（计算机应用技术专业论文）图像认证及版权保护多功能水印算法研究.pdf

摘要 在科学技术高速发展的今天，计算机和i n t e m e t 已经成为了人们 生活中必不可少的要素。越来越多的产品以数字化的形式展现在人们 面前，但随之而来的是日益严峻的版权纠纷问题。采用传统的加密技 术，对其进行保护是一种常用的手段，但是一旦解密，数据就不再受 到保护。数字水印技术为解决这一问题提供了一种有效的手段，它被 认为是对多媒体数据进行保护的最后一道屏障。而混沌加密技术则增 强了数字水印技术的安全性。 本文重点研究了基于混沌加密的图像认证和版权保护多功能数 字水印技术，主要研究工作如下： 首先，提出了一种基于混沌的d w t 域多功能图像数字水印算法。 原始水印分为鲁棒水印和半脆弱水印，分别用于版权保护和图像认 证。根据不同的应用，鲁棒水印又分为容量小但鲁棒性要求相对高和 容量大但鲁棒性要求相对低的两种，它们和半脆弱水印分别嵌入 d w t 域的不同部分。并利用广义猫映射置乱鲁棒水印和l o g i s t i c 混 沌系统生成半脆弱水印以提高安全性。实验表明，嵌入水印后的图像 视觉质量好，其中鲁棒水印能抵抗各种常规图像处理，半脆弱水印能 准确地检测并定位内容篡改。 然后，提出了一种基于混沌的d w t 和d c t 混合域多功能图像 数字水印算法。该算法先对载体图像做d w t 变换，再把得到的低频 近似子图分块，然后对每一小块做d c t 变换，已置乱的鲁棒水印最 后嵌入每一块高频系数中，嵌入算法采用抖动调制技术；由混沌系统 生成的半脆弱水印则嵌入载体图像的高频细节子图，采用奇偶量化嵌 入算法。最后对提出的算法进行实验仿真，证明了算法的有效性。 最后，对本文的工作进行了总结，指出了进一步的研究方向。 关键词图像数字水印，图像认证，版权保护，混沌加密 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y ；c o m p u t e r sa n di n t e m e t h a v eb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l ee l e m e n ti np e o p l e sl i v e s m o r ea n dm o r e p r o d u c t se x h i b i tt op e o p l ei nd i g i t a lf o r mf o l l o w i n gb yt h ei n c r e a s i n g l y f l i n t yp r o b l e m so fc o p y r i g h tb o t h e r e n c r y p t i o nt e c h n i q u e sc a l lb eu s e dt o p r o t e c td i g i t a ld a t a h o w e v e r , a f t e rt h ed e c r y p t i o no f t h ed a t a , t h ed a t ai s i nt h ec l e a ra n dn ol o n g e rp r o t e c t e d d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sa n o t h e r e f f e c t i v es o l u t i o nt h a ti sr e g a r d e da st h el a s tl i n eo fd e f e n s e c h a o t i c e n c r y p t i o nt e c h n i q u ec a ne n h a n c es e c u r i t yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g b a s e do nc h a o t i ce n c r y p t i o n ，m u l t i p u r p o s ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s f o ri m a g ea u t h e n t i c a t i o na n dc o p y r i g h tp r o t e c t i o na r es t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , am u l t i p u r p o s ei m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e d o n c h a o sa n dd w t ( d i s c r e t ew r a v e l e tt r a n s f o r m ) i sp r o p o s e d t h eo r i g i n a l w a t e r m a r ki sd i v i d e di n t ot h er o b u s tw a t e r m a r ka n dt h es e m i - f r a g i l e w a t e r m a r kf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di m a g ea u t h e n t i c a t i o n a c c o r d i n g t od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，t h er o b u s tw a t e r m a r ki sa l s od i v i d e di n t ot w o k i n d so fw a t e r m a r k , o n eh a ss m a l lc a p a c i t i e s a n dr e l a t i v e l yh i g h r o b u s t n e s s 。t h eo t h e rh a sl a r g ec a p a c i t i e sa n dr e l a t i v e l yl o wr o b u s t n e s s t h e ya r ee m b e d d e dt o d i f f e r e n t p a r t s o fd ，td o m a i n , s oi st h e f r a g i l e t r k 即s e c u f i to ft h ew a t e r m a r k sl s ：n h a n c e db ysemi-fragile w a t e r m a r i c l i es e c u r i t yo tt l a ew a t e r m a r k si se n n a n c e oo yl u t i l i z i n gg e n e r a lc a tm 印t os c r a m b l et h er o b u s tw a t e r m a r ka n du s i n g l o g i s t i c c h a o t i c s y s t e m t o g e n e r a t e t h e s e m i f r a g i l e w a t e r m a r k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw a t e r m a r k e di m a g e sh a v eg o o dv i s u a l q u a l i t y , t h e r o b u s tw a t e r m a r kc a nr e s i s tc o m m o ni m a g ep r o c e s s i n g o p e r a t i o n s a n dt h es e m i f r a g i l ew a t e r m a r k c a nd e t e c ta n d1 0 c a l i z e p r e c i s e l yt h e c o n t e n tt a m p e r s s e c o n d l y , am u l t i p u r p o s ei m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do n c h a o sa n dm i x e df r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e d t h eo r i g i n a li m a g ei s t r a n s f o r m e db yd w tt og e tt l l el o wf r e q u e n c ys u b - i m a g e ，a n dt h e u bi m a g e s o l i ti n t ol bb l o c k s 1 ln t h er o b u s tw a t e r m a r kw h i c hhassub-imagei ss p l i ti n t os u b - b l o c k s h e nt h er o b u s tw a t e r m a r kw n l c nh a s1 ， b e e ns c r a m b l e di se m b e d d e dt oh i g hf r e q u e n c y c o e f f i c i e n t so f d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) d o m a i n o fs u b b l o c k s ，a n dt h e e m b e d d i n gp r o c e s s i sb a s e do nt h ed i t h e r e dm o d u l a t i o nt e c h n i q u e f u r t h e r m o r e ，t h es e m i f r a g i l ew a t e r m a r kg e n e r a t e db yc h a o t i cs y s t e mi s e m b e d d e dt ot h eh i g hf r e q u e n c ys u b i m a g eo fd w td o m a i n ，a n dt h e o d d e v e n q u a n t i z a t i o ne m b e d d i n ga l g o r i t h m i s u s e d l a s t l y , t h e s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h ea l g o r i t h mi se f f e c t i v e f i n a l l y , t h i sp a p e rc o n c l u d e sb ys u m m a r i z i n gt h e r e s e a r c ha n d i n d i c a t i n gi t sf u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，i m a g ea u t h e n t i c a t i o n ， c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，c h a o t i ce n c r y p t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：聋垒整日期：盟年羔月幽 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：叠丝导师签名丞坐日期：2 绛羔月丝日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 课题研究的背景与意义 随着i n t e r n e t 网络向社会各个角落的延伸，数字化成为信息表示的一种重要 手段。数字媒体、数字地球、数字图书馆博物馆、数码信息港等新的名词和概 念不断出现，数字媒体和作品所占的比例越来越大；各种网络在线多媒体信息服 务的开展日益广泛。与此同时，数字技术在把其优点奉献给人类社会并给人们带 来方便的同时，也带来了一些问题：其无失真、无限制拷贝复制的特性给信息拥 有者的合法权益造成了极大的潜在威胁。数字媒体创作者艰苦劳动的成果有可能 在一夜间被无偿地大批复制并传遍世界的每个角落。因此，网络中的信息安全问 题是现在乃至未来相当长时期内的需要解决的热点问题之一。 提到信息安全，人们首先想到的就是密码学。密码学是以研究秘密通信为目 的的- - f l 科学，它的理论基础之一是1 9 4 9 年香农( s h a n n o n ) 的经典论文“保密的 通信理论”二十世纪7 0 年代，随着d e s 标准的出现、d i f l i e 和h e l i m a n 公钥密码 思想的提出，密码学逐渐形成- - f l 崭新的科学，推动了信息安全的发展。但是， 它毕竟是以文本加密为设计目标的，在多媒体信息安全的应用上，显得有点力不 从心。而多媒体数据由于其本身所固有的如数据量大，冗余性高等特点，对信息 安全问题提出了新的要求。因此，研究适合于多媒体信息安全的算法已迫在眉睫。 数字水印( d i g i t a lw a t c r m a r k i n g ) 赫： i 】就是在上述背景下被提出的。它通过在 数字媒体中嵌入秘密信息水i 印( w a t e r r n a r k s ) 来证实该数据的所有权归属或数 据的完整性。水印可以是代表所有权的文字或i d ( i d c n t i f i c a t i o n ) 、图形图像、音频 数据、随机序列等。数字水印拥有广泛的应用，比如版权保护、产品追踪、内容 认证和复制控制等。混沌【2 】作为一种非线性现象，与密码学有着密切地联系，混 沌加密利用了混沌序列信号对初始条件的极端敏感性、类随机性和不可预测性， 极大的提高了加密方法的安全性。因此，将混沌加密技术和数字水印技术结合起 来，不仅可以增强水印系统的安全性，同时可以预期提高水印系统其它方面的性 能。所以本研究具有重要的实际应用价值。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1数字水印技术的研究现状 自从在主要会议上发表第一篇关于数字水印的文章，即v a ns c h y n d c l 在 i c i p 9 4 ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g ep r o c e s s i n g ) 上发表题为“ad i g i t a l w a t e r m a r k 3 】 的文章以来，数字水印的研究不断增加。由于数字水印的文献逐年 增加，为了便于交流，1 9 9 6 年5 月3 0 日，第一届国际信息隐藏学术研讨会 ( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i m w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开。这 次会议期间，对信息隐藏的部分术语和学科分支进行了统一和规范，标志着一门 新兴的交叉学科信息隐藏学科的正式诞生。至今该研讨会已举办了九届。此 后大量的关于数字水印的国际会议被举办，比如i e e ei c 球，i w d w ，a c m m u l t i m e d i a 和s p ms e c u r i t y 等。以及一些关于数字水印的国际期刊杂志的出现， 比如19 9 8 年i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g 和c o m m u n i c a t i o n o f a c m 都出版了关于数字水印的论文专辑。1 9 9 9 年，f h a r t u n g 和m k u t e r 在p r o c , c c d i n go f t h ei e e e 发表关于数字水印的综述论文1 4 ，将数字水 印的研究推向了一个新的高潮。鉴于数字水印技术的应用前景和其在经济、技术 上的重要性，全球支持或开展此项研究的政府机构和商业机构很多，主要有美国 财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军研究实验 室、麻省理工学院、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、飞利浦、朗讯贝尔实验室 等众多研究机构。 目前，国内已有不少研究机构及大学正在从事数字水印方面的研究。1 9 9 9 年底，第一届全国信息隐藏学术研讨会( c n - i w ) 在北京电子技术应用研究所召开， 至今此会议已经举办了七届。国内从事信息隐藏技术研究的科研院所也在逐年增 加，比如北京邮电大学信息安全中心、中国科学院自动化研究所、中国科学院信 息安全国家重点实验室、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、中山大学、华 南理工大学、上海交通大学、南京理工大学等。而国家“8 6 3 计划、“9 7 3 项 目( 国家重点基础研究发展规划) 、国家自然科学基金的资助迸一步促进我国数字 水印研究的发展。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 计划智能计算机专家组织召开了 “数字水印技术学术研讨会 ，来自多家科研机构与高等院校的专家学者和研究 人员参加这次会议，充分反映了我国对这一领域的高度重视和大量投入。国内的 企业在数字水印方面的研发也取得了一定成果，比如华旗资讯公司把数字水印应 用到数码相机中。 对于数字水印的研究，到目前为止，较多的研究对象是以图像为水印载体。 2 硕士学位论文第一章绪论 虽然提出了很多数字水印算法，但数字水印仍然没有形成一个完整的理论体系 相信随着该技术的研究深入和广泛应用，其必将在理论上日趋完善。 1 2 2 混沌系统应用于信息安全的研究现状 研究混沌的先驱者之一是美国麻省理工学院的气象学家爱德华洛伦兹 ( e n l o r e n z ) 。1 9 6 3 年，洛伦兹在数值计算中发现，一个简化的描述流体热对流 的三阶常微分方程组【5 】，在一定的参数范围内会出现非周期的、表面上看来颇为 随机的输出，即系统轨迹依赖精确的初始条件的混沌现象，这一结果以后被人们 广为应用。而混沌c c h a o s ) - - 词首先是由李天岩和约克提出，1 9 7 5 年他们在美国 “数学月刊一上发表了题为 o 对任何 工门阳x 的任何领域存在y n 和自然数万0 ，使得i 厂“( x ) 一厂4 0 ) l 万。即 了万 o , v x ，s o ，3 n n ，y ，：l x - y | 万( 2 - 2 ) ( 2 ) f 具有拓扑传递( t o p o l o g i c a lt r a n s i t i v i t y ) 。如对任何一对开集，厶ci ，存 1 6 硕士学位论文第二章数字水印技术和混沌理论综述 在刀 0 ，使得f 8 ( ) n 厶a 换言之， ，厶c ，刀n ：f “( 而) 厶( 2 - 3 ) ( 3 ) 周期点在j 中稠密( d e n s e n e s s ) 。若p 为厂的周期点集，则p 的闭包与，相 等。即 p = p 1 1 3 n n ：f 4 仞) = p jp - i( 2 - 4 ) 此定义说明从两个初始点引出的两条轨道时而无限靠近、时而相互远离，两 种情形无数次交替出现，表明系统的长期行为没有规则，是一种随机现象。简言 之，混沌映射具有三个要素：不可预测性，不可分解性和规律性。因为对初始条 件的敏感依赖性，混沌的系统是不可预测的：因为拓扑传递性，它不能被细分或 不能被分解为两个不互相影响的子系统；然而，在混乱性态中，又有规律性的成 分，即稠密的周期点。 混沌系统是一个非线性动力系统，它主要具有以下特性f 4 3 】： ( 1 ) 混沌信号是一种伪随机信号，由确定性方程产生，一旦给定系统参数和 初始值，可以精确地再生出混沌信号。真随机信号虽然能保证“一次一密 的绝 对安全性，但它却不可能再生，从而不能正确解密；而混沌信号在基本能保证伪 随机特性的前提下能克服以上缺点。 ( 2 ) 在满足混沌条件的情况下，混沌系统对系统参数和初始值均表现出非常 敏感的特性。同一个混沌系统，若系统参数或初始值有一个微小差别，它们会迅 速演变为两个完全不同的状态，由此产生的混沌信号也就完全不同。表明混沌信 号不具有长期可预测性。 ( 3 ) 连续频谱：混沌信号具有类似于随机信号的连续频谱。 ( 4 ) 奇怪吸引子：混沌信号在相空间的吸引子表现为非常复杂的几何形状， 具有分数维的奇怪吸引子，混沌吸引子具有正的l y a p u n o v 指数。 ( 5 ) 混沌序列难以分析、重构和预测，混沌序列是一种非常复杂的非线性序 列，目前只能在特殊条件下对一些混沌系统进行重构，理论上尚未有较好的一般 性方法。 综上所述，混沌系统可以提供大量的具有良好随机性、非相关性和复杂性的 伪随机序列，非常适合于信息加密。因此，研究混沌系统具有重要的理论和现实 意义。 2 2 2混沌系统在信息安全技术中的应用 信息安全涉及到信息的保密性( c o n f i d e n t i a l i t y ) 、完整性( i n t e g r i t y ) 、可用性 1 7 硕士学位论文第二章数字水印技术和混沌理论综述 ( a v a i l a b i l i t y ) 和可控性( c o n t r o l l a b i l i t y ) 。综合起来说，就是要保障信息的有效性。 保密性就是对抗对手的被动攻击，保证信息不泄漏给未经授权的人。完整性就是 对抗对手主动攻击，防止信息被未经授权的篡改。可用性就是保证信息及信息系 统确实为授权使用者所用。可控性就是对信息及信息系统实施安全监控。 密码学是信息安全的核心，要保证信息的保密性，使用密码对其加密是最有 效的办法。要保证信息的完整性使用密码技术实施数字签名，进行身份认证，对 信息进行完整性校验是当前实际可行的办法。保障信息系统和信息为授权者所 用，利用密码进行系统登录管理，存取授权管理是有效的办法。保证信息系统的 可控性也可以有效的利用密码和密钥管理来实施。当然，这些密码技术的完善实 旆还要借助于信息系统的可信程度。目前产生密码的算法很多，但现代密码产生 的方法仍然主要是利用数论得到的，如著名的r s a 和d e s 等( 这两种系统在世 界上仍广泛使用) 。由于计算机技术和网络分布式计算技术的发展，已有相当一 部分普遍使用的密码算法被破译。而且，密码系统关系到国家的安全和经济利益， 西方发达国家出售的密码产品往往是加密强度较低的，高强度的产品不会出售 的，即使出售，也有可能留有隐通道，对他们来说等于没有加密。因此，任何一 个国家必须要有自己的加密算法和建立自己的加密标准。 混沌系统具有良好的伪随机特性、轨道的不可预测性、对初始状态及结构参 数的极端敏感性等一系列特性，这些特性与密码学的很多要求是吻合的。现代密 码以加密方式进行分类可以分为分组密码和序列密码( 流密码) ，以密钥管理的 方式来分，可以分为公开密钥算法和传统密钥算法( 对称密码算法，s y m m e t r i c c i p h e r ) 。混沌系统产生的序列从严格意义上来讲属于流密码，但它与传统的流 密码又有区别，而且它有可能是一类具有相当广泛应用前景的加密方式。 混沌序列在密码学方面的应用起源于8 0 年代末期，由英国数学家m a t t h c w s 首先提出【8 l ，其后得到了一定的发展。混沌密码学在1 9 9 0 年后开始兴起，近年 来，随着对混沌现象及其理论的深入研究，提出了用混沌序列的伪随机性和同步 特性实现对数字信息加密以及保密传输的新方法。混沌应用于信息保密领域大致 可以分为两大研究方向削： ( 1 ) 以混沌同步为核心的混沌保密通信系统，主要基于模拟混沌电路系统； ( 2 ) 利用混沌系统构造新的流密码和分组密码，主要是基于计算机有限精度 下的数字混沌系统。 2 2 3 两种用于图像信息安全的混沌系统 1 l o g i s t i c 混沌系统 l o g i s t i c 映射t 4 5 】是一类非常简单却被广泛研究的混沌动力系统，可用非线性 1 8 硕士学位论文 第二章数字水印技术和混沌理论综述 差分方程来描述： + ，= 饥( 1 一)( 2 5 ) 其中，0 a 4 称为分支参数，0 s 毛1 。当3 5 6 9 9 4 5 6 z 4 时，动力系 统( 2 5 ) 在【o ，1 】上是混沌的。理论上已经证明了由两个不同初值加和蜘生成的两个 混沌序歹m j x o , x l ，, x 搠y o , y l , y a 的互相关为零，这体现了l 0 百s t i c 混沌映射对初值 的极度敏感性。当榭时，l o g i s t i c 混沌映射的概率分布密度函数为： r1 i 7 = = = 。0 工 1 p ( 力= 万z ( 1 一力 ( 2 - 6 ) i - 0 ， 其它 则可以计算得混沌序列轨迹点的均值为： ；= 熙i i 荟n - - i x k - f 矽( 功出0 5 ( 2 - 7 ) 所以可以通过量化函数g 把实值混沌序列x o , x b - - 而转化为二进制“0 一和 “1 一序列b o ，b l ，6 h ： = 钕三三慧 弘8 ， 2 a r n o l d 混沌系统 a r n o l d 映射【倒最早是由a m o l d 在研究遍历理论时引入的一种非线性映射，因 常用一张猫脸作仿真试验而得名为猫映射。a r n o l d 映射方程如下： 未尝端一m o d1 【以+ i 屯+ 2 以) 、7 m o d1 表示模1 运算，因此( 柚的相空间限制在单位正方形 o ，1 p ( o ，l 】内， 将( 2 9 ) 式变成矩阵形式： = = c ( 只x ! m o d - 亿埘 上式定义了矩阵c ，注意到行列式i c l = l ，因此a r n o l d 映射是一个保面积映射 ( 没有吸引子) 同时a r n o l d 映射是一一映射，单位矩阵内的每一点唯一地变换 到单位矩阵内的另一点。a r n o l d 映射具有非常典型的产生混沌运动的两个因素： 拉伸( 乘以矩阵弛y 都变大) 和折叠( 取模慨y 又折回单位矩阵内) ，事实 上a r n o l d 映射是混沌映射。 马在光等人将a r n o l d 映射扩展为广义猫映射【4 6 j ，首先将相空间推广为 0 ，1 , 2 ，, n - l x o ，l ，2 ，1 ) ，即只取。至s j g - 1 的正整数；其次，将方程推广为最 1 9 硕士学位论文 第二章数字水印技术和混沌理论综述 一般的二维可逆保面积方程： = ( 三口甜劲= c i x ”) m o d 弘m 式中a 和b 为正整数，其保面积i c l e 好等于1 ，这样就只要两个独立参数。推 广的猫映射( 2 1 1 ) 仍然具有混沌映射的特性。因此，我们利用广义猫映射( 2 1 1 ) 来置乱图像：将图像的各像素坐标阮力作为初值，用给定系数矩阵c ( 两个独立 参数) 和迭代次数力作为密钥，生成的迭代结果f ，力作为伍力处图像置乱后的对 应位置。由于映射的混沌特性，当迭代次数足够大时，任意两个相邻的图像像素 点置乱后的对应位置将会产生极大的分离。又由于该映射是一一映射，不同位置 的图像像素点置乱后得到的位置不会重叠，这样，置乱不会产生位置冲突。 2 3 本章小结 本章首先对数字水印技术作了详细的介绍，从水印的概念及其基本特征、水 印的分类和水印的通用模型到水印的典型算法与性能测评、水印的攻击和水印的 应用领域及其意义，都作了全面地探讨。然后概述了混沌理论的原理，对混沌的 概念及其基本特征和混沌系统在信息安全技术中的应用作了详细的阐述，最后介 绍了两种常见的用于图像信息安全的混沌系统。 硕士学位论文第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 3 1 引言 随着计算机网络和多媒体技术的发展，数字媒体的知识产权保护和认证等问 题成为了一个重要而紧迫的研究课题。数字水印技术就是在这种情况下产生的， 它为解决这些问题提供了一个有效的途径。现有的图像数字水印可以分为鲁棒水 印和脆弱水印两类。鲁棒水印【1 5 】用来版权保护，它要求水印能抵抗各种各样的 攻击，而脆弱水印【1 6 】用来图像认证，任何轻微的图像处理都会破坏水印。作为 认证水印，半脆弱水印【1 7 l 比完全脆弱水印更有实际应用价值，因为这种水印能 够区分内容的变化是善意处理还是恶意篡改。目前大多数的图像数字水印算法要 么只针对单一的版权保护功能，要么只针对单一的内容认证功能，而不能同时拥 有上述两种功能。近年来，一些同时满足以上两种功能的数字水印算法已经出现， 并达到了预期的效果【3 5 ，4 7 4 8 , 4 9 1 ，但各自针对于不同的应用场合有优势。 本章将提出一种基于混沌的d w t 域多功能图像数字水印算法，该算法利用 混沌加密水印以提高安全性，把鲁棒水印和半脆弱水印分别嵌入d w t 域的不同 部分。为了结合某些实际应用，本章算法具有一个如下特点，它考虑了某些特定 场合对鲁棒水印中的不同内容有不同的要求，于是将本鲁棒水印又分为两部分， 一部分水印容量小但鲁棒性要求高一些，例如用户d 号：另一部分水印容量大 但鲁棒性要求低一些，例如用户信息，它们也分别嵌入d w t 域的不同部分。鲁 棒水印和半脆弱水印都是二值水印。水印检测时不需要原始图像，因此是一种盲 水印方案。 3 2 水印嵌入算法 由于二值水印要嵌入图像小波变换的系数中，本文采用如图3 1 所示的量化 方法，通过量化函数q 钐把每一个载体小波系数腴射为。或l ： q ( 力= 嚣卿t f2 k 川a + ) + s f j ( 厂2 k o(3-3) 3 3 小波多极分解和嵌入系数的选择 小波变换( d w t ) 是近几年兴起的一个崭新的信号分析理论，它的基本思想就 是对信号进行细致的频率分离即多分辨率分解，图3 2 是一个小波三级分解的示 意图。 l l 3h l 3 眦 l f l 3h h 3 h l l l h 2删2 l h lh h l 图3 - 2 图像小波三级分解图 通过三级小波变换，原始图像被分解为一个低频近似子图和九个高频细节子 图，l l 、h l 、l h 和h h 分别表示原始图像的近似、水平方向细节、垂直方向细 节和对角方向细节。一般来说，低频近似子图集中了被分解图像的大部分能量， 硕士学位论文 第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 它对图像有着关键的影响，如果应用中对含水印图像的视觉质量要求较高，那么 这部分不用来嵌入水印。在实验中使用的载体图像是l e n a5 1 2 x 5 1 2 的8 位灰度 图像，表3 - i 表示载体图像通过三级h a m ：小波变换得到的近似子图和细节子图 的能量。能量计算公式是式( 3 q ： 气2 丽1 军弘似j ) | ( 3 q 表3 - i 三级小波分解的近似子图和细节子图的能量 子块 l 级2 级3 级 近似子图 一3 8 6 4 垂直方向细节 0 0 2 3o 0 6 20 1 7 2 水平方向细节 0 0 1 60 0 3 80 0 9 8 对角方向细节0 0 1 00 0 2 50 o 为 辕示子图所在的级数，厶表示子块的系数，n k 矛n m k 表示子块的尺寸。由表 3 1 可知级数越高子图含有原始图像的能量越多，另外垂直方向子图又比水平和 对角方向子图含有的能量多。因为子图含有的能量越多，嵌入的水印就越鲁棒， 而低频近似子图不用来嵌入水印，所以先前提到的鲁棒性要求低而容量大的鲁棒 水印嵌入l h 2 ，鲁棒性要求高而容量小的鲁棒水印嵌入l h 3 。又因为对角方向子 图含有能量最少，最容易受到攻击，考虑到半脆弱水印也要有一定的鲁棒性，所 以把它嵌入水平方向子图h l i 3 4 水印的嵌入和检测 水印的嵌入和检测过程设计是水印算法设计的重要环节，它需要根据不同应 用场合的要求采用不同的设计方案。 3 4 1 水印的嵌入 在下面的算法描述中，用a 表示宿主图像，其大小为m 尬，赈l 和 分别为大容量鲁棒水印和小容量鲁棒水印，骄为半脆弱水印图像矩阵。其中， 胍l 和氍分别是大小为( m l 4 ) x ( 3 4 2 4 ) 和( m i 8 ) x ( m 2 1 8 ) 的有意义二值图像，而 骄是由l o g i s t i c 混沌系统生成的大小为2 ) m 2 ) 的二值矩阵。 鲁棒水印赈l 和的嵌入算法如下： s t e pl ：宿主图像a 作三级小波变换，得到一个低频子图和九个高频子图。 s t e p2 ：用公式( 3 - 4 ) 计算变换后的宿主图像每一块子图的能量，确定鲁棒水 2 3 硕士学位论文 第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 印的嵌入位置。 s t e p3 ：利用参数a , b , n 确定的广义猫映射( 2 1 1 ) 对鲁棒水印图像陈l 和 作置乱预处理，得到置乱后的鲁棒水印骄r l 和骄i t 2 。 s t e p4 ：指定每一嵌入块的量化系数和s ，分别取w p r l 和睇勉中一个像素 比特w r l ( f 力和w , 2 ( i j 3 ，调用式( 3 1 ) 所示的量化函数q 钐和式( 3 - 2 ) 所示的嵌入方法， 将鲁棒水印比特嵌入对应子块的相应小波系数。 s t e p5 ：重复s t e p 4 ，直到骄r l 和骄r 2 中的水印比特全部嵌入完毕。 半脆弱水印骄的嵌入算法如下： s t e p1 ：根据公式( 3 - 4 ) 计算得出的能量表，确定半脆弱水印的嵌入位置。 s t e p2 ：指定l o g i s t i c 混沌系统( 2 5 ) 的参数名、初值x o 。 s t e p3 ：混沌系统预迭代1 0 0 0 次。 s t e p4 - 混沌系统再迭代( m l 2 ) x ( m 2 2 ) 次，得到含有( m r 2 ) x ( m 2 2 ) 个值的混 沌序列。利用式( 2 8 ) 所示的量化方法g 将混沌序列映射成水印比特序列，并将 这个序列转换为水印矩阵，这样半脆弱水印骄就生成了。 s t e p5 - 指定量化系数a 和s ，取骄中一个像素比特w f ( i j 3 ，调用量化嵌入 算法将半脆弱水印比特嵌入对应子块的相应小波系数。 s t e p6 ；重复s t e p5 ，直到半脆弱水印坼全部嵌入完毕。 3 。4 2 水印的提取和图像认证 水印的提取过程是嵌入的逆过程。下面分别描述鲁棒水印提取和图像内容认 证算法。 鲁棒水印的提取算法： s 卸1 ：将水印载体图像a 作三级小波变换，得到一个低频子图和九个高频 子图。 s t e p2 - 确定鲁棒水印w p r l 和骄r 2 的嵌入块和量化系数和j 。 s t e p3 ：取r l 嵌入块的一个小波系数，调用式( 3 5 ) ，提取一个比特： 嘣= 雠j j 嚣 仔5 ， s t e p4 ：同理提取出坼r 2 的一个水印比特。 s t e p5 ：重复s t e p3 一s t e p4 ，直到所r l 和f p r 2 的水印比特全部提取完毕。 s t e p6 ：确定广义猫映射的参数a , b ，疗，对提取的水印比特矩阵坼r l 和w p r 2 进行反置乱，得到提取的最终水印图像陈l 和。 半脆弱水印提取和图像内容认证算法： 2 4 硕士学位论文 第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 s t e pl ：确定半脆弱水印的嵌入位置，l o g i s t i c 混沌系统的参数名、初值x o 。 s t e p2 ：混沌系统预迭代1 0 0 0 次。 s t e p3 ：混沌系统再迭代( m i 2 ) x ( m 2 2 ) 次，得到含有c 2 ) 2 ) 个值的混 沌序列。利用量化方法g 将混沌序列映射成水印比特序列，并将这个序列转换 为水印矩阵骄l 。 s t e p4 ：确定量化系数和j ，提取半脆弱水印嵌入块的一个小波系数，调用 式( 3 6 ) ，提取出的一个水印比特： 嘣咖m cl s - j j a 嚣 ( ；3 6 ) s t e p5 ：重复s t e p4 ，直到水印矩阵全部提取完。 s t e p6 ：在获得两个版本的脆弱水印矩阵骄l 和后，定义如下篡改检测 矩阵死 t = i 略。一：l ( 3 7 ) 如果骄l = ，臣p t = o ，这时意味着含水印图像没有遭到篡改。否则，砷 的“1 一元素表示载体图像相应的像素被篡改。注意到半脆弱水印的嵌入块大小 为( m i 2 ) ( m 2 2 ) ，而篡改检测矩阵确大小也是c 蝎2 ) 淝2 ) ，因此砷的一个 元素对应于水印载体图像的一个2 x 2 块。以上水印检测过程并不需要原始图像， 因此是盲水印方案。 因为半脆弱水印方案要求区分图像内容的变化是善意的图像处理还是恶意 的内容篡改引起，水印应该对善意处理( 如一般图像处理和传输过程噪声的影响) 具有鲁棒性；而对内容的恶意篡改具有脆弱性。考虑到实际中的恶意篡改行为， 其攻击目标一般有特定的范围，因此篡改点比较集中；相反，那些对图像善意的 处理，其分布一般是全局的，而且应该是基本均匀的。因此，我们可以先计算出 砷“l 的个数占元素总个数的比率，即得到全局的平均改变率岛；然后再计算 砷每个局部4 x 4 块中“1 的个数占块内元素总数的比率，即得到局部改变率e i 。 如果e l q e o ，则认为该子块的 变化是恶意篡改引起的，于是维持砷该4 x 4 子块的值不变。通过这种预处理后 得到的篡改检测矩阵为乃，则死中的“1 力值点所对应的图像区域将被判定为恶 意篡改区。 3 4 3算法流程图及部分关键代码 水印嵌入的流程如图3 3 所示。 硕士学位论文第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 图3 - 3 水印嵌入流程图 图3 3 中，a 表示原始载体图像，a 表示嵌入水印后的载体图像。 水印提取和图像认证的流程如图3 4 所示。 图3 _ 4 水印提取和图像认证流程图 2 6 硕士学位论文 第三章基于混沌的d w t 域多功能数字水印算法 在图3 4 中，a 表示含水印的载体图像，巧 r p r l t 和哪r 2 表示提取的已置乱的 大小鲁棒水印。 用m a t l a b 语言描述的水印算法部分关键代码如下： 广义猫映射置乱水印的过程 f o rx = l ：m 1 水印的长 f o ry = l ：n 1 水印的宽 x 0 = x ：y o = y ： f o r k j l ：n x i = x o + a * y o ： y l = b * x 0 + ( a * b + 1 ) * y o ： x l - - m o d ( x l ，m 1 ) ；求x lm o dm 1 y l = m o d ( y l ，n 1 ) ：求y lm o dn 1 x 0 = x l ：y 0 = y l ： e n d x l = x l + l ：y l = y l + l ： w a t e r 3 ( x l ，y 1 ) = w a t e r l ( x ，y ) ； 其中w a t e r l 是原水印矩阵，w a t e r 3 是置乱后的水印矩阵 e n d e n d l o g i s t i c 混沌映射生成半脆弱水印的过程 f o ri = l ：1 0 0 0 预迭代1 0 0 0 次 z = 4 牵z 木( 1 - z ) ： e n d f o ri = l ：m9 6 l n 是半脆弱水印序列的长度 z = 4 宰z 宰( i - z ) ： i fz o ) ( r o o d ( f l o o r ( ( c v d 3 ( i ，j ) - s ) t ) ，2 ) - - - w a t e r 3 ( i ，j ) ) c v d 3 ( i ，j ) = c v d 3 ( i ，j ) 一t ：w a t e r 3 是要嵌入的水印矩阵 e n d t 和s 是量化参数 i f ( c v d 3 ( i ，j ) = 0 ) & ( r o o d ( f l o o r ( ( c v d 3 ( i ，j ) - s ) t