基于Arnold置乱和小波变换的数字水印算法

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　

基于Ａｒｎｏｌｄ置乱和小波包分解的自适应水印算法　

赵健，林晓圆，谢瑜　

ＺＨＡＯ　Ｊｉａｎ，ＬＩＮ　Ｘｉａｏｙｕａｎ，ＸＩＥ　Ｙｕ　西北大学信息科学与技术学院，西安７１０１２７　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ　７１０１２７，Ｃｈｉｎａ　

ＺＨＡＯ　Ｊｉａｎ，ＬＩＮ　Ｘｉａｏｙｕａｎ，ＸＩＥ　Ｙｕ．Ａｄａｐｔｉｖｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｒｎｏｌｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ。２０１１。４７（１１）：１９７－２００．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｒｎｏｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．　Ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｍａｋｅｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　ｉｍａｇｅ　ｗｉｔｈ　Ａｍｏｌｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｉｍａｇｅ　ｇｏｅｓ　ｔｏ　ｗａｖｅｌｅｔ　

ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｍｏｒｅ　ｒｅｆｉｎｅｄ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｄｉｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｂａｎｄ　

ｔｏ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｓｕｂ－ｂｌｏｃｋ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｂ－ｂａｎｄ．Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｅ—　

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术

创

新嵌入式与SOC

《PLC技术应用200例》您的论文得到两院院士关注

彭静玉:硕士讲师

基金项目:

基金申请人:彭静玉;项目名称:面向彩色图像的数

字水印技术研究;基金颁发部门:江苏省自然科学基金;编号:

(BK2011375)基于提升小波变换的真彩水印嵌入算法

AColorWatermarkingAlgorithmBasedonLiftingDWT

(苏州大学)彭静玉徐大诚

PENGJing-yuXUDa-cheng

摘要:提出了一种针对真彩图像的小波域数字水印算法。该算法嵌入的水印不再是二值或者灰度图像,而是一幅包含更多信

息量的真彩图像。根据载体及水印的数据量自适应地计算域值来选择水印的最佳嵌入位置。采用提升方案的小波变换解决

了真彩图像小波系数重构时能量损失的问题。实验表明该算法能够有效地抵抗有损压缩、低通滤波、加噪处理及图像剪切

等攻击处理,具有较强的稳健性。关键词:真彩水印;提升小波变换;自适应;鲁棒性

中图分类号:TP391文献标识码:A

Abstract:AndigitalwatermarkingalgorithmforcolorimagesbasedonDWTispresented.Thewatermarkinthispaperisneithera

binaryimagenoragrayimage,butacolorimagewhichincludesmoreinformation.Thebestareaswherethewatermarkwillbeem-

beddedarechosebasedonthethreshold,whichiscalculatedadaptivelybythedataofcarrierandwatermark.Theproblemofenergy

lossissolvedbyliftingschemeDWT.Experimentalresultsshowthatthealgorithmisrobustforattackssuchaslossycompression,

软件设计开发　计算机光盘软件与应用　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＣＤ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　２０１０年第４期　基于Ａｒｎｏｌｄ置乱的图像加密算法研究　董艳芬　，王运争　（１．黄淮学院计算机科学系，河南驻马店４６３０００；２．中国人民解放军９６５５２部队，河南洛阳４７１０００）　摘要：提出一种新的将水印图像Ａｒｎｏｌｄ置乱算法，然后按一定规则把水印信息分散嵌入到数字产品中。该算法通过各种　攻击测试，：ｔ￣ＪＰＥＧ有损压缩、中值滤波攻击和高强度噪声攻击具有强稳健性，具有很好的透明性和鲁棒性，实用性也较高。　关冀词：数字水印：Ａｒｎｏｌｄ置乱变换；水印嵌入　中图分类号：ＴＰ３９３．０８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９５９９（２０１０）０４—０１３０—０２　Ａｒｎｏｌｄ　Ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ－Ｂａｓｅｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｄｏｎｇ　Ｙａｎｆｅｎ’，Ｗａｎｇ　Ｙｕｎｚｈｅｎｇ　（１．Ｈｕａｎｇｈｕａｉ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｈｕｍａｄｉａｎ　４６３０００，Ｃｈｉｎａ；２．９６５５２　Ｔｒｏｏｐｓ　ｏｆＰＬＡ，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｎｅｗ　Ａｒｎｏｌｄ　ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ　ｉｍａｇｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｒｏｄｕｃ￣ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒｍａｒｋ．Ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ａｔｔａｃｋｓ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｓ￣ｏｎｇ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ａｇａｉｎｓｔ　ＪＰＥＧ　ｌｏｓｓｙ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅｄｉａｎ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａａａｃｋ，ｈｉｇｈ—ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｎｏｉｓｅ　ａｔｔａｃｋ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ￣ａｎｓｐａｒｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｉｔ　ｈａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｕｔｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｇｉｔａｌ　ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ；Ａｒｎｏｌｄ　ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ　为提高隐藏信息的安全性，在隐藏前需对其进行置乱操作，本　文提出一种基于图像置乱的数字水印算法。通过在水印图像嵌入载　体图像之前先对其预处理，使其“变乱”；然后再利用小波变换的　多分辨率特性对水印实施嵌入、提取，由于提取后的水印在置乱算　法的恢复下能够分散那些受到攻击的像素，可以减少对视觉的影　响。因此这种将置乱算法和水印算法的共同结合进一步提高了水印　系统的安全性，并且鲁棒性也得到了增强。　一、水印图像Ａｒｎｏｌｄ变换　Ａｒｎｏｌｄ变换（ｃａｔ　ｍａｐｐｉｎｇ）是Ｖ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ在遍历理论的研究　中提出的一类裁剪变换。图像可看作是平面区域上的二元函数Ｇ＝Ｆ　（Ｘ，Ｙ），（Ｘ，Ｙ）∈Ｒ．通常Ｒ是一矩形，对Ｒ中任意的点（Ｘ，Ｙ），　则Ｆ（ｘ，ｙ）代表图像的信息（如灰度值等），在图像被数字化后，　Ｇ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）相应于一个二维离散点阵，其元素所在的行与列对应　于自变量的取值，元素本身代表图像信息。离散化的数字图像相当　于元素之间有相关性的一类特殊矩阵。对这一矩阵做某些变换可以　得到新的矩阵，从而实现图像的置乱处理。令数字图像的像素坐标　ｘ，Ｙ∈（１，２，…，Ｎ），于是Ａｒｎｏｌｄ（实为二维Ａｒｎｏｌｄ）变换为　ｒ一］　ｒ　．１ｒ］　Ｉ：Ｉ　（ｍｏｄ，ｚ）　（１）　Ｌｙ　Ｊ　Ｌ１　２ＪＬｙＪ　记变换矩阵为Ａ，左端（ｘ’，Ｙ’）　为输出，右端（ｘ，ｙ）　为　输入，ｎ为图像矩阵的阶数。从式（１）可知，Ａｒｎｏｌｄ变换是一个　保面积映射（没有吸引子），同时是一一映射，因此不同位置的水　印像素嵌入到载体系数空间的位置不会重叠；当迭代次数足够大　时，任意两个相邻的水印像素点嵌入到载体的位置将会产生极大的　分离。这样水印的全部像素将随机而均匀的置乱到载体支图的整个　系数空间。由于Ａｒｎｏｌｄ变换呈周期性，水印图像的尺寸是一定的，　因此置乱迭代一定次数后总可以恢复到原始水印图像，但是有时计　算量会很大。当恢复需迭代次数非常多时，我们采用把Ａ拼凑成方　阵的方法构造Ａｒｎｏｌｄ逆变换通过相同的迭代次数ｋ逆变换回原始　水印图像，可以节省迭代次数和恢复时间，其中迭代次数可以为水　印系统提供密钥ｋｅｙ，从而增加了系统的安全性和保密性。　二、算法分析　本算法包括水印嵌入和提取过程，所使用的水印为单色位图，　载体是２４位位图。　（一）水印嵌入算法　设ｘ为原始图像，待隐藏的二值图像为ｗ，信息嵌入过程包括　原始图像小波分解、待隐藏图像置乱变换、、水印嵌入及小波重构　生成水印图像等环节。其步骤如下：　１．为了增加攻击的复杂性，首先对待隐藏图像Ｗ进行Ａｒｎｏｌｄ　变换。　２．把原始图像ｘ分为ｎＸｎ个区域，对每一区域进行三层多分　辨率分解；经３级小波变换分解后，形成不同分辨率，不同方向上　的子带。　３．选择每个区域的ＨＨ，ＬＨ，ＬＨ　，ＨＨ　，ＬＨ：：和Ｈ｜｛：子带进行信　息嵌入。我们设待隐藏序列为Ｗ　：｛ｗ　『Ｗ　∈｛０，Ｉ｝，ｉ＝０，１，…，　ＮＩ—ｉ），每位信息位嵌入到ｎ个系数中。采用一种均值量化算法和　块视觉阀值计算ＴＮＤ（ｊｕｓｔ　ｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）相结合的算　法进行嵌入。　４．分别对每块进行小波逆变换，得到含嵌入信息的图像。　（二）水印提取算法　水印提取过程是嵌入的逆过程，其过程为：　１．分块离散小波变换。通过对嵌入过程３的逆过程，可取出每　个区域块的信息。　２．对提取出来的水印再进行Ａｒｏｎｌｄ逆变换，经过迭代即可还　原出隐藏信息。　三、实验结果与分析　（一）攻击实验　为了客观地评价恢复出来的水印图像质量，用以下两个指标进　行衡量。　１．归一化互相关系数。　，　ＺＺ（ｗ—ｗ－－）（ｗ　一　ｒ）　』Ｖ　Ｌ，＝—‘；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝　、／∑∑（ｗ一　）　ＥＥ（ｗ＇一　）　式中，ｗ为原始水印信号，Ｗ’为被恢复出来的水印信号，　为　・－——１３０　＿

河北科技师范学院学报第２０卷第４期，２００６年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０Ｊ．２ｏ　Ｎｏ．４　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００６　

基于广义Ａｒｎｏｌｄ混沌映射和Ｈ６ｎｏｎ　

混沌映射的小波水印算法　

赵立强　２，李艳坡２，孔令富　，周铁军　

（１燕山大学信息科学与工程学院；２河北科技师范学院数理系；河北秦皇岛，０６６００４）　

摘要：为提高水印信息的隐秘性和抗攻击性，将混沌映射运用于数字水印过程中，提出了一种基于广义Ａｒ－　ｈｏｌｄ混沌映射和Ｈｒｎｏｎ混沌映射的小波水印算法。首先用Ａｒｎｏｌｄ混沌映射将二值水印图像置乱。作为第一　层加密，再利用Ｈｒｎｏｎ混沌序列对水印图像数据进行置换，作为第二层加密，并将加密后的水印图像嵌入到　原始图像的ＤＷＴ域系数中，得到嵌入了水印的图像。混沌映射的伪随机性和初值敏感性保证了水印信息的　安全性。实验结果表明，此方法对噪声、压缩、裁切等操作具有很好的鲁棒性。　关键词：数字水印；混沌映射；小波变换　中图分类号：ＴＰ３９１．４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－７９８３（２００６）０４－００３２－０７　

数字水印技术指的是一种利用图像及声音等媒体的冗余性，在信息内容中让人觉察不出地嵌入其　他信息的技术。这些嵌入的信息可以是版权信息或用户信息等等，借此来保护信息内容的版权。水印　

信息通常有两类：一类是用均值为零的随机数字序列信息；一类是用有意义的文字或图标信息。前者由　

于随机序列信号意义不明确，在版权证明时需要第三方认证机构介入，因此这样的水印仅仅可以检测水　

印的存在性，而不足以提供独立的可证明性；后者由于水印图像中有商标、文字等意义明确的信息，可证　

明性强，所以备受关注。数字水印技术有两个基本特征：其一，所嵌入的水印能在多种无意或有意的信　

号处理过程后产生一定的失真情况下，仍能保持水印完整性和鉴别的准确性，即鲁棒性。其二，不易觉　察性。信息在引人数字水印后，应不易被接受者所觉察，同时又不能影响原作的质量。