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        基于小波分解的非對(duì)稱水印

        2019-10-14 00:50:57許文英李德
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:置換

        許文英 李德

        摘 要:數(shù)字水印技術(shù)是一種能夠?yàn)楫?dāng)前的數(shù)字作品提供版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)證的技術(shù)手段。對(duì)稱數(shù)字水印不能實(shí)現(xiàn)公開驗(yàn)證,那么非對(duì)稱數(shù)字水印算法就成為國內(nèi)外不少學(xué)者開始研究的對(duì)象。本文提出一種利用置換構(gòu)建的非對(duì)稱數(shù)字水印技術(shù),其原理基于小波變換。該算法首先要對(duì)載體圖像進(jìn)行三層小波分解,然后嵌入水印。嵌入的水印信號(hào)由公開水印和秘密水印兩個(gè)部分組成。其次利用宿主圖像的Hash值進(jìn)行擴(kuò)頻得到公開水印,最后對(duì)公開水印進(jìn)行Arnold變換產(chǎn)生秘密水印。該算法具有很強(qiáng)的魯棒性和更高的安全性。

        關(guān)鍵詞:非對(duì)稱水印;小波分解;置換

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.150

        0 引言

        數(shù)字水印技術(shù)是一種非常重要的版權(quán)保護(hù)技術(shù),尤其是在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的時(shí)代。很多數(shù)字作品在網(wǎng)上隨意地拷貝、復(fù)制、編輯和修改,隨之而來的版權(quán)紛爭也引發(fā)越來越多的社會(huì)問題。但是現(xiàn)在的數(shù)字水印方案大多是基于對(duì)稱機(jī)制的,水印的嵌入和提取使用的參數(shù)是相同的,如果公開驗(yàn)證版權(quán),那么所使用的密鑰就會(huì)暴露,而嵌入的水印就有可能被篡改或者偽造。

        近年來一些國內(nèi)外學(xué)者提出了非對(duì)稱數(shù)字水印技術(shù)。非對(duì)稱數(shù)字水印也稱為公鑰數(shù)字水印,就是在水印的嵌入和檢測的過程中采用不同的密鑰,任何知道公鑰的人都可以進(jìn)行水印的檢測和提取,但是只有所有者才能通過私鑰嵌入或者移去水印。比如Hartung和Girod提出了一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的視頻水印水印算法,F(xiàn)uron和Duhamel利用信號(hào)的功率密度譜PDS函數(shù)來構(gòu)造非對(duì)稱數(shù)字水印,Van Schyndel等將長為N的Legendre序列作為水印,通過計(jì)算接受信號(hào)與其共軛傅里葉變換之間的相關(guān)性來檢測水印,Eggers在Legendre序列水印的基礎(chǔ)上提出了特征向量水印,Justin用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造非對(duì)稱水印等等[1-2]。還有不少學(xué)者采用小波變換實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱水印算法[3-4],但普遍存在魯棒性和安全性低等問題。針對(duì)對(duì)稱水印方案存在的問題,本文提出一種利用置換構(gòu)建的非對(duì)稱數(shù)字水印方案,利用三層小波變換構(gòu)造水印算法,并對(duì)水印的魯棒性進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)。在宿主圖像中嵌入兩個(gè)毫不相關(guān)的水印來實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱檢驗(yàn),以加權(quán)和的形式嵌入不同版本的同一水印,這樣就可以進(jìn)行對(duì)稱檢驗(yàn)和非對(duì)稱檢驗(yàn)。在這種研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)一種利用置換構(gòu)建的非對(duì)稱數(shù)字水印方法,也就是把公開水印和它的置換版本的加權(quán)和作為嵌入水印。這種方案置換集的大小決定了安全性的高低,安全性越高,置換集就要越大。

        1 非對(duì)稱水印嵌入和提取

        水印嵌入的過程首先是對(duì)灰度圖像進(jìn)行三層小波分解,從而得到一個(gè)逼近子圖和若干個(gè)細(xì)節(jié)子圖。圖像的局部紋理越大證明能夠嵌入的水印信息就越多,圖像經(jīng)過三層小波分解后,把水印自適應(yīng)地嵌入到低頻系數(shù)中,通過計(jì)算我們得到低頻系數(shù)的相關(guān)掩蔽參數(shù)矩陣,圖像局部區(qū)域像素值的變化信息大小由該矩陣的低頻系數(shù)決定。然后根據(jù)掩蔽參數(shù)矩陣選擇相應(yīng)的低頻系數(shù)嵌入水印信號(hào),最后將修改后的小波系數(shù)連同沒有修改的高頻系數(shù)一起進(jìn)行逆變換,得到嵌入水印后的圖像。

        1.1 水印生成及嵌入過程

        (1)對(duì)二值水印圖像進(jìn)行降維處理,形成雙極性二值信號(hào);

        (2)利用擴(kuò)頻技術(shù)形成擴(kuò)展信號(hào)增強(qiáng)水印抗攻擊能力;

        (3)載體圖像的哈希值作為水印檢測公鑰;

        (4)將公開的公鑰使用私鑰進(jìn)行置亂,得到水印序列;

        (5)將宿主圖像進(jìn)行三層次小波變換,并在特定的中低頻系數(shù)中疊加水印序列。

        1.2 水印的提取過程

        (1)將宿主圖像進(jìn)行三層小波分解,得到相應(yīng)位置的小波系數(shù);

        (2)由公鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列,通過計(jì)算線性相關(guān)性,并根據(jù)閾值判斷水印是否存在;

        (3)將水印序列恢復(fù)成二值圖像。

        公開水印被攻擊者得到后,會(huì)對(duì)含有水印的圖像進(jìn)行各種攻擊,例如裁剪攻擊,壓縮攻擊等,為了保護(hù)原作者的利益,原作者通過秘密水印進(jìn)行對(duì)稱檢測可以證明版權(quán)的歸屬,從而起到版權(quán)保護(hù)的作用。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        為了清晰地顯示公鑰檢測的響應(yīng)值,在仿真實(shí)驗(yàn)中生成了1000個(gè)與擴(kuò)頻后的水印信號(hào)等長,均值為零,方差為1的隨機(jī)序列。然后由公鑰產(chǎn)生偽隨機(jī)序列p,將隨機(jī)序列中的第500個(gè)替換為p,與帶檢測信號(hào)做相關(guān)性檢測。

        嵌入水印之后的圖像PSNR值為42dB,針對(duì)高斯濾波、中值濾波、高斯噪聲、壓縮、剪切等攻擊,其水印相似度NC分別為0.97、0.96、0.85、0.93、0.98。具有較高的魯棒性并具備了一定的安全性。

        3 結(jié)論

        本文提出的非對(duì)稱水印算法可以很好的將水印自適應(yīng)嵌入到圖像當(dāng)中,實(shí)現(xiàn)水印的公開檢測和提取。檢測的公鑰是宿主圖像的Hash值,不同的圖像密鑰不同,如果不知道原始圖像的話是很難偽造公鑰和水印的。另外,置亂變換得到的參數(shù)作為私鑰可以為不同版本的同一作品生成不同的嵌入水印,便于追蹤盜版。巨大的密鑰空間和Arnold置亂變換的良好效果可以保證嵌入水印的安全性。

        參考文獻(xiàn):

        [1]鄒瀟湘,李錦濤.非對(duì)稱數(shù)字水印技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2002(16):7-10.

        [2]郝彥軍,張煥國,王麗娜.非對(duì)稱水印[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,

        2004(34):58-61.

        [3]劉芳,曹歐.基于小波變換的非對(duì)稱數(shù)字水印算法研究[J].計(jì)算機(jī)安全,2011(05):18-21.

        [4]Zhang Fan,Zhang Hongbin.Digital watermarking capacity analysis in wavelet domain.ICSP04 Proceeding, 2004,6(04):2278-2281.

        作者簡介:許文英(1998-),女,吉林延吉人,本科,主要研究方向:數(shù)字內(nèi)容安全。

        *為通訊作者

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