一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法.doc

一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法第28卷第1期2011年1月計算機(jī)應(yīng)用與軟件ComputerApplicationsandSoftwareV01.28No.1Jan.2011一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法范立南宋博韜張博(沈陽大學(xué)信息工程學(xué)院遼寧沈陽110044)摘要為實(shí)現(xiàn)對數(shù)字圖像產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù),構(gòu)建了一種新的基于圖像融合的數(shù)字水印算法.對指紋圖像進(jìn)行混沌置亂預(yù)處理,結(jié)合加密技術(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性.根據(jù)JPEG壓縮過程的特征,提出了一種新的嵌入算法,顯著地提高了空間域算法抗JPEG壓縮的性能.對指紋信號統(tǒng)計特征進(jìn)行處理,避免暴露嵌入位置,增強(qiáng)了魯棒性.通過主觀和客觀的評價方法以及攻擊實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了算法的性能.大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用的數(shù)字水印算法能夠高效地在載體圖像中嵌入和提取水印信息,具有較高的實(shí)用價值.關(guān)鍵詞圖像融合信息隱藏數(shù)字水印混沌序列圖像版權(quán)保護(hù)ANIMPRoVEDALGoRITHMoFDIGITALWATERMARKINGBASEDoNIMAGEFUSIoNFanLinanSongBotaoZhangBo(CollegeofInformationEngineering,ShenyangUnivers,Shenyang110044,Liaoning,China)AbstractInordertoachievethecopyrightprotectionofdigitalimageproducts,anewimagefusionbaseddigitalwatermarkingalgorithmisbuilt.Itperformschaoticscramblingpretreatmentonfingerprintimage,theencryptiontechnologyisalsointegratedtoenhancethesafetyofthesystem.AnewembeddingalgorithmispresentedbasedonthecharacteristicofJPEGcompressionprocess,whichremarkablyimprovestheperformanceofthespatialdomainalgorithminresistingJPEGcompression.Statisticalfeaturesofthefingerprintsignalisprocessed,itavoidstheexposureoftheembeddedpositionandenhancestherobustnessaswel1.Theperformanceofthealgorithmisattestedbyaseriesofsubjectiveandobjectiveevaluationaswellasbysomeoffensiveexperiments.Resultsderivedfromalargequantityofexperimentsprovethatthedigitalwatermarkingalgorithminthisworkisabletoembedandextractwatermarkefficientlyfromthecarrierimagesandhasahighfilnctiona】valueKeywordsImagefusionInformationhidingDigitalwatermarkingChaoticsequenceImagecopyrightprotection0引言網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,給多媒體數(shù)字產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn).多媒體數(shù)字資源通過這些先進(jìn)的技術(shù)得以充分利用.與此同時,數(shù)字產(chǎn)品的易拷貝性令圖像,影音,軟件等的盜版變得極其容易,惡意侵權(quán)問題顯得非常棘手.對于數(shù)字圖像而言,圖像編輯和處理工具的迅速發(fā)展使得一般和專業(yè)用戶更容易利用這些工具修改圖像內(nèi)容而造出以假亂真的數(shù)字圖像,顛覆了人們”眼見為實(shí)”的傳統(tǒng)觀念J.數(shù)字圖像的篡改和偽造如用于正式媒體,科學(xué)發(fā)現(xiàn),保險和法庭證物等,將會對政治和社會穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.現(xiàn)代版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)多采用密碼認(rèn)證技術(shù),而密碼技術(shù)并不能完全解決惡意侵權(quán)問題.信息隱藏技術(shù)的出現(xiàn),填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白.數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)最重要的應(yīng)用,而數(shù)字指紋又是數(shù)字水印技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn).目前,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字指紋的技術(shù)主要分為變換域技術(shù)和空間域技術(shù)兩類.典型的變換域技術(shù)有離散余弦變換(DCT),離散傅里葉變換(DFF),離散小波變換(DWT)等.變換域技術(shù)通常具有較好的魯棒性,缺點(diǎn)是運(yùn)算量大,實(shí)時性差.常用的空間域技術(shù)有LSB方法和圖像融合技術(shù)等.LSB方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時性好,支持盲檢測,抵抗幾何變形和噪聲影響能力較差.如果知道嵌入的位平面,容易被提取或擦除.圖像融合技術(shù)實(shí)時性好,運(yùn)算速度快,有一定的抗噪聲影響能力.本文從實(shí)用性出發(fā),針對目前數(shù)字水印系統(tǒng)在不可感知性,魯棒性和安全性上的缺陷,提出了一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法.1基于圖像融合的數(shù)字指紋技術(shù)基于圖像融合的數(shù)字指紋技術(shù)依賴于人類視覺系統(tǒng)HVS(HumanVisualSystem)的不完善性,利用圖像融合算法將數(shù)字指紋圖像信息隱藏在宿主圖像中,達(dá)到人眼視覺難以分辨的程度,從而逃過惡意攻擊和提取.圖像融合過程為:B=_廠(C,H)(1)其中,B表示嵌入指紋圖像信息后生成的載密圖像信息,C表示宿主圖像信息,何表示待嵌入的指紋圖像信息.f(C,)表示圖像融合算法.收稿日期:20090925.范立南,教授,主研領(lǐng)域:圖像工程,人工智能.284計算機(jī)應(yīng)用與軟件2011丘1.1Bezier曲線Bezier曲線被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域,可作為實(shí)現(xiàn)圖像融合的手段.Bezier曲線的數(shù)學(xué)描述為:在空間給定n+1個控制點(diǎn)P.,P.-,P借助一組基函數(shù):B(t)=cot(1一t)(=0,l,n)(2)式中:,1一,一!(ni)!,n次Bezier曲線的定義為:P(t)=PB()(4)圖像融合嵌入算法多使用一次Bezier曲線.結(jié)合公式(1),一次Bezier曲線可以表示為:B=(mC+nH)(n=1一,n)(5)嵌入過程:將指紋圖像像素RGB值通過Bezier曲線對應(yīng)映射到宿主圖像的RGB分量上,將得到的圖像序列生成一幅新圖像,即載密圖像.圖像融合檢測算法,利用該公式的逆變換.一次Bezier曲線逆變換表達(dá)式為:H=(B一mC,)/n(n=1一m)(6)其中為檢測出的指紋圖像.檢測過程:按照嵌入過程的逆過程提取指紋圖像.將載密圖像和原始宿主圖像每個像素的RGB值逐一代入Bezier曲線的逆變換公式,得到提取出的指紋圖像序列,生成一幅新圖像,即檢測出的指紋圖像.使用一次Bezier曲線時,由映射公式可以得知,融合參數(shù)m越接近1,隱藏效果越好,而提取出的指紋圖像效果越差.在圖像融合時,需要均衡考慮載密圖像和恢復(fù)的指紋圖像效果,必須選擇恰當(dāng)?shù)娜诤蠀?shù)進(jìn)行圖像隱藏.不同的融合參數(shù)m產(chǎn)生的融合效果如圖1所示.疊一一一一一一一宿主圖像指紋圖像圖1不同的融合參數(shù)111產(chǎn)生的融合效果1.2指紋性能評價指紋信息的嵌入不可避免地給宿主圖像帶來改變,表現(xiàn)為圖像的失真和噪聲.當(dāng)宿主圖像與嵌入指紋信息后的載密圖像對比時,這種失真和噪聲會更明顯地表現(xiàn)出來.PSNR是最通用的評定信號品質(zhì)的指標(biāo).在通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出端SNR和輸入端SNR的比例構(gòu)成系統(tǒng)增益,增益越大系統(tǒng)越優(yōu).對于宿主圖像,指紋信息就是噪聲,它會影響宿主圖像的品質(zhì),從而可以使用IF和PSNR指標(biāo)對指紋嵌入質(zhì)量進(jìn)行評測.在保真度評價中,給定一幅大小為MN的數(shù)字化圖像面做出了改進(jìn),提高了算法的性能.2.1抗JPEG壓縮JPEG圖像文件格式是目前網(wǎng)絡(luò)上傳播的主流圖像文件格式.傳統(tǒng)空間域算法,抗JPEG壓縮的能力幾乎為零,大大限制了空間域算法的應(yīng)用領(lǐng)域.為解決這一問題,結(jié)合JPEG壓縮特點(diǎn),不將兩幅圖像直接逐點(diǎn)融合,而采用選擇性嵌入的方式.JPEG采用的是YCC,色彩系統(tǒng),JPEG基本壓縮法處理彩色圖像時,需將RGB顏色模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ycC,顏色模式的數(shù)據(jù).其中,Y代表亮度,C和C則分別代表色度和飽和度.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式為: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)在進(jìn)行采樣時,Y:C:C達(dá)到4:1:1或4:2:2.在JPEG壓縮過程中l(wèi),的重要程度要大于C和C,.在y的表達(dá)式中,G分量成分占0.5870,將指紋圖像隱藏在宿主圖像RGB的G分量中,可以取得更好的效果,增強(qiáng)抗JPEG壓縮性能.嵌入過程:將指紋圖像像素RGB值全部映射到宿主圖像的G分量上,即指紋圖像中每個像素RGB分量一一對應(yīng)映射到宿主圖像3個像素的G分量上,宿主圖像像素的R,B分量參加空運(yùn)算,保持原值.檢測過程同1.1節(jié).2.2指紋信號統(tǒng)計特性與魯棒性嵌入指紋圖像信息時,指紋圖像信息長度L()通常比宿主圖像可嵌入信息長度L(C)小,嵌入過程只在宿主圖像序列的前部分進(jìn)行.嵌入完成后,有L(C)一L(H)個元素未參加運(yùn)算,宿主圖像已修改部分和未修改部分具有不同的統(tǒng)計特征,暴露了嵌入位置,容易受到攻擊.改進(jìn)算法采用重復(fù)嵌入指紋圖像方式,嵌入過程如下:第1期范立南等:一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法285(1)從宿主圖像可嵌入?yún)^(qū)域首位置開始,利用2.1節(jié)中介紹的方法進(jìn)行嵌入.(2)使用()來表示累計嵌入的指紋圖像信息長度.當(dāng)指紋圖像信息全部嵌入完成一次后,若L(C)一L(Ho)>0,則從宿主圖像剩余可嵌入?yún)^(qū)域首位置開始,利用2.1中介紹的方法重新對指紋圖像信息進(jìn)行嵌入,直至宿主圖像可嵌入?yún)^(qū)域全部嵌入結(jié)束,即L(c)一,像信息.2.3不可感知性圖像融合算法直接將指紋圖像信息明文隱藏進(jìn)宿主圖像,個別圖像甚至肉眼可見指紋圖像輪廓,不可感知性較差.嵌入前,使用Logistic混沌序列對指紋圖像信息進(jìn)行混沌置亂預(yù)處理.加密圖像色彩分布呈現(xiàn)無規(guī)律性,不具有指紋圖像視覺特征,嵌入后無法從載密圖像上識別出指紋圖像信息,解決了圖像融合算法在不可感知性上的缺陷.使用密文進(jìn)行隱藏,安全性也得到了提升.2.4安全性對于無密鑰的信息隱藏系統(tǒng),系統(tǒng)的安全性完全依賴于隱藏和提取算法的保密性.如果算法泄漏,則無任何安全性可言.在混沌置亂預(yù)處理過程中,結(jié)合加密技術(shù),使用Logistic混沌序列的混沌系數(shù)作為偽裝密鑰,增強(qiáng)了安全性能.一維Logistic混沌序列是一種一維離散非線性動力系統(tǒng),具有極其復(fù)雜的動力學(xué)行為,其數(shù)學(xué)表達(dá)式定義為:X=XX(1一)(13)其中0,4,X0,1.當(dāng)3.5699456,4時,Logistic序列在有限區(qū)間0,1內(nèi)不穩(wěn)定運(yùn)動,其動態(tài)行為顯示出隨機(jī)性質(zhì).在值確定的情況下,系大差異.Logistic序列的隨機(jī)性,規(guī)律性,遍歷性和對初值的敏感性使得用它來加密指紋圖像,能夠保證指紋圖像在被惡意破解時自身的安全.對于任意一個二維圖像,選定適當(dāng)?shù)某踔岛突煦缦禂?shù),將圖像中像素逐行逐列映射到Logistic序列的每一項,對生成的偽隨機(jī)序列進(jìn)行排序,使圖像的點(diǎn)偏離原來的位置,達(dá)到對其置亂加密的目的.指紋圖像的加密過程,算法如下:(1)由映射公式(13)生成一組偽隨機(jī)序列;(2)將指紋圖像中像素點(diǎn)的RGB值一一映射到X中的每一項;(3)將X排序,與一一映射的指紋圖像RGB值序列被打亂;(4)將打亂順序的指紋圖像RGB值序列按當(dāng)前順序生成一幅新圖像.當(dāng)需要驗(yàn)證指紋圖像時,按照加密算法逆過程解密指紋圖像,算法如下:(1)由映射公式(13)生成兩組相同的偽隨機(jī)序列a和Xb;(2)將其中一組序列a排序,對應(yīng)加密后的指紋圖像;(3)按照序列Xb的次序依次查找Xna中各項在序列Xb中的位置,來獲得a中的每一項在加密前的初始位置;(4)將a按照查找得出的位置參數(shù)重新生成圖像.2.5部分核心算法編程實(shí)現(xiàn)(1)加密算法生成Logistic序列Fori=0Ton一1d(i+1)=chaosd(i)(1一d(i)Next對Logistic序列排序,實(shí)現(xiàn)置亂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將數(shù)組f位置的3個元素復(fù)制到r緩存rl=p(f)r2=P(f+1)r3=p(f+2)將數(shù)組的y位置的3個元素復(fù)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)將數(shù)組的f位置的3個元素復(fù)制到(y)位置p(f一3)=rlp(f一2)=r2P(f一1)=r3286計算機(jī)應(yīng)用與軟件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,存儲相應(yīng)下標(biāo)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還原圖片F(xiàn)ori=0Tol一1u:doub|eFlag(i)3byteGet(U)=picArray(f)byteGet(u+1)=picArray(f+1)byteGet(u+2)=picArray(f+2)f+=3Next把最終結(jié)果賦值給picArray數(shù)組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曲線提取DimgAsDouble=1一blendDiminAsInteger=fpWidthtpHeight3DimjAsIntegerFori;49TobyteOriArray.LengthlStep3byteNewArray(i):Math.Max(0,Math.Min(255,byteOriArray(i)blend+byteFPArray(jModin)g)j+=1Next(4)檢測算法Bezier曲線提取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仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)平臺:PC機(jī)(1)硬件配置處理器:Intel(R)Core(TM)2Duo3.OOGHz(2CPUs)內(nèi)存:4GB硬盤:500GB顯卡:512MB256Bit(2)軟件配置軟件環(huán)境:VisualStudio2005(3)測試用圖為了保證測試的準(zhǔn)確性,測試所用主要圖像均來源于劍橋大學(xué)水印測試基準(zhǔn)圖庫.3.2數(shù)字指紋的不可感知性從嵌入指紋圖像后的視覺效果和RGB直方圖來看,載密圖像與宿主圖像差異很小,如圖4所示.載密圖像宿主圖像圖4合成圖像與宿主圖像一般情況下,PSNR值高的圖像質(zhì)量相對較高,當(dāng)PSNR值在25以上時,圖像質(zhì)量差異不顯著;大于30時,肉眼幾乎分辨不出差異.采用1.2節(jié)中介紹的指紋性能評價方法,經(jīng)計算,載密圖像保真度為99.96%,峰值信噪比為41.72.證明了經(jīng)本系統(tǒng)嵌入的數(shù)字指紋具有較強(qiáng)的不可感知性.3.3數(shù)字指紋的有效性經(jīng)系統(tǒng)評測模塊計算,指紋圖像保真度為99.60%,峰值信噪比為36.46.BMP格式保存的圖像對于指紋圖像的提取和還原效果較好,具有較高的保真度.JPEG壓縮為有損壓縮,傳統(tǒng)空間域算法抗JPEG壓縮的能力幾乎為零.在經(jīng)過JPEG壓縮后提取出的指紋圖像色彩與原指紋圖像有一定差距,但指紋圖像的紋理和線條仍清晰可見,驗(yàn)一一第1期范立南等:一種改進(jìn)的基于圖像融合的數(shù)字水印算法287證了經(jīng)本系統(tǒng)嵌入的數(shù)字指紋抗JPEG壓縮的能力,如圖5所示.一原指紋圖像JPEC,縮后提取的指紋圖像圖5原指紋圖像與JPEG壓縮后提取的圖像對比3.4數(shù)字指紋的安全性數(shù)字指紋系統(tǒng)的安全性是指,經(jīng)該系統(tǒng)嵌入數(shù)字指紋的圖像,在遭遇有意或無意的攻擊后,仍能保證隱藏的指紋的安全,不會被破解.(1)惡意破解初始化Logistic序列,其參數(shù)為:混沌系數(shù)3.95,初值0.6832,初始項為第0項.在初值和初項不變情況下,試估計混沌系數(shù)進(jìn)行攻擊,采用混沌系數(shù)分別為3.9499和3.9501.在混沌系數(shù)和初值不變的情況下,試估計初始項進(jìn)行攻擊,采用初始項分別為第1項和第2項,即使初始項僅差一項,也不能破解加密數(shù)據(jù).正常加密效果,估計混沌系數(shù)破解效果和估計初項破解效果如圖6所示.切值阿一加密蝴r一正常加密效果艦醐解密踟葡_估計混沌系數(shù)破解效果估計初項破解效果圖6惡意破解測試(2)噪聲攻擊在嵌入指紋圖像的宿主圖像上再疊加噪聲,以對指紋圖像的提取進(jìn)行干擾.當(dāng)加入噪聲強(qiáng)度為指紋圖像的5%和10%時,指紋圖像提取結(jié)果如圖7所示.可以看出,在攻擊者為了不影響圖像欣賞效果的情況下施加噪聲攻擊時,指紋圖像的紋理仍能清晰提取出來.團(tuán)園5%噪聲10%噪聲圖7噪聲攻擊下提取出的指紋圖像效果可見,經(jīng)本系統(tǒng)嵌入數(shù)字指紋的圖像,在遭遇有意或無意的攻擊后,仍能保證隱藏的指紋的安全,難以被破解.4結(jié)論大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文采用的數(shù)字指紋嵌入方案能夠高效地在載體圖像中嵌入和提取水印信息,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)采用了一種選擇性嵌入算法,顯著地提高了空間域算法抗JPEG壓縮的能力.(2)對指紋信號統(tǒng)計特征進(jìn)行處理,避免暴露嵌入位置的同時,增強(qiáng)了算法的魯棒性,且在一定程度局部信息受損情況下,提取水印信息.(3)嵌入的指紋圖像在保證有效性的前提下,具有較強(qiáng)的不可感知性.(4)使用了復(fù)合算法,在加密基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像融合.即使密鑰和加密算法泄露,破解依然受圖像融合因素制約,否定了使用窮舉法在有限時間內(nèi)破解的可能性,保證了工程應(yīng)用中數(shù)據(jù)的機(jī)密性.(5)本算法在空間域進(jìn)行,在不降低安全性的條件下,與變換域算法相比,實(shí)時性好,計算量小,且易于編程,有利于日后的實(shí)現(xiàn)和推廣.(6)將研究對象設(shè)定為彩色圖像,增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性,擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域.參考文獻(xiàn)1王穎,肖俊,王蘊(yùn)紅.數(shù)字水印原理與技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社,2007.2范立南,韓曉微,張廣淵.圖像處理與模式識別M.北京:科學(xué)出版社,2007.3周琳娜,王東明.數(shù)字圖像取證技術(shù)M.北京:北京郵電大學(xué)出版社.2008.4AidanMooney.ChaosBasedDigi