（电路与系统专业论文）基于混沌的数字图像水印算法及应用.pdf

摘要 计算机及通讯技术的飞速发展、因特网的普及为多媒体数字作品 的存储和传播提供了极大的便利，同时也暴露出日益严重的信息安全 问题。数字产品的版权保护已经成为信息时代迫切需要解决的问题。 数字水印技术作为一种有效的数字产权保护和数据安全维护技术得 到了广泛的重视和迅速的发展，成为国际信息安全领域研究的热门课 题。基于混沌系统的信息安全技术由于其具有对初始值高度的敏感 性、良好的自相关性和低频宽带等特点，引起了国际学术界极大的兴 趣和热情。本论文就基于混沌理论的数字图像水印技术展开研究，主 要工作包括： ， ( 1 ) 文章首先介绍了数字水印技术的基本概念、特性、分类、攻击方式 等等及相关的小波分析、混沌基本理论，系统阐述了数字图像水印 技术的基本原理与方法。 ( 2 ) 鉴于混沌序列优良的初始参数敏感性，即便初始值发生微小的变化 也会产生不同的随机序列，在d c t 域提出一种基于混沌映射的差 分能量数字图像水印算法。利用混沌序列置乱并加密有意义的水印 、 信号，通过比较宿主图像不同子域的能量差来实现水印信号的嵌入 与盲提取。最后给出了算法的仿真实验结果及性能分析。 ( 3 ) 充分利用小波分析的时频分析特性及人类视觉特性( h v s ) ，并结合 医学图像重要病理特征区域( r o i ，感兴趣区域) 不允许被破坏的应用 背景，在d w t 域提出一种基于医学图像感兴趣区域的数字水印算 法。算法选取灰度有意义图像作为水印信号，并采用混沌加密，实 现了水印的盲检测。最后给出了算法的仿真实验结果。 ( 4 ) 针对单一混沌水印的安全性难以满足系统要求、容易被破译的问 题，提出一种新的复合混沌模型用于数字图像水印算法中，最后给 出了算法的仿真实验结果。 关键词：数字水印，混沌映射，离散余弦变换，离散小波变换，感兴 趣区域( r o i ) a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e tp r o v i d eag r e a t c o n v e n i e n tw a yf o rs a v i n ga n d s p r e a d i n gm u l t i m e d i ad i g i t a l p r o d u c t ，h o w e v e r ，w h i c ha l s or e v e a lt h ep r o b l e m so ft h e s e c u r i t yp r o t e c t i o no fi n f o r m a t i o nw h i c hi sb e c o m i n gm o r ea n d m u r es e r i o u s t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a lp r o d u c th a s b e c o m et h ep r o b l e mw h i c hi su r g e n t l yn e e d e dt ob es o l v e di n i n f o r m a t i o nt i m e s a sa ne f f e c t i v em e a n so fd i g i t a lc o p y r i g h t a n dd a t as e c u r i t yp r o t e c t i o n ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y h a sg a i n e dw i d e a t t e n t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n t ，a n dh a sb e c o m e ah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o n s e c u r i t y b e c a u s eo fi t sh i g hs e n s i t i v i t yt oi n i t i a lv a l u e s ， g o o dc o r r e l a t i o n ，l o w - f r e q u e n c yb a n d w i d t ha n ds oo n ，t h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n o l o g yb a s e do nc h a o ss y s t e ma r o u s e s g r e a ti n t e r e s ta n de n t h u s i a s mi nt h ei n t e r n a t i o n a la c a d e m i c c o m m u n i t y i nt h i sp a p e r ，t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y b a s e do nc h a o st h e o r yi ss t u d i e d 。a n dt h ep r i m a r yc o n t r i b u t i o n s o ft h i sp a p e rc o n t a i nt h ef o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) w ef i r s tm a k ear e c a p i t u l a t i v ei n t r o d u c eo ft h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi n c l u d i n gi t sb a s i cc o n c e p t ，c h a r a c t e r ， s o r t ，a t t a c kt y p e s ，r e l a t e dw a v e l e ta n a l y s i sa n dc h a o st h e o r y a n ds oo n ，s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d i n gi t sb a s i cp r i n c i p l e sa n d m e t h o d s ( 2 ) a sc h a o t i cs e q u e n c ei se x t r e m e l ys e n s i t i v et ot h ei n i t i a l p a r a m e t e r s ，e v e ns m a l lc h a n g e si ni n i t i a lv a l u ec a nl e a dt o d i f f e r e n tr a n d o ms e q u e n c e s ，ad i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a l e n e r g yo ft h em i d d l ef r e q u e n c y s u b - b a n d so ft h ed c tc o e f f i c i e n t s o ft h eo r i g i n a li m a g ei s p r o p o s e di nt h i sp a p e r ，w h i c he n c r y p t sa n dp e r m u t e sm e a n i n g f u l w a t e r m a r kw i t hc h a o ti cm a pf i r s t w a t e r m a r ki se x t r a c t e d w i t h o u to r i g i n a li m a g e l a s t l ye x p e r i m e n tr e s u l tf o rt h i s w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sg i v e n ( 3 ) t a k i n ga d v a n t a g eo ft h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s c h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e tt r a n s f o r ma n dt h eh u m a nv i s u a l s y s t e m ( h v s ) ，c o n s i d e r i n gt h eb a c k g r o u n dt h a tt h er o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ) o fm e d i c a li m a g ei sn o ta l l o w e dt ob ed e s t r o y e d ，a d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do n 钧ii n f o r m a t i o no f m e d i c a li m a g e sa n dd w tisp r o p o s e d ，w h i c hs e l e c t st h eg r a y m e a n i n g f u li m a g ea st h ew a t e r m a r ka n de n c r y p t sb y c h a o s w a t e r m a r ki se x t r a c t e dw i t h o u t o r i g i n a li m a g e l a s t l y e x p e r i m e n tr e s u l tf o rt h i sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sg i v e n ( 4 ) t o i m p r o v e t h e s e c u r i t yp e r f o r m a n c e o ft h e s i n g l e c h a o s b a s e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e m ，am e d i c a li m a g e w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do i l t h en e wm i x e dc h a o t i cs y s t e m i sp r o p o s e d l a s t l ye x p e r i m e n tr e s u l tf o rt h i sw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mi sg i v e n k e yw o r d s ；d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，c h a o t i cm a p ，d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f 0 加。d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m , r e g i o no fi n t e r e s t ( r o i ) m 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：童茅1 d 力7 年占月，弘日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大 学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 ，不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：童翔日期：必刀年占月，垆日一 导师签名：矽讲产日期：扣椤年易月，r 日 基于混沌的数字图像水印算法及应用 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 计算机网络及通讯技术的飞速发展、l , 3 t e m e t 的普及大大改变了 人们的生活面貌，促进了社会的发展，并为多媒体信息的存储和传 播提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达韵效率和准确 性。与传统的模拟作品相比，数字作品具有很大的优越性：人们可 以方便地利用数字设备制作、处理和存储各种形式的多媒体数字作 品( 图像、语音、文本和视频等) 。在模拟时代，人们把磁带作为记 录设备，盗版拷贝通常要比原始拷贝的质量低，而盗版拷贝的二次 拷贝的质量更糟糕。而在数字时代，歌曲或电影的数字拷贝过程完 全不损失作品质量。数字媒体很容易借助i n t e m e t 或c d - r o m 被 复制、处理、传播和公开。数字作品面临着易被非法侵权盗版和恶 意篡改的严峻挑战，这必将严重阻碍信息产业的健康发展，在数字 产品领域里迫切需要新的技术出现，以保证数字产品的知识版权问 题。如何在网络环境中实施有效的版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 和 信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段，已经引起了国际学术界、企业 界以及政府部门的广泛关注【1 卅。如何既充分利用因特网的便利，又 能有效地保护知识产权，已成为信息时代所必需解决的紧迫问题。 为了解决上述问题，人们首先想到的是采用加密技术来确保信 息的安全，即对机密信息进行特殊的编码，形成旁人不可识别的密 文后进行传输。以此来防止非法攻击者通过网络获取密文中的机密 硕士学位论文 信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。然而密码技术存在的 缺点使其无法完全解决上述问题。其一，多媒体信息经过加密，明 确提示了攻击者哪些是重要信息，容易引起攻击者的兴趣和好奇， 且随着电脑软硬件技术的迅速发展以及基于网络的具有并行计算能 力的破解技术的日渐成熟，加密信息有被破解的可能性。加密信息 一旦被破解，其内容就完全失去了保护，无法得到版权认证。其二， 即使加密信息破解失败，非法攻击者仍然可能直接将密文破坏，使 得即使是合法的接收者也无法获取有用的信息。其三，多媒体信息 在网上传播，多数是出于信息交流的需要或商用目的，将其加密也 妨碍了多媒体信息的交流与传播。其次便是数字签名技术。数字签 名是用“0 ”、“l ”字符串来代替书写签名或印章，起到书写签名或印 章同样的法律作用。它通过使用私用密钥，对每个消息进行签名， 而公共的检测算法用来检查消息的内容是否符合相应的签名。但这 种数字签名在数字图像、视频或音频中的应用并不方便也不实际， 因为在原始数据中需要加入大量的签名嘲。 在这样的应用需求背景下，数字水印技术( d i g 腻w a t e r m a r k i n g ) 迅速发展起来，成为当前信息安全领域的热点技术。数字水印技术 有望成为加密技术及数字签名技术的重要补充，因为它在数字产品 中嵌入的信息不会被常规处理操作去除。数字水印技术一方面弥补 了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数据提供进一步的保护； 另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可 以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息。即使在经过解密、再 基于混沌的数字图像水印算法及应用 加密、压缩、数一模转化以及文件格式发生变化等操作过后，设计巧 妙的水印方案仍然能够保证提取得到水印标志。 数字水印技术利用人类本身韵视觉系统特性( h v s ) 或听觉系统 特性( h a s ) 以及数字多媒体作品具有很大的冗余性的特点，在不引起 人感知的情况下采用数字嵌入的方法将水印信息嵌入多媒体载体 中，且无需占用额外带宽。水印的透明性保证了人们从表面上无法 判断水印的存在与否或水印嵌入的具体位置，只有通过专门的检测 器才能从掩蔽载体中恢复或检测到数字水印信息。防止拷贝和数字 作品的版权保护是推动数字水印领域发展的主要驱动力量，然而随 着研究的深入，数字水印技术已经开始广泛地渗透到信息安全的各 个领域，有着广阔的应用前景。目前数字水印主要的应用领域有： ( 1 ) 数字作品的版权保护对数字作品的版权进行保护是最初提出数 字水印的目的所在，因此这也应是当前数字水印最主要的应用。当 普通消费者录制一首歌或一段电影的唯一途径是使用模拟磁带时， 盗版复制品一般要比原始作品的品质低，再次盗版复制的作品质量 通常更差。然而，进入数字时代，通过高质量的数字录制设备以及 互联网，盗版者可以轻易地对受版权保护的数字作品进行拷贝、录 制和发行，而且可以做到与原始作品完全相同，即使有一定的畸变， 也只是十分轻微的程度。并且对数字作品的篡改也十分的容易，采 用现有的图像处理软件，如p h o t o s h o p 、f i r e w o r k s 等可以轻易地将 数字作品上明显可见的版权标志去除或修改。数字水印技术将版权 标识不可感知地隐藏在数字作品里，既不损害原始作品的质量，又 硕士学位论文 达到了版权保护的目的，但这种应用要求水印具有非常高的鲁棒性。 ( 2 ) 广播监视由于一直没有合适的系统来监测电视广告的实际播放 情况，1 9 9 7 年，日本爆出了广告客户支付了广告费，而广告却从未 被电视台播出的丑闻1 6 。安排专门的观测人员来记录电视广播的播出 情况显然是不切合实际的，因此，开展对主动监视系统的研究就显 得十分必要了。而水印由于其本身嵌入在视频或音频内容之中的特 点，无需利用广播信号的某些特殊片断，可与电视设备的安装基础 一包括数模、模数变换同步。因此用基于水印技术的广播监视系统 具有广阔的研究前景。 ( 3 ) 标题与注释将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入到该作 品中，如与医学图像相对应的病患的姓名和年龄、遥感图像的拍摄 日期、经，纬度等。这种隐式注释无需占用额外的带宽且不易丢失。 ( 4 ) 篡改提示当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需 要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的， 通常将原始图像分成多个独立块，每个分块加入不同的水印。水印 将经历与数字作品相同的操作，通过水印系统终端检测每个数据分 块中的水印信号的完整性来确定作品的完整性。因此，这类水印必 须是脆弱的，并可实现水印的盲检测。 ( 5 ) 拷贝控制该种应用旨在防止未经授权的媒体拷贝。一个典型的 例子是d v d 防拷贝系统。人们将水印嵌入到受版权保护的内容当 中，与其一同播放。而当具有拷贝控制机制的d v d 设备通过自带的 水印检测器检测到“禁止拷贝”的水印标志时，将禁止播放或拷贝。 基于混沌的数字图像水印算法及应用 除此之外，数字水印的应用领域还涉及所有者识别、所有权验 证、交易跟踪、设备控制、内容认证、商务交易中的票据防伪等等， 随着研究的深入，信息化程度的日益提高，数字水印技术必将拥有 更为广阔的应用前景。 1 2 数字水印技术的发展历史及研究现状 数字水印技术最早可追溯到1 9 5 4 年美国m t m a c 公司的埃米利 希姆布鲁克申请的一项关于将标识码透明地嵌入到音乐作品中以证 明其所有权的专利( “i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s ”) n 1 。该 专利使对音乐原作进行确证成为可能，从而制定出了一个防止盗版 的有效途径。然而，数字水印技术真正受到实质性的关注还是在2 0 世纪9 0 年代以后。作为一门新兴的学科交叉的应用技术，数字水印 技术从正式提出到现在虽然只有较短的时间。但由于它是应用于开 放型网络上的多媒体信息隐藏技术，为解决版权保护和内容完整性 认证、来源认证、篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提 供了一个崭新的技术研究方向，因此在数字产品的知识产权保护、 隐藏标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用 前景。随着1 9 9 6 年5 月第一届国际信息隐藏学术研讨会在英国剑 桥牛顿研究所召开，数字水印技术的研究得到了迅速的发展，许多 大学、科研机构和公司企业纷纷开展了这方面的研究，在i e e e 和 s p i e 等一些国际重要会议上也开辟了与信息隐藏和数字水印相关的 专题技术研讨。1 9 9 8 年以来，i e e e 图像处理、i e e e 通信专题、 i e e e 消费电子学、s p i e 等许多国际重要期刊也组织了水印的 硕士学位论文 技术专刊或专题新闻报道。此外欧洲、北美以及其它一些关于图像、 多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。现今世界 各大知名公司如m m 、n e c 、先锋、索尼、荷兰飞利浦等都在加速 数字水印技术的产品化进程，积极支持和开展数字水印技术的研发。 国内学术界在信息隐藏方面的研究起步稍晚，但数字水印技术 的发展也紧跟世界的脚步，分别于1 9 9 9 年和2 0 0 0 年召开了我国第 一届信息安全隐藏学术研究会( c i h w ) 以及第一届数字水印技术研 讨会。c i h w 研讨活动至今已成功举行了五届全国会议。同时，国 家多项科研发展计划以及自然科学基金都为数字水印的研究项目提 供资金支持。期刊杂志上相关文章的数量从2 0 0 0 年起迅速增加也可 以看出近年来国内数字水印技术的快速发展。 早期的数字水印的研究工作主要集中在数字图像的空间域。 t t r k e l 伽等人于1 9 9 3 年首先提出了电子水印( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ) 的 说法，而在其随后发表的另一题名为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章m 中正式出现了“数字水印”这一术语。他们提出了两种在灰度图像 像素值的最低有效位( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 嵌入水印的方案。文 章中采用的是m 序列作为水印标志。1 9 9 5 年c o x 等人“伽“n 1 提出基 于扩频通信思想的水印方案，将水印标志嵌入到宿主图像些大的 d c t 变换系数中，有效提高了图像水印的鲁棒性，但由于不是盲水印 方案，使其应用受到一定的限制。1 9 9 5 年，w b e n d e r 等人n 2 3 通过修 改宿主图像每个像素对的亮度值来实现水印的嵌入和盲提取，这种 方法被称为“拼凑”( p a t c h w o r k ) 。基于时空域的算法相对简单，实 基于混沌的数字图像水印算法及应用 时性较强，但鲁棒性较变换域和压缩域算法差，尤其对滤波、量化 和压缩攻击，因此，后期时空域算法多数用于内容认证或篡改提示1 。 由于变换域水印嵌入算法可充分利用人类的感知特性，透明性和鲁 棒性好，与压缩标准兼容等优点，近年来水印算法的研究大都集中 在变换域，主要是通过修改宿主变换域系数来实现水印的嵌入。闰 德勤等n 翻通过比较随机选定的o c t 中频系数的大小关系来嵌入水 印，算法具有良好的可视性和稳健性。l a n g e l a a r 等“们提出一种基于 有选择地丢弃部分压缩视频画面中的高频d c t 系数来嵌入水印的方 法，同时该方法还可以应用到小波域，可获得更好的水印稳健性。文 献【1 5 】基于扩频思想采用加性方式在小波域嵌入水印。 混沌现象是在非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的 过程，这种过程非周期，不收敛但有界，即它的运动轨迹始终局限于 一个确定的区域，这个区域称为混沌吸引域。无论混沌系统内部多 么不稳定，它的轨迹都不会走出混沌吸引域。并且具有对初始值极 敏感的依赖性“吼“们以及良好的自相关性和低频带宽的特点。混沌序 列如此优良的特性引起了国际学术界极大的兴趣和热情。2 0 世纪七 八十年代掀起了全球的“混沌热”，1 9 7 7 年在意大利召开的第一届 国际混沌会议标志着混沌学的正式诞生。2 0 世纪八十年代以来，混 沌学研究几乎与所有的自然科学交叉，开始向工程技术领域和社会 经济领域渗透，形成了蓬勃发展的势态。混沌的应用范围已涉及到 混沌通信、混沌信息技术、混沌制导、医学生物工程、混沌工业控 制等多个方面，甚至对经济、政治等领域也产生了强大的冲击。可 硕士学位论文 以预言，混沌将在国防和工农业等国民经济中有着广泛的应用，具 有极其诱人的发展前景“。近年来，基于混沌映射的数字水印算法 逐渐增多，越来越多的水印系统采用混沌序列对水印进行预处理， 从而取代了传统的伪随机序列成为提高水印系统安全性的新的有效 技术手段。目前混沌在数字水印技术中的应用主要体现在两个方面： 一方面是鉴于混沌序列易于产生、生成速度快且数量极多以及对初 始条件极其敏感的特点，利用混沌序列本身作为水印信号嵌入多媒 体宿主中。孙锬锋等“们将混沌阵列作为水印嵌入到图像子块的d c t 次低频系数中去，然后根据噪声敏感度进行视觉掩蔽，通过混沌密 钥检测水印。陈思等呦1 采用混沌水印自适应地嵌入原始宿主图像d c t 域，较好的兼顾了水印的透明性和鲁帮性要求。丁科胁1 等利用混沌 来精确定位对加入水印图像的篡改。n i k o l a i d i s 乜2 1 等对不同的混沌映 射在图像水印中的应用做出了比较分析。s i l v e s t r e 3 1 等在数字音频信 号中嵌入了混沌序列，通过计算机仿真和主观倾听测试找到了鲁棒 性和可感知性的折衷。由于直接采用混沌序列本身作为水印属于无 意义水印标志，而在现实生活中使用有意义的声音、图像或视频作 为水印标志的情况更多，因此，另一方面，比较多的研究者将混沌 序列用于水印的预处理。文献 2 4 1 2 7 e f l 均用到了混沌序列对水印 标志进行加密或置乱。杨德刚嘲等提出在宿主中嵌入多个基于不同 用途的水印，用混沌序列来控制选择水印嵌入的位置，并用数据表 来解决地址冲突的问题。 数字水印技术从正式提出到现在虽然只有十几年，但由于其广 基于混沌的数字图像水印算法及应用 阔的应用前景及其在经济、技术等方面研究的重要性，得到了国内 外学术界、政府和信息产业部门的高度重视。从概念的提出至今， 国内外开展的研究都取得了很大的成绩，基于不同应用背景的新思 想、新算法陆续被提出，所涉及的领域也在不断扩展，已经出现了 相关的产品。基于混沌映射的水印算法更成为近年来研究的热点。 从目前的研究发展情况看，我国相关学术领域的研究发展很快，但 就研究成果来说，许多问题还局限在初级阶段，尚未形成一个完整 的理论知识体系，基本原理和基本方法还有待进一步的研究；算法 的性能指标缺乏统一的评价标准；在实际领域的应用还十分有限， 商品化的软硬件还很少见。 i 3 本文主要研究内容及章节安排 本文主要对基于混沌映射的数字图像水印算法进行研究。论文 的主要工作和章节安排如下： 、 第一章简要介绍了数字水印技术的研究背景、发展历史及研究 现状，概述了数字水印技术的主要应用，给出了本文的主要研究内 容及章节安排。 、 第二章详细阐述了数字水印技术的基本原理、分类和特征、常 见攻击方式以及数字水印系统的性能评估方案。 第三章介绍了混沌的基本理论，包括混沌的概念、特征、典型 的混沌模型以及混沌在数字水印中的主要应用。 第四章分析了二维离散余弦变换的物理意义，给出变换公式。 在研究d c t 域人眼视觉特性的基础上，结合混沌映射，提出d c t 硕士学位论文 域基于差分能量的数字水印算法，并给出仿真实验结果。 第五章结合医学图像水印认证的应用背景，提出种基于医学 感兴趣区域的d w t 域数字水印算法，并给出仿真实验结果，证明 了算法的有效性；在分析传统混沌映射的特性的基础上，给出一种 基于复合混沌映射的医学图像水印算法，增强了医学水印系统的抗 破译性，并给出仿真实验结果。 第六章对全文进行总结，并对下一步的研究工作进行展望。 基于混沌的数字图像水印算法及应埘 第二章数字水印技术 2 1 数字水印技术的基本原理 2 1 1 数字水印的概念 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是一种有效构数字产品版权 保护和数据安全维护技术。它的基本思想是将具有特定意义的标志 信息( 水印) ，利用数字嵌入的方法隐藏在多媒体数字作品中( 包括数 字图像、视频、音频、文档、三维动画等等) ，在经历信道传输后， 通过对水印的检测与分析来保证数字信息的完整可靠性，或用以证 明作者对其作品的所有权、授权单位或个人的使用权，并作为鉴定、 起诉非法侵权的证据，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的 有效手段。 2 1 2 数字水印系统的基本框架 从数字图像处理的角度来看，水印嵌入宿主中可以视为在强背 景下叠加一个弱信号。由于人类视觉系统( i - i v s ) 的掩蔽现象，人们将 无法感知到强度低于h v s 对比度门限的水印信号。而该门限又受到 宿主图像背景照度、背景纹理复杂性和信号频率的影响，因此，通 过调整水印信号的强度或宿主的时频分布等，就有可能在不影响宿 主视觉效果的情况下在其中透明地嵌入一些信息。 再从数字通信的角度来看，水印嵌入宿主中可理解为在一个宽 带信道( 宿主) 上采用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印) 忉。尽管 水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难 硕士学位论文 以检测到的。水印的译码( 检测) 则是一个有噪信道中弱信号的检测问 题。 一个典型的数字水印系统主要包括水印嵌入器和水印检测器两 大部分。其中水印嵌入器通常包括水印生成和水印嵌入两部分。除 此之外，一个较为完整的数字水印处理系统还应包括水印的攻击等 部分。图2 1 给出了数字水印处理系统基本框架的详细示意图。图中 各符号所代表的意义如下： ( 1 ) m 代表所有可能的原始信息的集合。 ( 2 ) x 代表所要保护的数字产品x ( 或成为数字作品) 的集合，即宿主。 ( 3 ) w 代表所有可能的水印信号w 的集合。 ( 4 ) k 代表水印系统密钥k 的集合。 ( 5 ) g 表示利用原始信息m 、密钥k 和宿主x ( 不一定参与水印生成过 程) 共同生成水印的算法，即 g ：m x x x k 斗矿，w = g ( m ，而x ) ( 2 1 ) ( 6 ) 既表示将水印w 在密钥k 的控制t ( k 也可以不参与嵌入过程) 嵌 入宿主x 中的嵌入算法得到含水印产品，即 瓦：x x w x k 专兄= e o ，嵋七)( 2 - 2 ) ( 7 ) a t 表示对含水印产品r 的攻击算法，即 a t ：x x k _ 置= a t o ，k ) ( 2 - 3 ) k 表示攻击者伪造的密钥，表示被攻击后的含水印产品。 ( 8 ) d 表示水印检测算法，即 蝴一他玑配耻锰出 基于混沌的数字图像水印算法及应用 其中和矾分别表示水印存在与水印不存在。 ( 9 ) e 表示水印提取算法，即 e ：x x k - w ，= e ( 一，足)( 2 5 ) ，网网网盥型一 图2 1 数字水印处理系统基本框架 ( 1 ) 数字水印信号的产生与嵌入 数字水印信号的产生 数字水印信号的生成是数字水印处理过程的关键第一步。通常 采用的数字水印信号根据其内容可以分为两种：无意义的水印信号 和有意义的水印信号。无意义的水印信号，一般是指无意义的随机 序列，它们往往被直接嵌入到载体数据中，若解码后的水印序列有 若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。 目前文献中用作无意义水印标志的随机序列通常有以下几种： i 均值为0 ，方差为l ，即满足n ( o ，1 ) 正态分布的伪随机实数序列。 只要给定一个“种子( s e e d ) ”作为伪噪声发生器的输入，就可以产 生具有高斯噪声分布的白噪声信号。 i i 伪随机二值序列，如利用线性移位寄存器产生的m 序列等。伪 随机序列具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以 l l 硕士学位论文 人为地加以产生和复制。 i i i 采用混沌序列作为水印信号。利用混沌电路或混沌算法以初始值 作为密钥，可以产生确定的、类似随机的、既无周期也不收敛、对 初始值极度敏感的混沌序列。由于混沌动力系统具有确定性，经证 明混沌序列也具有白噪声的统计特性。只需掌握初始密钥，便可再 生混沌序列，将其作为水印嵌入宿主中不仅简单实用，而且安全可 靠，因此已被广泛地应用于信息安全等领域。 有意义的水印信号是指水印标志本身是代表一定意义的数字图 像( 如商标图像) 、文本、数字音频片断的编码或视频信号。由于使用 有意义的水印标志在提取水印时可通过直观感受来判别载体中是否 含有水印，而不必完全倚赖与原始水印标志的相关性计算，因此目 前大多数文献均采用有意义的水印标志【2 9 】巾2 】。通常有意义的水印标 志在嵌入载体之前要经过一定的预处理以提高算法的稳健性和安全 性，常见的处理方式有以下几种： i 将伪随机序列与原始信息进行相乘或异或操作。设原始信息序列 m 以及伪随机序列p 分别表示为m i o ，1 ) ，只 0 ，1 ) ，o f n 一1 ， 这两个序列经过异或操作可得到待嵌入的水印信号 w = w i = p b ，w f o ，1 ) ，0 f n 1 ) ；若仉一l ， a l ，一l ，o o ( 3 3 ) 根据l i - y o r k e 定义，1 9 8 3 年d a y 认为一个混沌系统应该具 有如下三种性质j 第一，存在所有阶的周期轨道；第二，存在一个 不可数集合，该集合只含有混沌轨道，且任意两个轨道既不趋向远 离也不趋向接近，而是两种状态交替出现，同时任一轨道不趋向于 任一周期轨道，即该集合不存在渐进周期轨道；第三，混沌轨道具 有高度的不稳定性。 第三种定义混沌方法是采用排除法，即与现有已知的运动类型 相比较来确认的办法。这时混沌定义为：除了通常已知的三种典型 运动类型，即平衡点( 静点) 、周期及准周期运动以外的一种貌似随 机运动形态，就是混沌运动，它的特点是局部极不稳定而整体稳定。 第四种定义混沌是哈肯提出的，他把混沌定义为：来源于确定 性方程的无规运动。这里主要的困难是如何恰当地定义“无规运动”， 而不同周期运动的叠加在某种程度上也可以模拟无规行为。所以， d i t t o 把混沌定义为非常多数目的不稳定周期运动的叠加。 3 1 2 混沌的特征 硕士学位论文 从宏观上看，混沌呈现出一种混乱、貌似随机的特性，并对初 始条件十分敏感( 即所谓蝴蝶效应) 。尽管过程是严格确定的，但其长 期的行为却是不可预测的。一般认为，混沌具有以下几个主要的特 征嗍： ( 1 ) 混沌具有内在随机性。内在随机性是确定性系统内部随机性的反 映，区别于由外随机激励引起的外随机运动。对于像混沌这样一个 完全确定的系统，在一定系统参数条件下，无需附加任何随机因素， 仍能自发地表现出类随机特性，即系统的某个状态既可能出现也可 能不出现。 ( 2 ) 混沌具有对初始值的极度敏感性。混沌运动中有一个十分明显的 特征，那就是只要初始条件稍有差别或微小的扰动就会使系统的最 终状态出现巨大的差异。l o r e n z 曾十分形象地称其为“蝴蝶效应”： “仅仅是蝴蝶翅膀的一次小小扇动，就有可能改变一个月以后的天 气情况”。这种局部不稳定性或称对初始值的敏感性，使得混沌系统 的长期特性变得不可预测。 ( 3 ) 混沌具有非周期性。周期运动向非周期运动转化。周期运动和非 周期运动均为自然界中常见的运动。但我们在这里强调的是系统从 周期运动向非周期运动的转化。例如，由常微分方程解的“倍周期 分叉”的特征来看，周期运动的发展最终导致成非周期运动。这是 对人们用传统观念认识周期运动的突破。 ( 4 ) 混沌具有有界性。与混沌解相对应的点集在相空间中具有有限分 布，这个区域称为混沌吸引域。无论混沌系统内部多么不稳定，它 基于混沌的数字图像水印算法及应用 的轨迹不会走出吸引域。所以从整体上说混沌系统是稳定的。 ( 5 ) 混沌具有遍历性。当时间趋于无穷时，混沌系统的轨迹会遍历到 混沌吸引域中的每一个点。 3 2 本文采用的混沌模型 l o g i s t i c 混沌模型 l o g i s t i c 映射是一种非常简单并被广泛研究的动力系统，其定义 如下： z 。i = 厂( 毛) = 脶( 1 一矗) ，p e 1 ，4 】，打= o ，i ，2 ，l ( 3 4 ) 其中称为分枝参数( b i f u r c a t i o np a r a m e t e r ) 。固定初始值 = 0 3 9 8 7 5 4 1 2 5 8 以及迭代次数n = 7 0 0 ，当分枝参数以o 0 0 6 为步 长在区间【l ，4 】内变化时，可得到l o g i s t i c 混沌映射轨迹，如图3 - 1 所 示。其中( o ，1 ) ，随着分枝参数的增大，系统周期经历着一分为 二、二分为四、四分为八l 翻倍的过程，当3 5 6 9 9 4 5 6 p 4 时，l o g i s t i c 映射进入混沌状态，即由不同的初始值而经公式( 3 4 ) 生成的两个序 ￥ 列均为非周期性的、不收敛、互不相关且对初始状态极为敏感的， 如图3 - 2 、图3 3 所示，混沌初始值哪怕发生0 0 0 0 0 0 1 的偏差，所产 生的混沌序列都会不同。其取值范围是单极性、遍历( o ，1 ) x e 域内的 所有值。 有时为了得到双极性的序列，还可采用另一种l o g i s t i c 映射公式： + = 厂( 毛) = l - a ，【o ，2 】 吒 - 1 ，l 】( 3 5 ) 当p = 2 时，公式( 3 5 ) 变成偶对称满映射。此时所产生的序列的概率 密度函数p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 为： 硕士学位论文 叫毒1 p 6 ， 通过烈力很容易得到l o g i s t i c 映射产生的混沌序列的统计特性。 其主要性质如下： 性质i 对于任意初值产生的混沌序列，其均值为 i ：熙专笺：f 。叫力d x = o ( 3 - 7 ) i 2 熙专善2 f 。叫力= o 性质2 独立选取两个初始值而和，则产生序列的互相关函数为 c o r ( x o ，) 2 熙( 善( t 一跳一劝7 ( 3 - 8 ) = “, ( x ) p ( y x x 一习。一d d r d y l o g i s t i c 序列的上述性质表明：由于混沌动力系统具有确定性， 其统计特性等同于白噪声，是理想的密码流序列。 图3 - 1 固定初始值为0 3 9 8 7 5 4 1 2 5 8 的l o g i s t i c 映射轨迹图 基于混沌的数字图像水印算法及应用 n 图3 - 2 初始值为0 3 9 8 7 5 4 1 2 5 8 的l o g i s t i c 映射生成的混沌序列 1 “o 5 垂 。 絮 璐田5 01 1 卯捌2 卯3 叩 n 图3 3 初始值为0 3 9 8 7 5 5 1 2 5 8 的l o g i s t i c 映射生成的混沌序列 蓬) a r n o l d 混沌模型 另一简单传统的混沌系统一a m o l d 变换，也称为猫映射( c a t m a p ) 1 4 q 。a r n o l d 交换一般用于对原始信息进行置乱，以增强系 统安全性及抵抗几何剪切攻击的能力。设原始信息为大小n xn 的数 字图像，a m o l d 变换的矩阵式如公式( 3 9 ) 所示。 ( = ( 拟i 忉， 其中，为，辫分别表示原始图像中像素的横坐标和纵坐标，乃“ 分别表示置乱后图像相应像素所在的横坐标和纵坐标。a m o l d 变换 具有周期性。即存在一个正整数p 满足公式( 3 一l o ) 。 一( m o d 聊= ( 3 1 0 ) 5 0 1 叩 1 卯 扣0 2 5 口 硕士学位论文 其中，彳= ： 称为二维a m 。1 d 矩阵，t = “，只) ，p 即为a n l 。l d 变换的周期，即原始图像经过m = 聊k z + ，l 历毋次a m o l d 变换后 将变得面目全非，再经妒一掰) 次a r n o l d 变换又将恢复到原图，如图 3 4 所示。周期p 的大小与参数有关，如表3 - 1 所示。 | | 图耋露耋 卯1 叩1 5 0 2 1 2 0 2 , 6 0卯1 叩1 卯2 1 3 0 2 5 0 卯1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0卯1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 卯 ( a ) 原始图像( 2 5 6 x 2 5 6 )c o ) 置乱1 次( c )