（电路与系统专业论文）基于混沌的数字图像水印算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于混沌的数字图像水印算法研究 摘要 数字水印技术为解决数字多媒体产品版权所有殿签别问题提出了一种解决 方案，裁在多爨棒售号( 磐霞髂j 耆灏、巍额等) 中疆过一定戆算滚热入褥记， 标记可为无意义的伪随机序列，有意义的二值图像等。鉴别时通过计算机以一定 方式遗行羧溅或摄取。瀑淹系绞鱼子奚有良好靛蕊戆辊将注、对钢始蓬及控秘参 数的敏感性等一累列特性，广浇应用予通信系统、密码学等领域。 享谂文蓄是磺究分褥了空壤瓣经典农露算法。空域痰爨磐法篱攀，零印容量 大，但水印鲁棒性弱。为了提升水印冀法的昝棒性，将混沌繇统引入经典算法。 实验表嚼瀑淹豹辱l 灭，壤强了水每熬安全挂及鲁捧羧。 其次给出了熬于混 电的分块d c t 算法。d 域水印鲁棒蚀强，但水印容激小。 最舜，结合燮域嚣靛t 域三者算法懿我点，逡文缭逛了一种基予渥淹熟缀合 域数字承印算法。将永印信息按各自器求分为霪要与非重要酃分。熬要部分嵌入 蛰棒性强的b c 蠛，嚣鬟要部分焱入水窜容羹大魏空域。拳帮握取辩不霰螫藤始 储息。实验仿真证明在蠢攻击状态下膏提取的水印效果好。对含水印图像谶行噪 声、滤波、j p e g 鼹鳕等竣壹，磷保了转疆域中靛重要都努寿嶷姆熬蛰棒性。霹在 安全的环德下，本算法增大了水印容量；在受墩击韵情况下，使得重撰部分保留。 关键词：数字永卯；空城；d 甜域；混沌；绣龠域； 1 1 硕士学位论文 a b s t l ? a c t 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 ym a k e si tp o s s j b l et os o l v et h ep f o b l e m s ，w h i c h a f e 8 奄。醛t p y f i g 魏lo w 魏e f s h i pa n di d 霉程| i f i c 建l i o 珏o fl 牲珏l l i 糟e 越ap f o d 珏c l s w i l h c e r t a i na l g o r i t h m 8e m b e d sm a r k i n g si n t om u l t i m e d i ap r o d u c t s ，w h i c hi n c l u d ei m a g e ， 韪瓣磋i o ，v i 纛e 0a 珏鑫s oo 珏。蕈纛霉l n 鑫f 耘s 珏l a y 拳l 拄b e di 藏l ol 珏珏l t 狂l e d i aw i 蠡c e 娃a i 珏a l g o f 主童囊l 挂 t h om a f k sc a nb ep s e u d o r a n d o ms e q u e n c e s ，b i n a r yi m a g e s ，w h e t h e rt h e yh a v e l 矬e a 珏i 珏go l 珏0 1 v 矿蠡e 致i d e n f y i 瓣g ，l h ew a e f | 矬鑫 ki s 莲e l 搴c e do fe x l 臻c e d 氇f o u g 基 c e f t a i na 1 9 0 r i t h mb yc o m p u t er t h e 转a t 珏f e so fc h a o t i es y s l o l 珏是f e 爨魏ep s e 鞋硅o f 靠珏d o l 拄c 矗a f 建e l e f i s t i c s ，s e 珏s i l l v 主垂萝 d e p e n d e n c yt oo r i g i n a lv a l u ea n dc o n t r o lp a r a m e t e r s a n di ti sn o we x t e n s i v e l yu s e d i 珏e o m l 挂n i c a l i o 臻s y s l e l 巍，e 珏c f y p 娃o na 娃娃s oo 建。 i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l y ，c l a s s i c a la l g o r i t h mi ns p a t i a ld o h i a i ni sa n a l y z e d t h e a l g o 矗t h m 建s p a 蝼a ld o l 致a i ni ss i 牲g l e ，a 拄dl h ee m b e d d i 珏gw a t e m a f k sc a p a c i t yi s l a r g e b u tt h ed i s a d v a n t a g ei sp o u rr o b u s t n e s s ，t oi n l p r 0 v et h er o b u s t n e s so ft h e a l g o f i t h m ，c h a o t i es y s t e l 糕i sa d d o d 。s i 藏l u l a t i o 硅r e s u l l ss h o wt h a tt h es a f e t ya 矬畦l h e r o b u s t n e s so fw a t e r m a r ka r ee n h a n c e d s e c o n d l y b l o c kd c ta l g o r i t h mb a s e do nc h a o si sp r o p o s e d 。t h ea l g o r i t h l i n f r e q u e n c yd o m a i nh a s9 0 0 dr o b u s t n e s s ，b u tw i t hs m a nc a p a c i t y l a s t l y c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e si na l g o r i t h m so fs p a t i a ld o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n ， an e wa l g o r i t | l mi nc o m b i n a t i o n a ld o m a i nb a s e do nc h a o t i cs y s t e mi s p r o p o s e d t h ew a t e f m a r ki n f o f m a t i o ni sd i v i d e di n t oi r n p o f t a n tp a r ta n du n i m p o n a n t p a f t ，w i t hw h a t e v e ry o uw a n tt o t h ei m p o r t a n t se m b o d d e di n t of f e q u e n c yd o m a i n ， w h i c hh a sg o o dr o b u s t n e s s t h el l n i m p o r t a n tw i t hl a f g ec a p a c i t y ，i se m b e d d e di n t o s p a t i a l d o m a i n 。 e x n a c l i 弧gw a l e 潍a f k ，t h e f ei s n on e e do fo f i g i n a l n f o r n i 越i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt 王l a tu n d e rt h en 0a t a c ks i t u a t i o nt h ee x n - a c t e dw a t e r m a r ki s v e r yw 母1 1 a t a c 耘t h ew a t e r m a r 警e di l 珏a g et h f o h g ha d d i n gl l o l s e ，f i l i e f ，a n dj p 嚣g c o m p f e s s 。i nt h ee x t r a c t e dw a t e r m a r kf r o mt h ea t t a c k e di m a g e ，t h ei m p o r t a n ip a r t ， w h i e hi se m b e d d 尊di 珏t o 毂e q 珏e 珏e yd o 狂l a i 魏，h a sg o o df o 务毡s l 珏e s s t h a ti st os a y ，u n d e r s a f es i t u a t i o n ，t h ea l g o r i t h mi n c r e a s e st h ec a p a c i t yo fw a t e r m a r k b ya t t a c k e d s i 珏a t i o h ，l 魏e 娃矗p o t a n p 鑫_ 睦i ss 箍v e df o fi d o 珏l i 蠡c a t i o 蘸 董e yw e r 瘫s ：d i g l 疆1w 建重r 毽建r 赫鞋g ；s 擎疆耋耋珏ld 臻释l a i 囊； 转c t ；c 魏a o s ； c o l n b i n a t i o n a ld o l n a i n ： i 湖南大学 学位论文原翎性声明 本人郑重声稠：薪釜交的论文是本入在譬簿豹掺导下狻立遴行磷究所漱 褥瀚磷究成莱。除了文中特潮细黻称注孳| 娟瀚内容辫，本论文不毽含强稼其 他个人或熊体湛缀发表或撰写豹成巢俸晶。对本文的研究做出遂要蠢献盼个 久鞠嶷侮，均器盔文串以甥填方式掾携。零人完全意识铡奉声疆的法律后渠 囊本人承掇。 终翥熬名： 础纛 强期：蠢年曩菇曩 学位论文版权使鼹授权书 零学挝论文穆者突全了勰学授嘉关豫譬、使熙学霞论变的蠼畿，嗣意学 校探蘩势目国家燕关郝门或捉构送交论文的复麓 孛鄹电子敝，允谗论文被囊 鼹鞠借瓣。本大授投潮鬻大学霹茨将零学往论文戆垒部装郏势蠹窖编入骞关 数据瘁进行检索，霹浚采羯影露、缩翻线扫搽等复割筝羧缣存秘汇编本学位 论文。 本学缀论文溅子 l 、保密固，在年鳃密餍适崩本授权警。 2 、不保密嬲。 ( 渣褒戳上耀戍穷糕爨努“”) 篡键导师篾名；移掣y 鞠期；，# # 善年够翼；磊 匿簸：沙6 年妒贸，l 匿 硬士学彼论文 第1 耄绪论 避年来，随赣诗算桃多媒体按沭鸵避猛发震，久稻磴激方便缝稍麓数字设备 潮终、楚淫翻镱襻鬻缳、语音、文零和橇频等多媒俸傣惑。与魏霹辩，数字嚣络 遴信疆在飞遴发餍，使褥傣怠匏发奄鞲稔输实现了“数掌纯”謦鞋“弼终纯”。在 摸缀辩代，入餐撅磁带稼为记荥设蓉，盗黻拷炙遴鬻要魄嚣鲶挎鬟鹣瀵蟹繇，褥 臻敝耱煲黥二次拷舞的矮爨更耩糕。蠢在数字时代，敬麓或嚷彩鹣数字拷燕遘= 程 完全不攒失襻晶袋豢。潮魏，数字媒体缀容器嚣璐飘l e f 矬燃袋c 转袋o 醚毂笈裁、 熊瑾、传獾莘瑟公开。这褥裁等| 茂密数字倍憨傣输鹣安全阉遂鞍数字产燕瓣黢校绦 爹瓣爨。强辫在瓣貉舔凌审实熬鸯散豹缀校缳护粒绩患豢全零羧，兹缀攀l 熬7 因 舔学零秀、念韭器浚及竣黪蘩瓣懿广泛关注。葵审，麴簿跨基数字产赫被餐投、 巍版灏随意熊浚，魏经羧必世舞各毽黪黎决豹熟心渫题“3 。 寮璐攘笨是蕊惑安寨羧零镁域魏羹蘩转绫羧零之一，现蠢戆数字内辔豹探沪 多暴稳热密熬方法泉完成，帮蛰炎将多媒体数撂文馋艇豢成辩文嚣发穗，使樽矮 褒健递过程巾塞袈戆菲浚致| 蠹豢嚣法献塞文获取掇要壤崽，鼓聪达裂舨投豫妒髑 馈惠蜜全瓣弱的。辍这势不能突全螭决翊题：一海嚣鸯爨糍螽鹣嶷终因冀不霹理瓣 骥露妨鼹雾媒棼绩惑毅转播；努一方纛多媒薅绩惑经过热密矮容瑟零l 起玻蠢者熬 好惫靼法意，势褰被破艇熟霹麓谯，露且当馈惑被接收毙进纷孵密簸，所鸯嬲鬻 鹣文搂魏与蒋逶文搂一襻，姆琴霉爱熬爨护，嚣法宰熟予盗舨。换富之，鬻码学 哭能保护捷瓣中驹内容，聪志褰一旦织密裁不褥套保护佟露了。函此，追切辩篪 一转鸶鼗技零或燕对密鹤学避纾於充魏技零，它斑该甚囊在内客被熬密嚣邈能够 继续僳护内器。 这样，人们挺凄了赫袋鹣谤息躲藏的概念一一数字农印( d i g i l 毽1 w a t e f m a r l 【i n 曲。数字承印技术怒隧前傣息安全技术领域的一个新方向。它搿希蹩 娥为这样一转於窥投零，戮为窀在数字产品串嵌入静僖憨不会被常辫箍理撵稚去 除。数字水印技术一方颓弥补了密码技术的缺陷，因为崧可以为解密厥的数掇提 供避一疹鹣像护；弱一方磷，数字窳秘技术氇洛每 了数字签名技零熬缺陷，函为 它可以农原始数据中一次镶嵌入大量的秘密信息。 ， 数譬水却发瀑掰史及现状 数字承繇静产生最早w 追溯黧1 9 5 4 年，它豹产生源予对数字产晶豹绦护。 在1 9 s 4 年，美誉m u z 威公嗣静e m i l 鞋。m b f o o l ( e 审请了一颈褒为“l d # 棘t | c a | ( ) 撞o f s o u 魏曛a 艇i 豫es i 墓珏a l s ”静专翻。逡楚一耱海舔谖璐不霹醛籀建嵌入爨隶乐中获蠢 诞餮所沓投瀚方法，镬褥辩音藜露l 传人鹣身份试谖秘毒皴遮薅斑盗敝袋舞可熬。 基于漏沌的数字图像水印算法研究 从酃霹起，久稍开始发袋大量的承印毅术并由j 逝展开了各种各样的应用，但这时 的数字水印只是作为一种版权认证的工具，并没有成为一门科学。直到2 0 世纪 9 0 年代韵麓，数字柬窜才 # 为一个磅究课题受弼了跫够酶重褫“3 。 早期的数字水印技术是针对数字图像进行研究的，关于该技术的论述首见于 i 9 3 年a z 。飘癜e l 等人掰撰写豹“e l e c l r o 矗i cw a t e fm a 癔”一文串蓠次使翔了 “w a t e rm a r k ”这一术语。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科 兹诞生。嚣来二词台二为一就藏为“w a t e r m a 成”，瑟现在一般都德蘑“d 强i t a l w a t e 肌a r k i n g ”一词来表示“数字水印”。现在我们所说的“水印”一般指的都是 数譬采帮。在夔瑟发表静“a 璜瘿a | 戳l e f 班a 疲”“1 懿文章串锋对灰爱蓬像撵疆了 两种向图像最低有效位中添加水印的方案。因为是直接在空城进行的水印嵌入， 称之爻空域拳窝算法。这类空蠛舞法篙攀荔行，毽泰露稳定愁差。为了提意窳露 的稳定性，c o x 等人“3 提出了扩频水印算法，将水印倍息嵌入图像感知上最熬要 翡凝域嚣予孛。冀法静鲁糖性有了缀大弱摄亵，毽瘩爨提取瓣过程盛绥要考簌始 图像的参与，即非盲水印方案。近年来豳于小波变换具有良好的时频特性，胆小 波酶多分辨分援与入眼褫燮特毪是一致爨。k u n d 狂r 等强1 提出了一耱基手套波变换 的网像水印算法。在不同分辨率下将水印的小波系数加入到图像小波系数上，加 入的农印强疫由人眼褪爨模型来调整，将窳印熬添燕帮提取缝合起来，握港镶捧 参考水印算法。 除了广泛应翅予数字图像孛，b e n d e r 等口3 掇港了铮对音频瓣东印舞法；馨。难y 等抽3 将c o x 方案威用到音频中，取得了缀好的实验结果。虽然视频图像可分解为 一帧帧静止图像缀会恧成，由予视频序列本身围有的一些特点，如过多於数摄冗 余、运动嚣域与非运动迸域分布的不平衡等，使得视频水印算法得益千静止阑像 水印算法却又区别子它”。 由于数字水印技术程信息安全和经济上的擞要地位，发殿较为迅速，世界各 国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与鼓投资支持此方面的研究。如荧匡 财政部、美国版税工作组、美国洛新阿葜颠国家实验室、美国海陆空研究实验室、 欧洲电信联盟、德国国家傣息技术研究中心、日本n t t 傧息与邋信系统研究中心、 麻省理工学院、蔼知剩福尾亚大学、剑轿大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、 朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。i b m 公司、日立公司、n e c 公司、 p i o n e e r 电子公司帮s o n y 公司等五家公镯还宣布联合研究基予信惑隐藏的电子水 印。 餮际学米界麓续发表了许多关于数字承印技术方褥酶文章，几个有影响的营 际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继感舨了鸯荧数字承露筏零懿专遴。1 9 9 6 年5 簿，莺繇第一藩信息隐藏学 术讨论会( 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 h w ) 在英豳剑桥牛顿 2 硕士学位论文 繇究掰召开，至今该研讨会已攀办了五届。奁1 9 9 9 年第三耩信惑隐藏国黼学术 研讨会上，数字水印成为主旋律，全部3 3 篇文章中巍1 8 篇怒关于数字水印的研 究。l 8 年靛国际圈豫楚瑾大会( i e i p ) ，还开群了两个芙于数字水印的专题 讨论。由m a r t i nk u t t e r 创建的w a t e r m a r k i n g w o r l d 融成为一个关于数字水印的 著名网上论坛。 在2 0 世纪9 0 年代束期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面， 美嚣茨蛰i g i 琢8 r 公霹率先器滋了第一令商爰数字承印软箨，露螽又戮捶伟形式 将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t 0 8 h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。该公 司逐攫窭7 媒钵辑( 骓e d i 8 b r i d g e ) 技术，裁焉这项技本矮户必要将客青舀i g i m a r c 水印信息的图片敞在网络摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以直接将用 户豢裂与瓣像内凑提关联豹鼹终站点。矗l p ￥i s i o n 公蠲雄塞豹l 8 v e l t 敦体，麓 够在任何扫描的嘲片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证 骥，塑裁是说，程舞耄警整篾，无谂怒建于嚣。嬲文楼、出黢势，逶是毫予郯箨 或者网页，都可以借助予隐藏的标记知道它的原始出处。a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是专为抒霹文档设计豹安全产韪，它将农爨嫠惑隐藏剿鳋戆鹜瑟，淡魏来谖爨该 文档的真伪。s 8 f e p a p e r 可用于证明一份文件烃否为指定的公司或缎织所打印， 如医疗处方、法德文书、契约等，还霹以将一魑重要躐秘密躲债惠，翅囊耘、专 利、名字、金额游，稳藏到数字水印中。欧洲电子产业界和脊关大学协作开发了 采用数字承印技术来监褫复制鼗像软l 牛豹监援系统，以防止数字广播灶者黪不正 当复制的行为。该开发计划名称为t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb y l a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n d 鹾o n i t o r i n ga e e e s sn e t 肆o r k s ) 。垂e 孑 发量 囊l 事 为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结 束，法国、比利时、德国、西班牙、意犬利和瑞士等程内的1 1 个邋信与广播业 者、研究单位和大学参鸯n 。 随着技术信息交流的加快和水印技术蛇迅遮发展，国内一些研究单位也邑逐 步觚技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字承印的研究。 我国于1 9 9 9 年1 2 月1 1 日，由j t 京电子技术庶用研究所组织，召辨了第一届信 悫稳藏学术研讨会( c i h w ) ，至今已成功的举办了西届，很大裁度逾推进了国内水 印技术的研究与发展。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，在 2 0 0 3 年静科技篷中枣众韭技术割新蘩金若干疆点项强指南中，鞠确指出了对 于“数字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏、域者网络认证等先进技术) ” 稳“令径纯产品( 证 孛) 翡淤伪( 蓥予永窜、编码、躐撬酸斑答等技术) ”簿多 项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内融经出现了一些生产水印产品的公 司，萁中院较有代表桎鹃莛由中瓣院警确纯醑究雳弱裁瑞谈、谭铁孚等人予2 0 0 2 年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等 3 基予提渣浆数字蠖l 豫承邵冀法矮究 软硬俦开发的公司一上海鬻须数磷鼓术菇限公司，公司现飘事数字涯悻、数字 印鞲、粕f 文本、分浚离散圈像、视频、网络安全等多方瑟数李水印技术的研究， 理在遮家公司丑审请了一项豳际籀三颈灏絮数擎永印技术专翻。辍熬数字承鞠程 国内的应瘸遥处予视缓阶段，僮承印公溺的创办德得数字水涕技术在国肉不仅彼 只等鬻在壤论骚究静滠嚣上，嚣是薇藏悫主了嶷潮纯鞠赛照纯豹道路，逡榉会黧 船推魏国内承翠技术的蓬韵发展，为霞斑瀚信崽安全产蜚獾傲有教静、安全的绦 障”。 1 + 2 数字水印技术的应用 数字求帮授零愚一静霹浚裰嚣数瓣终繇境下保护鞭寝鞠获漾来源及完蹩赣 静灏囊技零，截撵豢戆刳穆髂怠秘个久标纛逶避数字瘩攀系绫滚人袋苓遥感妇戆 零窜形式嵌入在雾媒镩串，久秘爰法簌表露上感翔承耀，哭蠢专耀翁检测嚣躐诗 冀撬敬终孝莓戳羧灏邂黪藏靛数字农印，程多媒撩孛熬入数字瘩印霹戳璃立舨投 舞蠢纛、菰 燕多攥髂米溪夔粪实经、 鬟囊辫买囊、提镤蓑子数字凌签豹茭它瓣麴 偿惑、确认联骞投试诞巍跟踪馒觳行为。窀在篡敬鉴定、数掇憋分级谤翔、数撰 跟踩秘捡溅、蘧攮秘攫凝广撵、i n t e r n e t 数字攥棼懿凝务嚣赞、逡予亵务试涯熬 定等方霭篡露+ 分广阑毂盛趟裁最。 激秘挺爨数警承翠麴丑豹爨建了镶护叛投，然瑟骧繁数字水印羧零豹发展， 入们靛现了翼多爨广的艨弱，剪谗参是当翻人髓赝没稳鞭料到的。下蕊剿出了七 静鑫挝出豹袋实辩熬承印盛翅：广攒监控、瑟露嚣鉴剐、所有权骏诞、操终凝路、 内褰认证、拷贝擦铡靼设备控制。 广瓣黢控；遣过谖别嵌入裂终热中豹零印寒整剔幸笮赫是秘辩姆蟪被广撩 盼； 辑霄卷鉴别：嵌入代表终晶版投所有者身傍麓承印； 所蠢救验诞：在发生所饔掇纠纷时，用永印来提供证攥； 操作躐踪：趱承印寒鉴别合法获褥内容讴释法燕掰发送内容酌a ； 内褰认证：褥签襄僚惠嵌入捌内容中以待豳后稳焱内容燕否被篡浚： 拷受控铡：搜翅水印来势知荥稍设备不麓蒙潮什么内容； 设餐藏帝：使用永印来销造设备。 数字水印技术还楚予发袋之巾，上述七个方蕊 楚不搿赣斑禽菸掰驽霹畿熬滋翔强 城，键可醣番漤数字永印按拳未来的应用帘汤将会更细广瓣，毕竟，家还逶伞方兴采艾 静领域。 1 ，3 主要研究内容 论文第二章奔缁本论文孛蒸磷理论。一楚鬟要瓣数学王蒸蓠敬余弦交换 4 硕士学位论文 ( 驺贸变按) ，给惑了瑟傣静二雅离教余弦交换漪买体公式。二= 是霭沌系统豹鏊本 概念，给如了论文中用划的几类热型的混沌系统。第_ 兰章详细阐述了数字水印技 术藤理。涉及数字隶窜技术静分类及瘦霄翁蒋链、数字承印系统麓基本框粲、数 字水印系统的基本问题、数字水印系统的评估。第四鬻给出了空域和d c t 域数字 承露经典嚣法魏详缨穷缀察攘揪傍其察验，势在这些箨法熬蒸懿上孳l 入混浦系凌 对缀典算法进行嫂进，俯真实骢，比较二者之问的优缺点。空域嵌入水印简单、 承露容量大，錾簧捧毪不好；静e 零竣鲁棒鞋磐，毽燕震露骞鬣枣。第五章臻台了 空城和d c t 域水印算法的优点，提出了然于混滩的组念域数字水印算法。将水印 蘩藤分秀羹要窝嚣重要帮分，爨要帮努要魂豫有建努嚣番禧鼗，嵌入赘载豁溪缘 的n c t 域 非重凝部分增加了水印信息的容量，在获得大水印容量的同时拥有了 鼗好懿簧襻装。 5 基于浞淹的数字瑙像农印簿法研究 第2 耄基本理论 2 。 图像处瑾酶d e t 蜜换 囊散余弦变羧( d i s e r e t ee o s i n et r a n s f 硌瓣) 楚称d c k 铥秘连续鹩实对爨 函数鹣媾立时变抉中砖含富余弦矮，因媳余弦变换与傅立唑变抉一榉蠢聪确瓣携 理意义，蚤e t 变换避灸了薅立时变羧孛翡复数避冀，它是纂予实效豹薤交交换。 d c t 变换艇咚的基肉爨缀避锹于t o e p l i t z 矩阵( 琴数矩障对称且潋着与擞对角线 平行的任一对角线上黥嚣褰郄稳簿) 戆将 燕向激，褥孙e p l i t z 炬黪又体现了人 类诱富及艨像信号瓣相关特性，敝d 常常被认为蹩对语酱秘图像信号的准最谯 变换，疑辩d 髓算法较荔予攘数字谂号处瓒器巾快速蜜溅，因她露弱翦畿圈豫编 码中蠢有熬黎的她位，成为一系列麓关阑像编码的国际标准懿圭癸环节。 对一蠛强像避褥二缭离散余弦变换，可使褥弹多有关翔豫豹蘸要瓤褫信患郡 集中1 ) c t 变换昭一小部分系数中。 个嬲x 斑阵矗静二维d 疆定义鲡下“”： 一搿，啦鬟蓑氛嘲警粥警 e 。，t ， 0 蓝夕鲨槲l ，o 墨| 窑g 一l 冀审： 搓，鬻 喜，芦。o 遗毓 数德嚣。称为一的葑科系数 邀d e 彳变换窥义如下； o 妒葺膨一l ，瑾口赫壹删 缓。， 括，l 刚肌l 厶一萋薹咿ae 潞笺产c o s 笔产 暇s ， 0 墨掰s 嬲一l ，o 墨摊一l 聪t 邀交换方程爵璐勰为：任意掰韵矩黪爿都可以警减涮个式2 ，4 所示丽数的加权缀合： 8 ，口；嚣。c o s 兰l 兰 i 者羔塑。0 s ! ! i i i 未羹望 ( 2 4 ) 0 蛙p 炼艏一王，o 蕉譬一兰 这些涎数被黪为蚤e l 基本嚣数。e t 系数蠡。霹戳爨成是瘟弱予每一个邈数鹣 投壤。二缳d 殴变换矮鸯可分褰幢，可以努瓣为双重浆维1 ) c 下变换。 6 岳 硕士学位论文 基于d c t 运算酶程序实现戳及分浚d c t 豹需要，弓| 入一个d c 羊变换铤阵。 m m 交换矩阵t 由下式给出： t蟮哪警胪舭钏棚像。， 意 舻。舳弘肌1 鼹手一令辫x 矩降蠢，z 蔗莛一个掰x 弹矩阵，该矩阵豹刭毽禽矩薄捌豹 一维d c t 。一的= 维d c t 可以通过计算霹- r 以r 获得。由于r 是一个实标准正 交矩蓐，掰鞋其遂变换瓣形式与变换形戏一致，霆鼗，嚣敦二维遂蚤e 零由f x 蠢x f 给出。 2 2 混淹系统 2 ，2 。1 瀵涟系统的基本概念 混沌是一个究全确定韵系缆中出现的一类炭随桃过程的现象，魑有序与无序 熬统一，凌定性岛蘧掘搜羚统一“”。潺涟系绞露愿饕线牲差分( 或微分) 方法攘 述，本文艇要考虑离散系统。我们以一维混沌映射为例，简单介绍混沌的动力学 煞识。 定义：如果，：，一，满足三个条件：具有对初始条件的敏感依赖性；是拓 扑传递蛉； 餍期点在f 中稠密。则说踺应戆动力系绫在j 上是混滤瓣。 设有一维混沌殃射 。- ，魄) ( 2 。6 ) 这摄，：j j 是一非线蚀映射，蚪- 咄2 。式( 2 6 ) 有极蔟丰富的运动行为， 我稻凳考虑它瓣混淹运麓。滢淹长麓蟹为在j 上满遥一定熬不交概率分蠢，它由 p e r r o n f r o b e n i u 8 方程决定： 尹秘) * p ( ，秘一，) 诲 ( 2 7 ) 受一般地，在映射，的佟用下存在不变概率测度牟，对任意黛会嚣，毒 ) 一p ( ，。曰) ( 2 8 ) 葵中，。嚣袭示在，一次 挈焉下被浚瓣刭集合嚣上静煮豹集合。当穰牵密度爨数存 在时，咖一p “) 幽。如果不变概率测度卢不能分解为 = p 群1 + 程一p ) 芦2，o p l ( 2 9 ) 这照，段一肛：也怒不变概率测发，则称一是遍历的。此时，对任意可积函数妒( x ) 有 7 基于混沌的数字图像水印算法研究 嬲专蒌妒( ，”o ) ) ，妒o ) 咖o ) m “j 即时平均等于集平均。 混沌舆有对视始条l 孛的敏感依赖饿，相邻辘道指数分离： l y a p u n o v e 指数刻画相邻轨道指数分离的速率： ( 2 1 0 ) 嚷唧洳溉。 毒；憋吉| o g ：| ，融) | ( 2 i i ) a n 融一”h 遍历测度戆存在镬褥上式可改写是 a r 1 0 9 z f ，7 瓴) 加o ) ( 2 1 2 ) 演淹系统鬣少一个乙y a p u n o v e 指数大予零“。 2 。2 2 几种典型的混；啦系统 一维l o g i 8 t i c 映射，定义如下m 3 ： x “一彤l ( 1 一) ，戤( o ，1 ) ( 2 ，1 3 ) 式中：o 兰s 4 ，称为分枝参数；当3 5 6 9 9 4 5 6 4 时，l o g i s t i c 缺射工作于混 沌状态。 0 2 5 4 60 6 9 8 4o 7 7 5 2o 6 4 1 4o 8 4 6 5o 4 7 8 3 0 9 1 8 3o 2 7 6 2o 7 3 5 7o 7 1 5 6o 7 4 9 0o 6 9 1 9 o 7 8 4 5o 6 2 2 lo 8 6 5 2o 4 2 9 3o 9 0 1 6o 。3 2 6 5 o 8 0 9 2o 5 6 8 lo 9 0 2 9o 3 2 2 6o 8 0 4 lo 5 7 9 6 0 8 9 6 7o 3 4 0 90 8 2 6 80 5 2 6 9o ，9 1 7 3o 2 7 9 1 0 7 4 0 4o 7 0 7 4o 7 6 1 7o 6 6 7 9o 8 1 6 3o 5 5 1 9 0 2 5 4 4o 6 9 8 0o 7 7 5 7 0 6 4 0 3o 8 4 7 60 4 7 5 4 0 9 1 7 8o 2 7 7 7o 7 3 8 lo 7 1 1 3o 7 5 5 7o 6 7 9 5 o 8 0 1 5o 5 8 5 6o 8 9 3 0 0 3 5 1 5 o 8 3 8 8o 4 9 7 5 0 9 2 0 00 2 7 0 9o + 7 2 6 9o 7 3 0 6 o 7 2 4 唾o 7 3 4 8 o 7 1 7 2o 7 4 6 40 6 9 6 60 7 7 7 8o 6 3 6 00 8 5 2 0 0 4 6 4 lo 9 1 5 3o 2 8 5 4o 7 5 0 6o 6 8 9 00 。7 8 8 6 表2 1 、2 2 分别给出了以初始值；0 2 3 5 4 6 与并o = 0 2 3 5 4 4 ，p = 3 6 8 ，长度 尧6 6 酶混淹簿戮。飘表中我稍可醴簧出，对于一个混沌净戮丽言，每一个元 素之间是互不相等的，也就是说混沌序列无周期性；表中的两个混沌阵列初始值 硕士学位论文 之阉只稽蒺g g 0 0 0 2 ，缀两个净剜豹鞔迹是互不籀交静，这充分说明了混： 窀系统 的初始值敏感性。这是澜沌序列优于一般伪隧机序列的方面，能产生数量众多、 吴有爱驽辩鑫裰关毪帮甄穗关程。应嗣辩，去除痔疑藏赣静豁分数据，这样有 利于突出混沌序列的特性。 浚除数走参数靛潍e b y 8 h e v 浃瓣。拜除豹e 1 1 e b y 曲g v 浚射定义弼下 毒“l - 0 0 8 伽( a “：o o s h ) ) ， 工( _ l ，1 ) ( 2 1 4 ) 逶避褥攀熬燮挨，l o g i s t i c 映瓣毽霹鞋程璃上定义，形式翔下： 以+ 1 - l 一轴，( 一1 ，1 ) ( 2 1 5 ) 蔑审t 五糕襁耸。在磊= 2 瓣潞瓣祭羚下，l e g i s t i e 映瓣 器e h e b ￥s h e ￥获鼓燕箍羚 共辗的，即它们w 被视先动力状态相同的系统，其生成序列的概率分布函数p d f ( p r o b 8 b i l i t y 塾e 珏s i t yf u 珏e t i o n 嚣弱 舯p ，一盖聋王 ( 2 。1 6 ) ，其他 遴过p 0 ，毒获锻褰瑟壤餐鹫b 蜉g i s t i c 躞瓣产生戆溅淹廖瓣瓣统谤特瞧。 性质l对予任意襁德产生的混沌痔掰，冀均值为 ；一融蓑墨一印积- 。 ( 2 t 1 7 ) 睦震2 独纛选取2 令拐鲶德屯、y 。，劐产生枣捌翡蔓撩关丞数为 y 扣熙单越荆p 鼬丽一融( 2 - 1 8 ) - 每( 一y 。) l o g is t i c 序列的以上特性袭孵，由于混沌劝力系统具鸯确定性，其统计特性 等同于自噪声，爨瑟被艨鼹予数譬遥谖鼗多媒体数据蜜全等矮蠛熬糕声璃剃。该 系统具有以下优点。 形式麓攀：必嚣要潺涟映射参数秘镑戆条馋裁霹蠢便生成，不崧渡费空阕寒 存储整个_ i 擎歹l j ； 初始条l 牛敏感：由不露褪鳓健，生成酌序裂是非髑x 耀、苓收敛、不楣关熬， 同时混沌幼力系统具有确定性，印给定相同的初始值，其相威的轨逾肯定相同， 所以可以获褥数爨极多的混沌序列，且程一般情况下，援难从有限长度推断混淹 序列的初始条件，从安全角度，这是非常重要的； 自噪声的统计特性：可用予需要噪声调制的众多威雳场台。 r e n y 映射，定义如下“： x + l = 声l n o d 2 省-，工r o ，露兰o ，1 ，2 ( 2 。1 9 ) 9 基于混沌的数字圈像水印算法研究 式中，o 代表值域空闻，为实控靠l 参数。对于菜个特定的茚值，有限空闻o 可 分为两个子式空间o 。和o 。如果初假o 。，则产生的序列是周期的或准周 期的，帮麓翔豹；否刚蓍o 。，蠲产生静序罗| j 是混淹豹。巍这静系统率，轨迹 一般在一个由p 假决定的予区域【z 。，z 。】c o 内振动。因此，人们w 以在医域 【z 。，z 。】海定义一个域俊? ，蠢魏产羹一个二值序列p 如下： p * 茹，l p ，一在l羔：； ，o 妄，二一t( z ，z 。) 此时，参数楗当于用来控制l 转换为一l 或一l 转换为l 的平均频率。 强混沌系统豹特铡一花托囊间构：自阊构矩强混淹系统a n o s o v 微分同艇的 特例。一个二维的花托自网构可以看作二维平蕊内的空域变换，它可用如下的映 射表示“： f ：o o ，o = o 1 ) 【0 1 ) c 露2 ( 笼) 。巴：撒) 岫， 池z ， 其中口“z ，t 1 ，2 ：d e t a = l 且特征值 ，a 2 譬卜k 0 ，l ；f 表示= 维实数变换，o 表 示二维实数域。常用的整数格映射为： 瑶 ) ：“一“ ( 廿g 埘i 卜； 泣。z ， 其中当k = l 时，这类混漶系统称之为獾映射( c a tm 8 p ) ，也称a r n o l d 变换。将 a r n o l d 变换应用猩数字翻像上，可以通过像素搬标的改变而改变图像灰度值的布 局，即可慰所给躜的重要水印图像进行加密。墩可以将k 值作为一个密钥，提态 图像的安全性。文献 1 7 中作者对数字图像的二维a r n 0 1 d 变换的周期性做了详 细的 正明。不同除数n 下平恧上a r n o l d 变换餍斓见表2 。3 。 表2 + 3不闷瞬数h 下二雏 r n o i d 变换的周斯 n23456789l o1 11 21 62 42 5 周期 343l o1 28 6i 23 051 21 21 25 0 n3 24 04 85 05 6 6 0s 4l o o1 2 01 2 51 2 82 5 64 8 05 1 2 周期 2 43 0 1 2 1 5 02 46 04 81 5 06 02 5 09 61 9 21 2 03 8 4 椭 硕士学位论文 第3 章数字水印技术 3 1 数宇水印技术的分类及应有特性 3 1 1 数字水印的分类 数字水印技术是一种有效的数字产晶版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏技 术研究领域的一个重要分支。它将具有特定意义的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方法 隐藏在数字图象、声音、文档、图书和视频等数字产品中。用以证明创作者对其作品的 所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字 信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字水印 技术在不同的场台有不同的应用，其分类方法多种多样。本论文仅缭出三种分类 方式。 1 按水印特性撼j 分 可见水印( v i s i b l ew a t e r m a r k ) ：其特性是：水印在图像中可见：水印在 图像中不太醒目；在保证图像质量的前提下，水印很难被去除；水印加在不同的 图像中具有一致的视觉突出效果。这种水印已在互联瞬上得到了广泛应用。 不可见易碎性水印( f r a g i l e _ a t e r m r k ) 其特性是：永印在通需或特定 的感知条件下不可见：水印能被最普通的数字信号处理技术改变；未经授权者很 难插入一个伪造的水印；授权者可很容易地提取出水印，从提取出的水印中可以 得到载体的哪些部分被改变。 不可见稳健性水印( r o b u s tw a t e r m 8 r k ) 。其特性是；水印在通常或特定 条件下不可感知；嵌入水印的载体信号经过普通的信号处理或恶意攻击后，水印 仍然保持在信号中；未经授权者很难检测出水印；授权者可很容易地检测出水印。 2 按水印检测过程划分 非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k ) ：水印在检测过程中需要原始图像和原 始水印的参与； 半盲水印( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k ) ：水印在检测过程中不需要原始图 像，但需要原始水印来进行检测； 盲水印( b l i n dw a t e r m a r k ) ：水印在检测过程中只需要密钥，既不需要原 始图像，也不需要原始水印。 一般来说，非盲水印的稳健性比较强，但其应用受到存储成本的限制。盲水 印屉具应用前景，但该方法面临如何提供可靠的版权保护证据以及如何解决鲁棒 性等问题。 3 按水印隐藏的位置划分 3 按水印隐藏的位置划分 1 1 基于混沌的数字图像水印算法研究 对( 空) 域数字水印：鸯接在信号空间上叠麴永印信息。 变换域数字水印；水印嵌入图像的变换域系数。包括d c t 域、d ”域和小 波交换域。 只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 3 2 数字永印的应有特性 本文蓿重研究昀是不可见水印，蹶以只分绍易谗水露和磐捧水露的应蠢特 性吲。 易谗水印的应有特性：水印在通常或特定视觉条件下誉可见；水印能被最 普通的图像处理技术改变；未经授权者很难再插入一个伪造水印；经授权者能很 快地提取出水印；水印熊在图像剪切操作后仍熊存在；从抽取如来酶水印中照看 出绵里被改变。在这些特性中，有些特性在特定的应用环境下不一息酃满足。 鲁棒水印的应有特性：水印在通常或特定视觉条件下不可见；加水印的图 豫经过瞀潦的图像处理拽术后承印仍然保持在掰像中；未经授权者狠难检测出水 印；经授权者能缀快地提淑出水印；加水印的图像经过印刷或重新扫描后水印仍 然熊被籀毅出来。 3 。2 数字水印的基本框架 数字水印系统包含嵌入器和检测器两犬部分。嵌入嚣趸少具有两个输入 螫：一个怒覆始髂意，窀透过逶警交换嚣 笮为特嵌入的承印蔼号；勇一夺藏楚要 在其中嵌入水印的载体作品。水印嵌入器的输出结果为含水印的载体作品，通过 羯予铸埝辩转录。之嚣邀传薅瑟臻舅一传泰经邂这个羧入器懿佟晶鹫作秀拳印检 测器的输入量。大多数檎测器试图尽可能地判断出水印存在与否，若存在，则输 出为瑟褒入豹本秘蔼号。强3 。l 绘出了数字承露处理系统基本糕檠靛详缨示意霾。 它可以定义为九元体( m ，x ，w ，k ，g ，e m ，a t ，d ，e x ) ，分别定义如下： 图3 1数字水印处瓒系统基本框架 1 2 硕士学位论文 篮浚示菠祷霹姥羰娥楼惑龄繁舍； x 淡嚣艇要攥妒翦数字产鼹x ( 戏称走 罄热) 的集念，骂内容 攀淡冢掰鸯鼙瞧表露髅号辩鹣集会； k 装豕水印裳锶k 麴擞会 ， e 袭舔鬓矮爨始蘩爨糖、攫键k 秘舔雅数擎产熬x 熬戮凳壤拳簿静算法，帮 好：删x 并x 裁一炒，w g 伽，鹣蠹 ( 3 1 ) 辫螫瀵褥鹣是，琢始数字产熬零是参鸯捶拳褥瓣塞琏波程，瀚魏辫2 ，l 审蕉窳线 浚斌； e 氆袭戆将拳繇甚黻入数掌帮瑟x 审激裁入簿法，鬻 露加：并x 渺h 溉蔗”* 压h 啦，w ) ( 3 2 ) 这爨，盖代袭窳娥产燕，矿筏袭含瘩印产赧。麓? 摄蒜蜜垒戆，鸯辩农嵌入 算法中包禽嵌入辩锱l a 表零砖含水露产撼懿玻丧箨法，瓣 街：带x 意一篇，叠- 爿t 0 ”，冀 ( 3 3 ) 逮器，墨袭淤蔽褒黉秘避辩密键，素表舔被袭鑫薅靛案承窜产赫# d 袭承水印稳灏算法，辩 蓉一憾黻跏嚣篓黧黧黜 杈妨 邀爨，糕；愁玩健表二蘧簸浚，分粼表露承窜熬肖茏 e x 表源水印撼取冀法，即 瓤：并x 鬈一妒，露* 敬国趵 3 5 3 。3 数掌拳秘处瑾萘统的熬零避艇 由图3 1w 知，数字水印簸璩系统胃矜成永邵信警的攘成、求帮蒲弩魏嵌入、承印 穗臻的捡溅； 瑟摄取数茨数字瘩露熬凌毒器大块。 3 3 。1 水印信号的生成 羧爨嵌入多嫩箨经慰量熬数字熬箨瓣内容举穗，w 将零辩麓分魏骞意义浓帮 和嚣意义嫩印。漕意义水印戆攒水印本嶷搬是禁个数够图像一( 如商标图像) 戚数 字酱羰片羧懿缩聪；冤懑义瘩帮羹| l 熙辩痤予个澎残弩或袋熬税觳，没有其髂 的意义。 1 ，无意义瘩印穰毒麓产生 由于数字水印系统实际上可i 奠漪成是个通俗模繇，水靳是作为在通信信邋 中转遂懿焙惑， 薅式露翡羧髂粼是逶穰信筵妻。壤攘香震怒理，在离鬻噪声筑予拣 下，在平均功率脊限的情道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是其有岛噪声统 诗特瞧黪傣号。我们掰遮耩黪爨灸无黎义瓣零簿蕊号一黢爨海蘧蔻0 ，方羞为 基于漓沌的数字图像水印算法研究 ，壹逶藏拳印蓓弩 t 其它窳鼯信号 豳3 。2数字承靼俊号的生或撵爨 1 ，即满足n ( o ，1 ) 正态分布的伪随机实数序剐。根据个人需求，将产品的序列 号、生产蹬期或免任何意义的一个数字作为“耱子”，泼序列发生器圈定时，“辩