 0 1 1 5 时，系统进入 混沌状态。l o g i s t i c 映射和u l a my o nn e u m a n n 映射所产生的混沌序列都具有0 均值，d l i k e 自相关性及互相关为0 的特性。试验中可用以下公式去计算混沌 序列的互相关函数和均值：对任意初值产生的混沌序列，其均值为： 1 9 i = l i m ( x 。) n ；对任意两个独立选取的初值x 0 ，y o ，产生的混沌序列的互相关 一 函数为：c 。，( x o ，y o ) = l i m ( 函( x k i ) ( 儿一歹) ) 7 q 5 图像边缘检测 物体的边缘是以图像局部特性急剧变化的形式出现的，例如，灰度值的突 变，颜色的突变，纹理结构的突变等。从本质上说，边缘就意味着一个区域的 终结和另外一个区域的开