基于混沌的织锦图案彩色分量水印嵌入算法.pdf
基于混沌的织锦图案彩色分量水印嵌入算法 李军【摘 要】数字水印作为图像版权保护和内容认证已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点.利用混沌序列对图像信号加密和解密的方法,给出了基于混沌特性的彩色图像数字水印算法,该算法选择彩色图像的 YIQ 色彩空间,将原始图像 Y 分量进行二级离散小波变换(DWT),水印图像进行一维 Logistic 置乱加密后嵌入到原始图像Y 分量的低频子带中,其算法具有水印嵌入信息量大和隐蔽性好的特性.实验结果表明,算法对滤波、剪切和噪声攻击具有较强的鲁棒性.%Digital watermarking becomes a focus in the study of copyright protection and autbentication of multimedia information security.The way to encrypt and decrypt graphic signal was discussed by chaos sequence theory.A chaos-based digital watermarking embedding algorithm was proposed for color image.The original color image was transformed into the YIQ color space,its component Y was decomposed by a two-level discrete wavelet transform.The watermark image was embedded into low frequency sub-band of component Y after 1-dimensional Logistic scrambling and encrypting.The algorithm can contain more embedding intensity and be invisible.The experimental results verify the algorithms robustness for filtration,crop procession and noise attacking.【期刊名称】武汉理工大学学报（信息与管理工程版）【年(卷),期】2011(033)002【总页数】5 页(P180-184)【关键词】混沌序列;彩色数字水印;土家织锦;小波变换;非物质文化遗产保护【作 者】李军【作者单位】湖北民族学院信息工程学院,湖北,恩施,445000【正文语种】中 文【中图分类】TP391 非物质文化遗产(简称非遗)是一个民族对自身进行识别的重要特征，非遗的保护在国内外已经引起了广泛的关注1。土家织锦俗称“西兰卡普”，意思是“带花的被面”，是土家姑娘用一种古老的木腰机，完全用手工织成的手工艺术品。土家织锦的纹样朴素大方，色彩斑斓，粗犷简练，饱满厚重，具有浓郁的民族特色和很高的艺术价值，2006 年 6 月被国务院列入我国首批 518 项国家级非物质文化遗产。近年来借助高效的数字化技术手段实现非物质文化遗产的保护与发扬已经是一种趋势2。随着数字技术和因特网的发展，图像、音频、视频等形式的多媒体数字作品纷纷在网络上发布，其版权保护与信息完整性保证逐渐成为迫切需要解决的一个重要问题。而数字水印技术因其独有的不可见性和鲁棒性，正成为一种越来越有效的版权声明技术而受到各方面的重视3。现有的大多数数字水印算法主要考虑如何在灰度图像中嵌入数字水印，而在实际应用中，彩色图像占主导地位，因此，研究彩色图像的数字水印技术更具现实意义48。BANF 等基于人眼对光谱的敏感程度来确定嵌入到彩色图像中的水印的强度，利用扩频技术将水印嵌入在 R、G、B 分量的 DCT 域中9;刘挺等提出一种基于离散小波变换和HVS(human visual system)的彩色图像数字水印技术10。利用这两种方法将土家织锦图案嵌入水印具有很强的鲁棒性，但土家织锦图案不是对比度很强的标准图像，因此嵌入的水印图像有失真感，且信息量大，不利于网络图像信息的传播与保护。针对土家织锦图案的版权保护问题，利用混沌序列对图像信号加密和解密的方法，给出一种基于混沌特性的彩色图像数字水印算法，只将加密后的数字水印嵌入到原始彩色图像 YIQ 色彩空间的 Y 分量的 DWT 域中。1 混沌水印生成算法 混沌是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则的类似随机的现象。混沌现象是在非线性动力系统中出现的一种确定性的类似随机过程，该过程既非周期性又不收敛，混沌信号具有对初始值的高度敏感性、不可预测性，并具有遍历性。一类非常简单却被广泛研究应用的动力系统是 Logistic 映射，其定义为:其中，为分支参数，当 3569 945 6724 时，Logistic 映射工作在混沌状态。该算法选定=37 的 Logistic 映射来产生混沌序列，即:图 1 为=37 时的该映射对不同初始值进行迭代后的结果，可以看出该映射对初始值非常敏感。图 1 Logistic 混沌序列图像 当 Logistic 映射处于混沌状态时，其输入和输出均分布在(0，1)上，SCHUSTER证明了式(1)产生的混沌序列xn:n=0，1，2，的概率分布密度函数(x)为:通过分析可知，该映射生成的混沌序列具有遍历性，同时还具有类 型自相关函数和零的互相关函数。作为一种非线性序列，该序列结构复杂难以分析和预测，可以提供具有良好的随机性、相关性和复杂性的伪随机序列，并且还具有较宽的频谱、对初始条件十分敏感等特点。因此利用混沌系统迭代产生的混沌序列进行加密，可以使系统具有非常强的抗破译能力。该算法采用 NN 大小的二值图像作为水印，具体算法步骤为:(1)读入二值水印图像，记录其大小 NN;(2)将二值水印图像进行二维 DWT 变换;(3)利用 Logistic 混沌映射生成混沌序列，将生成的混沌序列按大小顺序重新排列，生成二维混沌置乱矩阵的行列值。将 DWT 变换后的水印图像按该随机二维混沌置乱矩阵进行空间置乱;(4)输出置乱后的水印图像。得到置乱后的水印图像，视觉上无法辨认其所携带的信息，如图 2 所示。图 2 混沌水印加密 2 彩色图像水印嵌入算法 21 数字水印嵌入 数字水印嵌入就是把水印信号 W=(k)嵌入到原始图像 X=x(k)中。数字水印嵌入过程如图 3 所示。图 3 数字水印嵌入过程 22 色彩空间转换 首先将 RGB 原始图像转换成 YIQ，将水印加密后嵌入到其 Y 分量的 DWT 域中。国际照明委员会(CIE)的 RGB 颜色表示系统，选择红色、绿色和蓝色 3 种单色光作为三基色，大多数用于获取数字图像的彩色摄像机都使用这种格式。但是 RGB 空间是颜色显示空间，并不适合人的视觉特性，对目标物体的颜色模式描述复杂，各个分量之间冗余信息多，计算量大。YIQ 色彩空间由亮度信号 Y、色度信号 I 及饱和度信号 Q 组成，它是利用人的可视系统对亮度变化比对色调和饱和度变化更敏感而设计的，其主要优点是去掉了亮度与颜色信息间的紧密联系，因而能在不影响图像颜色情况下处理图像的亮度成分。RGB 模式与 YIQ 模式之间的对应关系为:23 对 Y 分量进行小波变换 对二维的图像信号来说，经过 1 次 DWT 后，图像被分解为 4 幅，如图 4 所示，其中左上角是原图像的平滑逼近(低频)，左下角为垂直细节，右上角为水平细节，右下角为原图像的细节分量(高频)。这样的变换可以继续进行下去，即对左上角的低频分量做同样的第 2 次，第 3 次，第 n 次小波变换。经过小波分解后，其低频分量是对原图像的近似，在该频段中加入水印具有较强的鲁棒性。该算法提取Y 分量二级小波变换的低频系数，并对其进行排序，取前 N 个系数 X(i)嵌入水印，其中，N 为水印信号的大小，水印的嵌入公式为:其中，参数 为嵌入强度，其取值的大小直接影响算法的有效性。若取值过小，会导致水印提取失真，甚至失败;若取值过大，将引起嵌入水印后的载体图像改变太明显而影响隐蔽性。根据实验结果，选取=010 的嵌入强度。图 4 DWT 分解模型 24 水印嵌入算法步骤 假设原始水印图像为 W1，预处理后的水印为 W2，原始图像为 X，嵌入水印后的图像为 Xw，水印嵌入过程如下:(1)将原始彩色图像 X 按式(4)从 RGB 彩色空间转换至 YIQ 彩色空间，并对亮度 Y分量进行二级小波分解;(2)提取 Y 分量二级小波变换的低频系数，并对其进行排序，取前 N 个系数 X(i)嵌入水印;(3)对原始水印图像 W1 采用混沌算法进行加密，加密后水印序列为 W2，利用式(6)生成实际嵌入序列 Xw(i);(4)对嵌入后的 Y 分量小波系数进行二级小波重构，得到嵌入后的亮度成分;(5)利用式(5)将其从 YIQ 空间转换到 RGB 空间，构成嵌入水印的彩色图像 Xw。3 彩色图像水印提取算法 数字水印提取是数字水印嵌入的逆过程，提取过程如图 5 所示。图 5 数字水印提取过程 采用非盲水印提取算法，需要原始彩色图像的参与，水印提取算法如下:(1)将含水印的彩色图像 Xw 和原始彩色图像 X 从 RGB 彩色空间转换至 YIQ 彩色空间，并对亮度 Y 分量进行二级小波分解;(2)分别提取 Xw 和 X 的 Y 分量的低频系数，并对其进行排序，取前N 个系数Xw(i)和 X(i)按式(7)进行计算，求得 Y 分量中加密水印信息 W2;(3)利用混沌密钥对 W2 进行置乱解密，恢复出二值水印信息 W1;(4)相似度计算。定义被提取的水印信号 W*和原始水印信号 W 的相似程度为:根据相似度的值就可以判断图像中是否含有水印，从而达到版权保护的目的。判定准则为:NC 值越大表明 W*与 W 越相像，当然 NC 值的大小并不是绝对代表还原后的水印质量的好坏，仍然需要通过人眼辅助加以判别。4 实验结果 利用 Matlab 对上述算法进行有效性实验，实验选用384384 的 Lena 彩色图像和土家织锦图像(见图 6(a)对水印的鲁棒性进行验证，图 6(b)是嵌入水印后的图像，图 6(c)和图 6(d)是提取的二值水印图像。可以看出，水印隐蔽性很好，视觉上嵌入水印的图像与原始载体图像之间的差别不大，提取的水印效果好。为了对比，下面给出该算法的鲁棒性测试结果。图 6 水印嵌入及提取实验 实验 1 为抗滤波攻击的鲁棒性测试。图 7(a)为对含水印的图像进行高斯低通滤波攻击下检测到的数字水印信息图像;图 7(b)为提取出的水印。实验表明，该算法对滤波攻击具有较强的鲁棒性。图 7 抗滤波攻击实验 实验 2 为抗剪切攻击的鲁棒性测试。图 8(a)和图 8(c)为对嵌入水印后的图像分别剪切左上角 1/8 和中心 1/8 后的图像;图 8(b)和图 8(d)分别为提取出的水印。实验表明，不同位置对图像进行剪切，在面积不是很大时，提取的水印效果好。图 8 抗剪切攻击实验 实验 3 为抗噪声攻击的鲁棒性测试。图 9(a)为对嵌入水印后的图像加入高斯噪声的图像;图 9(b)为提取出的水印。实验表明，该算法对噪声攻击具有较强的鲁棒性。图 9 抗噪声攻击实验 5 结论 水印系统健壮性的评估是以水印图像在经历各种攻击后是否能够检测出水印为依据。对嵌入水印的图像进行攻击，测试是否能够成功地从图像中检测出水印的存在。实验结果表明，给出的基于混沌特性的彩色图像数字水印算法嵌入的水印图像与原始图像在视觉上没有区别，在抵抗滤波、剪切和噪声攻击方面都具备较强的鲁棒性。参考文献:1 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