1、毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 基于二维混沌映射的数字水印算法 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 摘要 本文 提出 了基于二维混沌映射的数字图像水印 算法 ， 混沌 具有 随机性、似噪声及对初始条件的极端敏感性 等 特点 。 将经过二维混沌映射置乱后的 数字 水印 信号嵌入图像小波域 的低频系数 ，实现 了数字 水印的隐蔽性、保密性和稳固性 ； 利用 二维混沌映射 Arnold 变换 对水印 信号进行 置乱 ，不仅增强了水印信号保密性，同时 有效 提高了视觉上抵抗图像剪切 攻击 的能力 。 本文 引入置乱度的定义对置乱后的图像作定量分析。 通过分析 Arnold 变换的周期及
2、控制参数 ，实现对数字图像的最佳置乱。 对数字水印信号进行置乱 分散了 原始水印信号的相关性，在遭到剪切攻击时可以将错误码元尽可能分散 ， 因此有效地提高了数字水印算法的抗剪切攻击性能。 为提高数字水印算法的稳健性 ，引入 m序列 对水印信号进行 扩频 ， 本文 选择小波变换作为水印嵌 的嵌入域 ， 提出四种水印算法实现方案，分别对其抗 JPEG压缩 、 剪切 、 缩放 、 加噪声等各种攻击进行测试分析，得出一种最具鲁棒性的数字水印算法。 论文最后讨论了 数字水印 技术的 研究发展方向 ，提出如何有效抵抗 图像 旋转， 研究一种完善的数字水印同步技术是今后要解决的一个重要问题。 关键字： 数字
3、水印， 二维混沌 映射 ，图像置乱， 扩频 论文类型： 应用研究 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 A Digital Watermarking Technique Based on 2-D Chaotic Mapping Abstract A digital watermarking technique base on 2-D chaotic mapping is proposed in this paper. Chaotic systems have attracted extensive interests in cryptanalysis and communications
4、because of its noise-like, unpredictable yet deterministic orbits and sensitivity to initial condition and parameters into image permutation, and then the permuted watermarking signal is embedded into wavelet transform coefficients of host image. Permuted measure is introduced to evaluate the permut
5、ation of an image quantitatively. The best permutation is achieved by controlling the parameters of chaotic mapping. The image watermarking is permuted to reduce the relativity of original pixels, so the error bits of the extracted watermarking are dispersed as well. Therefore the resistance to crop
6、 attack is improved significantly. M-sequence is used to spread the watermark signal in order to improve its robustness spectrum. The watermarking techniques are tested by JPEG compression, adding noise, resizing and cropping attacks. By comparing the experiment results, a watermarking scheme of bes
7、t performance is presented. An overview to the development of the digital watermarking technology is discussed. The advanced research may concentrate on the synchronization technique of extracting watermark in order to resist synchronization technique of extracting watermark in order to resist rotat
8、ion attacks. Key words: Digital Watermarking, 2-d Chaotic mapping, Permutation, Spread spectrum Type of Thesis: Application Research 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 本论文章节安排 . 4 第二章 基于二维混沌映射的数字图像置乱 . 5 2.1 数字图像置乱技术 . 5 2.1.1 数字图像置乱技术的基本概念 . 5 2.1.2 最佳置乱度 . 6 2.2 基于二维混沌映射的图像置乱 . 7
9、2.2.1 二维混沌映射 . 7 2.2.2 Arnold 变换的周期性 . 8 2.2.3 基于二维混沌映射的最佳置乱度 .11 2.3 小结 . 12 第三章 M 序列扩频 . 13 3.1 扩频通信的基本概念 . 13 3.2 引入 M 序列对水印信号进行扩频 . 14 3.3 小结 . 16 第四章 基于二维混沌映射的数字水印算法 . 17 4.1 图像处理的小波变换 . 17 4.1.1 小波的特性 . 17 4.1.2 图像处理中常用的小波 . 18 4.2 基于二维混沌映射的数字水印算法 . 21 4.2.1 数字水印算法基本原理 . 21 4.2.2 几种方案的比较 . 22
10、4.2.3 实验结果和分析 . 25 4.3 小结 . 31 第五章 总结与展望 . 32 5.1 论文工作的总结 . 32 5.2 展望 . 32 参考文献 . 34 致谢 . 35 附录：程序清单 . 36 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 1 第一章 绪 论 1.1 引言 随着 Internet 的发展和多媒体的广泛应用，数字产品比以前更容易被复制、处理、传播和公开。盗版者正是利用这些途径侵犯数字产品制造商和用户的合法权利和利益 ,数字水印作为一种版权保护的新技 术近年来引起了高度的重视 ，已得到广泛的研究和应用 。 数字水印技术 1是将一些附加信息（水印信息）直接嵌入到数字信息
11、的内容中，期望所嵌入的信息对于常用的信号处理方法有着稳健的特性，同时要求嵌入信息后不引起原始信息质量的明显下降，这也是对数字水印技术的基本要求。此外，对该技术还有安全可靠（ secure and reliable）和结合应用方面的具体要求。 数字水印标识可以是文字、产品所有者的 ID 代码、二维图像、视听音频信息、随机序列等。一般应该满足以下几个要求： (1)不可见性：由于人视觉系统 (human visual system, HVS)所固有的多分辨率特性，数字水印应利用这种特性实现数字水印在多媒体产品中的不可见性。 (2)鲁棒性：数字水印必须对各种正常和不正常的图像处理操作具备鲁棒性实验表明
12、在各种图像处理操作中，有损压缩对数字水印的鲁棒性攻击较大，因此，数字水印在嵌入和提取过程中必须利用各种有损压缩的特点来寻求获得最大的鲁棒性。目前，有损压缩主要是基于 JPEG 和 MPEG 标准。一船 JPEG 标准是利用 DCT(discrete cosine transform)变换来实现图像的有损压缩，所以很多的数字水 印技术是基于 DCT 的，但是 DCT 变换很容易产生方块效应，对加水印后的图像 的主观质量影响较大。当前 JPEG2000 的标谁是基于小被变换的多分辨率分解技术的，基于小波变换的数字水印技术是将今后的重要发展方向。 水印技术作为版权保护应用时，必须满足难以感知性和对各
13、种攻击的鲁棒性。为了使水印难以感知，应考虑将它嵌入到图像的视觉不重要区域；而为了获得较强的鲁棒性，则希望将水印以较大的强度加到视觉的重要区域或通过扩频等方式增大水印的数据量来实现。因此，有效的水印算法必须在上述两个互相冲突的要求之间进行折衷。 一个数字水 印算法可以分为两个部分： （ 1）数字水印 的 嵌入 算法 ； 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 2 （ 2）数字水印信息的检测 算法。 在水印信息的嵌入和检测过程之间，嵌入水印信息后的宿主信息 可能会受到经过 许多无意的、或恶意的处理和攻击，但是，在宿主信息的使用价值下降不太大的情况下，水印信息应该能可靠地被检测出来 。 数字水印的
14、一般流程如图 1.1 所示： （ a）水印的嵌入 (b) 水印的检测 图 1.1 水印的嵌入和检测流程 不可见性和稳健性是对图像水印的最基本要求，而影响不可见性和稳健性的因素主要是水印的结构和嵌入对策。 水印的嵌入对策即嵌入算法有很多，从实现角度看可分为二类：空域方法和变换域的方法，这两种方法分别通过改变图像的某些象素的灰度和改变主图像的某些变换系数来嵌入水印。 空域水印技术 早期的空域水印算法是最低有效位算法（ LSB） 3及其改进算法。该算法是通过调整原始数据的最低位来隐藏信息，使一般用户对于隐藏信息，在视觉上很难察觉。虽然其有较大的信息嵌入量，但作为数字水印算法，因其基本原理限制，所隐藏
15、的数字水印信息是极为脆弱的，无法经受一些有损的信号处理。 Bander等人提出的基于统计的数字水印嵌入方案（ patchwork） 和纹理块映射编码方法则是空间域水印算法的典型设计。 Patchwork 任意选择 N 对图像点，增加其一点的亮度的同时，相应降低另一点的亮度值。通过这一调整过程完成水印的嵌入。原图 水印 W 嵌入算法 水印图像 密钥 测试图象 水印 检测算法 水印提取或存在与否的二值判定 密钥 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 3 该算法具有不易察觉性，并且对于有损压缩编码（ JPEG）和一些恶意攻击处理等具有抵抗力。而纹理块映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图像的任意
16、纹理部分，其将隐藏信息纹理映射到另一纹理相似的区域。该算法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力。但仅适于具有大量任意纹理区域的图像，而且尚不能完全自动完成。 DCT 变换域方法 4 J. Cox 等建议的扩频数字水印 CKLS1996 CKLS1997，首次提出将水印嵌入视觉重要区域。算法通过改变除 DCT 系数外的 1000 个最重要的 DCT（对整个图像作二维变换）系数，嵌入高斯伪随机序列，作为水印。此算法有较强的鲁棒性，能抵抗 IBM 攻击和共谋攻击，但一般需要原始图像来提取水印。同此方法类似，在 RDB1996中，作者采用分块 DCT 变换；在 BP1996中，采用了分块 DCT 变
17、换，但不是所有的分块都用来嵌入水印，而且改变的是中间频率的系数。这类方法抵抗几何变换的能力都比较弱。 Swanson 等利用空间掩蔽特性，计算每个 DCT 系数允许改变的最大限度，确保水印的透明性 SET1996。 Zeng 等提出了一个混合算法，既修改全局 DCT 变换的低频系数，又在中间频率的系数中嵌入一个扩频信号 Fri1998。 Wavelet 变换域方法 5 Houng-Jyh Wang 等提出了在视觉重要的小波系数中嵌入水印的方法WSK1998。算法按视觉重要性搜索系数，依次嵌入水印。采取了两种嵌入方案，一种在提取水印时需要原图，一种不需要。但这种算法在算法公开时，很容易去除水印，
18、因为算法公开了嵌入水印 的地点（即按视觉重要性顺序嵌入），攻击者用同样的方法就可去掉水印。这种方案可用作注释水印。 Deepa Kundur 等在KH1997 KH1998两篇文献中分别提出了一种基于小波变换的私有水印和公开水印算法。前者将图像和要嵌入的水印信息分别作小波分解，根据视觉特性进行数据融合，此方法在提取水印时需要原始图像；后者是对小波系数进行特殊的量化以嵌入信息，此方法提取水印不需要原图。 与空域法相比，变换域法具有如下优点： 1)在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有象素上，有利于保证水印的不可 见性。 2)在变换域。视觉系统 (HVS)的某些特性 (如视频特性 )可以
19、更方便地结合到水印编码过程中。 3)变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现压缩域内的水印编码。 因此，变换域的方法应是水印算法未来的趋势主流。 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 4 从小波域看，尽管由算法可知水印信号内嵌在重要系数处，但由于可选择不同的小波滤波器，分解的级数也有一个可选择的范围 (这些将使变换图像很不相同 )，而这些也和密钥一样是保密的，故算法的安全性较强。 1.2 本论文章节安排 本论文的第一章为绪论，介绍了数字水印技术的背景，数字水印技 术的基本特性，以及常用的数字水印算法；第二章提出了基于二维混沌映射的数字水印置乱技术。在分析二维混沌映射 Arnold 变
20、换及其周期性的基础上，引入最佳置乱度的定义，通过控制 Arnold 变换的参数及迭代次数实现对数字图像的最佳置乱；第三章利用 m序列对置乱后的二值水印进行扩频，有效地增强了水印算法的鲁棒性；第四章实现了基于二维混沌映射的小波域数字水印算法，以抵抗 JPEG 压缩及剪切攻击为评价指标对几种数字水印的嵌入方案进行了讨论，实验表明基于Arnold 变换的最佳置乱方案有效地提高了数字水印算法的抗剪切性能。同时引入 m 序列进行扩频有效地增强了水印算法的鲁棒性。第五章对本论文的工作进行了总结和展望。 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 5 第二章 基于二维混沌映射的数字图像置乱 2.1 数字图像置
21、乱技术 置乱技术 6是随着信息的安全和保密被重视而发展起来的图像加密技术。它可以看作是从经典密码学中的单表系统扩展而来的。数字图像置乱即是一种加密方法，合法使用者可以自由控制算法的选择，参数的选择以及使用随机数技术，达到非法使用者无法破译图像内容的目的。 2.1.1 数字图像置乱技术的基本概念 经典密码学对于一维数据流提供了很好的加解密算法，其中如 DES、 RSA 等著名密码系统得到了广泛的应用，但是这些系统往往忽视数字图像的一些特殊性质如二维的自相似性、大数据量等。图像置乱技术早期是对模拟图像的位置空间做置换，可以看作从经典密码学中的单表系统扩展而来。对于数字化的图像，置乱过程不仅可以在数
22、字图像的空域 (色彩空间、位置空间 )上进行，还可以在数字图像的频域上进行。数字图像置乱即是对数字图像的一种加密方法，它使得合法使用者可以自由控制算法的选择、参数的选择以及使用随机数技术，这就给攻击者带来非法破译的难度，主要表现在统计分析各种可能的组合的巨大计算量。此外，近年兴起的信息 隐藏以及数字水印技术，从不同角度对数字图像的隐藏与伪装、著作权保护等问题提出了一些解决方法，本文提出的数字水印算法把 图像 置乱技术和水印技术结合起来，通过产生置乱算法和水印算法的密钥来保护水印原始数据和跟踪产品的流动等。 数字图像的置乱变换就是一种可逆变换，通过对数字图像的位置或灰度级等做变换，来“扰乱”图像
23、，以达到在一定程度上迷惑第三者的目的。如果不知道所使用的置乱变换算法，很难恢复出原始图像。 图 2.1 给出了一个通过象素置乱算法得到的置乱图像和原始图像的比较。 图 2.1 原始图像和置乱后的图像 用置乱算法置乱 毕业论文 基于二维混沌映射的数字水印算法 6 2.1.2 最佳置乱度 文献 6提出了最佳置乱度的定义，通过计算置乱度判断图像置乱的程度。图像中的任意两个像素的距离可以用公式表示如下： 22 )()(),( jiji yyxxjiD (公式 2.1) 式中 (xi,yi)， (xj.yj)分别表示像素的空间坐标值，如果将图像以矩阵形式表示，相当于矩阵元素的行和列的值。某 矩阵元素和它
24、相邻的元素之间的距离称为一阶距离，用 Dl(i，j) 表示，将某一矩 阵元素和它相距一个元素的元素之间的距离称为二阶距离，用 D2(i， j) 表示，同理相距 n 个元素的元素之间的距离称为 n 阶距离、用 Dn(i， j)表示，例如右图所示矩阵中 (注意：矩阵中的数字是元素的标号 )，元素 1和元素 2， 5， 6之间的距离称为一阶距离，分别用 D1(1， 2)、 D1(1， 5)、 Dl(1， 6)表示，元素 1和元素 3， 7， 9， 10， 11 之间的距离称为二阶距离，用 D2(1， 3)、 D2(1， 7)、 D2(1， 9) D2(1， 10)、 D2(1， 11)表示。 定义
25、1： 一阶置乱度是图像 I 中所有像素的一阶距离的均值和方差之 比，用公式表示如下： ),(/),( 11 jiV ar DjiDESH (公式 2.2) 从公式 3.2 可以看出，一阶距离的均值比较大表示置乱后相邻像素之间的距离变大了也即相邻像素被分散了， 阶距离的方差比较小表示距离变化程度比较集中，所以二者的比值越大表示置乱度越大，即原来完整的图像的像素被均匀地打散的程度越大。直观地看，置乱度大表示一幅图像中原先空间距离小的像素对之间的距离变大了。因为一阶置乱度只定义了原来相邻像素对之间的距离变化，还不足以十分精确地描绘置乱程度，为此将一阶置乱度的公式 推广，引出 n阶置乱度的计算公式。 (公式 2.3) 公式 2.3 中通过引入一个加权系数 AK来体现不同阶距离在置乱度中所起的作用，即首先考虑将相距最近的像素对尽量分散开，然后再考虑其它距离较大的像素对。 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 16 nk kkkn jiDV a r jiDEanSH 1 ),( ),(1
