一种改进的基于图像融合的数字水印算法.doc

一种改进的基于图像融合的数字水印算法第28卷第1期2011年1月计算机应用与软件ComputerApplicationsandSoftwareV01.28No.1Jan.2011一种改进的基于图像融合的数字水印算法范立南宋博韬张博(沈阳大学信息工程学院辽宁沈阳110044)摘要为实现对数字图像产品的版权保护,构建了一种新的基于图像融合的数字水印算法.对指纹图像进行混沌置乱预处理,结合加密技术,增强了系统的安全性.根据JPEG压缩过程的特征,提出了一种新的嵌入算法,显着地提高了空间域算法抗JPEG压缩的性能.对指纹信号统计特征进行处理,避免暴露嵌入位置,增强了鲁棒性.通过主观和客观的评价方法以及攻击实验,验证了算法的性能.大量的仿真实验结果表明,采用的数字水印算法能够高效地在载体图像中嵌入和提取水印信息,具有较高的实用价值.关键词图像融合信息隐藏数字水印混沌序列图像版权保护ANIMPRoVEDALGoRITHMoFDIGITALWATERMARKINGBASEDoNIMAGEFUSIoNFanLinanSongBotaoZhangBo(CollegeofInformationEngineering,ShenyangUnivers,Shenyang110044,Liaoning,China)AbstractInordertoachievethecopyrightprotectionofdigitalimageproducts,anewimagefusionbaseddigitalwatermarkingalgorithmisbuilt.Itperformschaoticscramblingpretreatmentonfingerprintimage,theencryptiontechnologyisalsointegratedtoenhancethesafetyofthesystem.AnewembeddingalgorithmispresentedbasedonthecharacteristicofJPEGcompressionprocess,whichremarkablyimprovestheperformanceofthespatialdomainalgorithminresistingJPEGcompression.Statisticalfeaturesofthefingerprintsignalisprocessed,itavoidstheexposureoftheembeddedpositionandenhancestherobustnessaswel1.Theperformanceofthealgorithmisattestedbyaseriesofsubjectiveandobjectiveevaluationaswellasbysomeoffensiveexperiments.Resultsderivedfromalargequantityofexperimentsprovethatthedigitalwatermarkingalgorithminthisworkisabletoembedandextractwatermarkefficientlyfromthecarrierimagesandhasahighfilnctiona】valueKeywordsImagefusionInformationhidingDigitalwatermarkingChaoticsequenceImagecopyrightprotection0引言网络及通信技术的迅速发展与广泛应用,给多媒体数字产业带来了前所未有的机遇和挑战.多媒体数字资源通过这些先进的技术得以充分利用.与此同时,数字产品的易拷贝性令图像,影音,软件等的盗版变得极其容易,恶意侵权问题显得非常棘手.对于数字图像而言,图像编辑和处理工具的迅速发展使得一般和专业用户更容易利用这些工具修改图像内容而造出以假乱真的数字图像,颠覆了人们”眼见为实”的传统观念J.数字图像的篡改和伪造如用于正式媒体,科学发现,保险和法庭证物等,将会对政治和社会稳定产生严重的影响.现代版权保护系统多采用密码认证技术,而密码技术并不能完全解决恶意侵权问题.信息隐藏技术的出现,填补了这一领域的空白.数字水印技术是信息隐藏技术最重要的应用,而数字指纹又是数字水印技术的一种实现.目前,可实现数字指纹的技术主要分为变换域技术和空间域技术两类.典型的变换域技术有离散余弦变换(DCT),离散傅里叶变换(DFF),离散小波变换(DWT)等.变换域技术通常具有较好的鲁棒性,缺点是运算量大,实时性差.常用的空间域技术有LSB方法和图像融合技术等.LSB方法的优点是实时性好,支持盲检测,抵抗几何变形和噪声影响能力较差.如果知道嵌入的位平面,容易被提取或擦除.图像融合技术实时性好,运算速度快,有一定的抗噪声影响能力.本文从实用性出发,针对目前数字水印系统在不可感知性,鲁棒性和安全性上的缺陷,提出了一种改进的基于图像融合的数字水印算法.1基于图像融合的数字指纹技术基于图像融合的数字指纹技术依赖于人类视觉系统HVS(HumanVisualSystem)的不完善性,利用图像融合算法将数字指纹图像信息隐藏在宿主图像中,达到人眼视觉难以分辨的程度,从而逃过恶意攻击和提取.图像融合过程为:B=_厂(C,H)(1)其中,B表示嵌入指纹图像信息后生成的载密图像信息,C表示宿主图像信息,何表示待嵌入的指纹图像信息.f(C,)表示图像融合算法.收稿日期:20090925.范立南,教授,主研领域:图像工程,人工智能.284计算机应用与软件2011丘1.1Bezier曲线Bezier曲线被广泛应用于计算机图形学领域,可作为实现图像融合的手段.Bezier曲线的数学描述为:在空间给定n+1个控制点P.,P.-,P借助一组基函数:B(t)=cot(1一t)(=0,l,n)(2)式中:,1一,一!(ni)!,n次Bezier曲线的定义为:P(t)=PB()(4)图像融合嵌入算法多使用一次Bezier曲线.结合公式(1),一次Bezier曲线可以表示为:B=(mC+nH)(n=1一,n)(5)嵌入过程:将指纹图像像素RGB值通过Bezier曲线对应映射到宿主图像的RGB分量上,将得到的图像序列生成一幅新图像,即载密图像.图像融合检测算法,利用该公式的逆变换.一次Bezier曲线逆变换表达式为:H=(B一mC,)/n(n=1一m)(6)其中为检测出的指纹图像.检测过程:按照嵌入过程的逆过程提取指纹图像.将载密图像和原始宿主图像每个像素的RGB值逐一代入Bezier曲线的逆变换公式,得到提取出的指纹图像序列,生成一幅新图像,即检测出的指纹图像.使用一次Bezier曲线时,由映射公式可以得知,融合参数m越接近1,隐藏效果越好,而提取出的指纹图像效果越差.在图像融合时,需要均衡考虑载密图像和恢复的指纹图像效果,必须选择恰当的融合参数进行图像隐藏.不同的融合参数m产生的融合效果如图1所示.叠一一一一一一一宿主图像指纹图像图1不同的融合参数111产生的融合效果1.2指纹性能评价指纹信息的嵌入不可避免地给宿主图像带来改变,表现为图像的失真和噪声.当宿主图像与嵌入指纹信息后的载密图像对比时,这种失真和噪声会更明显地表现出来.PSNR是最通用的评定信号品质的指标.在通信系统中,系统输出端SNR和输入端SNR的比例构成系统增益,增益越大系统越优.对于宿主图像,指纹信息就是噪声,它会影响宿主图像的品质,从而可以使用IF和PSNR指标对指纹嵌入质量进行评测.在保真度评价中,给定一幅大小为MN的数字化图像面做出了改进,提高了算法的性能.2.1抗JPEG压缩JPEG图像文件格式是目前网络上传播的主流图像文件格式.传统空间域算法,抗JPEG压缩的能力几乎为零,大大限制了空间域算法的应用领域.为解决这一问题,结合JPEG压缩特点,不将两幅图像直接逐点融合,而采用选择性嵌入的方式.JPEG采用的是YCC,色彩系统,JPEG基本压缩法处理彩色图像时,需将RGB颜色模式的数据转换为ycC,颜色模式的数据.其中,Y代表亮度,C和C则分别代表色度和饱和度.数据转换公式为:Y=0.2990R+0.5870G+0.1140B(10)C6=一0.1687R一0.3313G+0.5000B+128(11)C=0.5000R一0.4187G一0.0813B+128(12)在进行采样时,Y:C:C达到4:1:1或4:2:2.在JPEG压缩过程中l,的重要程度要大于C和C,.在y的表达式中,G分量成分占0.5870,将指纹图像隐藏在宿主图像RGB的G分量中,可以取得更好的效果,增强抗JPEG压缩性能.嵌入过程:将指纹图像像素RGB值全部映射到宿主图像的G分量上,即指纹图像中每个像素RGB分量一一对应映射到宿主图像3个像素的G分量上,宿主图像像素的R,B分量参加空运算,保持原值.检测过程同1.1节.2.2指纹信号统计特性与鲁棒性嵌入指纹图像信息时,指纹图像信息长度L()通常比宿主图像可嵌入信息长度L(C)小,嵌入过程只在宿主图像序列的前部分进行.嵌入完成后,有L(C)一L(H)个元素未参加运算,宿主图像已修改部分和未修改部分具有不同的统计特征,暴露了嵌入位置,容易受到攻击.改进算法采用重复嵌入指纹图像方式,嵌入过程如下:第1期范立南等:一种改进的基于图像融合的数字水印算法285(1)从宿主图像可嵌入区域首位置开始,利用2.1节中介绍的方法进行嵌入.(2)使用()来表示累计嵌入的指纹图像信息长度.当指纹图像信息全部嵌入完成一次后,若L(C)一L(Ho)>0,则从宿主图像剩余可嵌入区域首位置开始,利用2.1中介绍的方法重新对指纹图像信息进行嵌入,直至宿主图像可嵌入区域全部嵌入结束,即L(c)一,像信息.2.3不可感知性图像融合算法直接将指纹图像信息明文隐藏进宿主图像,个别图像甚至肉眼可见指纹图像轮廓,不可感知性较差.嵌入前,使用Logistic混沌序列对指纹图像信息进行混沌置乱预处理.加密图像色彩分布呈现无规律性,不具有指纹图像视觉特征,嵌入后无法从载密图像上识别出指纹图像信息,解决了图像融合算法在不可感知性上的缺陷.使用密文进行隐藏,安全性也得到了提升.2.4安全性对于无密钥的信息隐藏系统,系统的安全性完全依赖于隐藏和提取算法的保密性.如果算法泄漏,则无任何安全性可言.在混沌置乱预处理过程中,结合加密技术,使用Logistic混沌序列的混沌系数作为伪装密钥,增强了安全性能.一维Logistic混沌序列是一种一维离散非线性动力系统,具有极其复杂的动力学行为,其数学表达式定义为:X=XX(1一)(13)其中0,4,X0,1.当3.5699456,4时,Logistic序列在有限区间0,1内不稳定运动,其动态行为显示出随机性质.在值确定的情况下,系大差异.Logistic序列的随机性,规律性,遍历性和对初值的敏感性使得用它来加密指纹图像,能够保证指纹图像在被恶意破解时自身的安全.对于任意一个二维图像,选定适当的初值和混沌系数,将图像中像素逐行逐列映射到Logistic序列的每一项,对生成的伪随机序列进行排序,使图像的点偏离原来的位置,达到对其置乱加密的目的.指纹图像的加密过程,算法如下:(1)由映射公式(13)生成一组伪随机序列;(2)将指纹图像中像素点的RGB值一一映射到X中的每一项;(3)将X排序,与一一映射的指纹图像RGB值序列被打乱;(4)将打乱顺序的指纹图像RGB值序列按当前顺序生成一幅新图像.当需要验证指纹图像时,按照加密算法逆过程解密指纹图像,算法如下:(1)由映射公式(13)生成两组相同的伪随机序列a和Xb;(2)将其中一组序列a排序,对应加密后的指纹图像;(3)按照序列Xb的次序依次查找Xna中各项在序列Xb中的位置,来获得a中的每一项在加密前的初始位置;(4)将a按照查找得出的位置参数重新生成图像.2.5部分核心算法编程实现(1)加密算法生成Logistic序列Fori=0Ton一1d(i+1)=chaosd(i)(1一d(i)Next对Logistic序列排序,实现置乱Fori=0ToIllForj=nToi+1Step一1Ifd(j)<d(j一1)ThenDimtlAsDouble=d(J)d(j)=d(J一1)d(j一1)=tlDimr1.r2.r3AsByte将数组f位置的3个元素复制到r缓存rl=p(f)r2=P(f+1)r3=p(f+2)将数组的y位置的3个元素复制到(f)位置P(f)=p(f一3)p(f+1)=p(f一2)p(f+2)=P(f一1)将数组的f位置的3个元素复制到(y)位置p(f一3)=rlp(f一2)=r2P(f一1)=r3286计算机应用与软件2011生EndIf一:3NextNext(2)解密算法Form:0Tolld(nl+1)=chaosd(m)(1一d(m)NextFori=0Tol一1doubleFlag(i)=iNext映射排序,存储相应下标Fori=0TollForj=11Toj+1Step一1Ifd(j)<d(j一1)Thentemp=d(j)d(j)=d(j一1)d(j一1):templongTemp=doubleFlag(j)doubleFlag(j)=doubleFlag(j一1)doubleFlag(j一1)=longTempEndIfNextNext还原图片Fori=0Tol一1u:doub|eFlag(i)3byteGet(U)=picArray(f)byteGet(u+1)=picArray(f+1)byteGet(u+2)=picArray(f+2)f+=3Next把最终结果赋值给picArray数组f;0Fori:0TollpicArray(f)=byteGet(f)pieArray(f+1)=byteGet(f+1)pieArray(f+2)=byteGet(f+2)f+=3Next(3)融合算法Bezier曲线提取DimgAsDouble=1一blendDiminAsInteger=fpWidthtpHeight3DimjAsIntegerFori;49TobyteOriArray.LengthlStep3byteNewArray(i):Math.Max(0,Math.Min(255,byteOriArray(i)blend+byteFPArray(jModin)g)j+=1Next(4)检测算法Bezier曲线提取Fori=0TofpWidth$fpHeight31byteFPArray(i)=Math.Max(O,Math.Min(255,(CType(byteExtArray(j+1),Single)一CType(byteOriArray(j+1),Sin-gle)blend)/g)Nextj+=33仿真实验结果与分析3.1仿真实验平台的构建仿真实验平台:PC机(1)硬件配置处理器:Intel(R)Core(TM)2Duo3.OOGHz(2CPUs)内存:4GB硬盘:500GB显卡:512MB256Bit(2)软件配置软件环境:VisualStudio2005(3)测试用图为了保证测试的准确性,测试所用主要图像均来源于剑桥大学水印测试基准图库.3.2数字指纹的不可感知性从嵌入指纹图像后的视觉效果和RGB直方图来看,载密图像与宿主图像差异很小,如图4所示.载密图像宿主图像图4合成图像与宿主图像一般情况下,PSNR值高的图像质量相对较高,当PSNR值在25以上时,图像质量差异不显着;大于30时,肉眼几乎分辨不出差异.采用1.2节中介绍的指纹性能评价方法,经计算,载密图像保真度为99.96%,峰值信噪比为41.72.证明了经本系统嵌入的数字指纹具有较强的不可感知性.3.3数字指纹的有效性经系统评测模块计算,指纹图像保真度为99.60%,峰值信噪比为36.46.BMP格式保存的图像对于指纹图像的提取和还原效果较好,具有较高的保真度.JPEG压缩为有损压缩,传统空间域算法抗JPEG压缩的能力几乎为零.在经过JPEG压缩后提取出的指纹图像色彩与原指纹图像有一定差距,但指纹图像的纹理和线条仍清晰可见,验一一第1期范立南等:一种改进的基于图像融合的数字水印算法287证了经本系统嵌入的数字指纹抗JPEG压缩的能力,如图5所示.一原指纹图像JPEC,缩后提取的指纹图像图5原指纹图像与JPEG压缩后提取的图像对比3.4数字指纹的安全性数字指纹系统的安全性是指,经该系统嵌入数字指纹的图像,在遭遇有意或无意的攻击后,仍能保证隐藏的指纹的安全,不会被破解.(1)恶意破解初始化Logistic序列,其参数为:混沌系数3.95,初值0.6832,初始项为第0项.在初值和初项不变情况下,试估计混沌系数进行攻击,采用混沌系数分别为3.9499和3.9501.在混沌系数和初值不变的情况下,试估计初始项进行攻击,采用初始项分别为第1项和第2项,即使初始项仅差一项,也不能破解加密数据.正常加密效果,估计混沌系数破解效果和估计初项破解效果如图6所示.切值阿一加密蝴r一正常加密效果舰醐解密踟葡_估计混沌系数破解效果估计初项破解效果图6恶意破解测试(2)噪声攻击在嵌入指纹图像的宿主图像上再叠加噪声,以对指纹图像的提取进行干扰.当加入噪声强度为指纹图像的5%和10%时,指纹图像提取结果如图7所示.可以看出,在攻击者为了不影响图像欣赏效果的情况下施加噪声攻击时,指纹图像的纹理仍能清晰提取出来.团园5%噪声10%噪声图7噪声攻击下提取出的指纹图像效果可见,经本系统嵌入数字指纹的图像,在遭遇有意或无意的攻击后,仍能保证隐藏的指纹的安全,难以被破解.4结论大量的仿真实验结果表明,本文采用的数字指纹嵌入方案能够高效地在载体图像中嵌入和提取水印信息,具有以下优点:(1)采用了一种选择性嵌入算法,显着地提高了空间域算法抗JPEG压缩的能力.(2)对指纹信号统计特征进行处理,避免暴露嵌入位置的同时,增强了算法的鲁棒性,且在一定程度局部信息受损情况下,提取水印信息.(3)嵌入的指纹图像在保证有效性的前提下,具有较强的不可感知性.(4)使用了复合算法,在加密基础上进行图像融合.即使密钥和加密算法泄露,破解依然受图像融合因素制约,否定了使用穷举法在有限时间内破解的可能性,保证了工程应用中数据的机密性.(5)本算法在空间域进行,在不降低安全性的条件下,与变换域算法相比,实时性好,计算量小,且易于编程,有利于日后的实现和推广.(6)将研究对象设定为彩色图像,增强了系统的实用性,扩大了应用领域.参考文献1王颖,肖俊,王蕴红.数字水印原理与技术M.北京:科学出版社,2007.2范立南,韩晓微,张广渊.图像处理与模式识别M.北京:科学出版社,2007.3周琳娜,王东明.数字图像取证技术M.北京:北京邮电大学出版社.2008.4AidanMooney.ChaosBasedDigi