基于混沌置亂的軍工圖像數(shù)字水印算法

王洪蘭

（湖南科技工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭 411207）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字媒體的傳播和使用等信息安全問(wèn)題成為越來(lái)越突出的問(wèn)題，尤其在軍事和國(guó)家安全等對(duì)信息的安全性和保密性有更高要求的領(lǐng)域，其前景越來(lái)越廣闊。國(guó)有大型軍工骨干企業(yè)江南工業(yè)集團(tuán)有限公司所生產(chǎn)的設(shè)施圖紙（圖像）就涉及到了保密問(wèn)題，因此，如何能夠保證圖像（圖紙）方便使用又能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，已成為公司迫切解決的問(wèn)題之一。基于上述考慮，文中提出了一種基于混沌置亂的軍工圖像數(shù)字水印算法。該算法是將水印圖像進(jìn)行Arnold置亂及l(fā)ogistic混沌加密預(yù)處理，然后將水印圖像和原始圖像同時(shí)進(jìn)行三級(jí)小波變換，最后將加密后的水印圖像嵌入到原始圖像中去，實(shí)現(xiàn)圖像水印的嵌入。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法不僅具有較好的隱藏性，同時(shí)也具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 混沌系統(tǒng)和Arnold置亂

1.1 混沌系統(tǒng)

文中采用Logistic映射對(duì)經(jīng)過(guò)置亂后的水印圖像進(jìn)行預(yù)處理。Logistic映射是一類簡(jiǎn)單卻被廣泛研究的混沌動(dòng)力系統(tǒng)。用非線性差分方程描述如下：

其中為0≤u≤4分支系數(shù)，x(n)∈(0,1)。當(dāng)3.5699459＜u≤4時(shí)，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)。也就是說(shuō)，由初始條件 x0在Logistic映射的作用下所產(chǎn)生的序列 x 0，x1,……,xn 是非周期、不收斂的并對(duì)初始值非常敏感。

1.2 Arnold置亂

Arnold置亂是一種改變圖像像素的相互位置關(guān)系，降低圖像相關(guān)性，從而達(dá)到保密圖像為目的的圖像加密方法。Arnold變換公式為：

其中，N是矩陣的大小， ),( yx 和 ),(''yx 表示像素點(diǎn)在變換前后的位置，其實(shí)質(zhì)為一種點(diǎn)的位置移動(dòng)。Arnold變換具有周期性,其算法易于實(shí)現(xiàn)，置亂次數(shù)可為隱藏系統(tǒng)提供密鑰，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和保密性。

2 DWT域數(shù)字水印算法

2.1 水印的生成

這里的原始水印圖像使用32*32的二值圖像如圖2所示。利用Arnold變換對(duì)圖像進(jìn)行置亂，置亂145次后的圖像如圖3所示，同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于32*32的二值圖像，經(jīng)過(guò)192次Arnold變換后恢復(fù)到原圖像如圖4所示。再次，使用Logistic混沌技術(shù)生成一個(gè)混沌序列，將其加入到Arnold置亂后的水印圖像中去，形成水印圖像如圖5所示。

圖2 原始水印圖像

圖3 置亂145次后的圖像

圖4 置亂192次后的圖像

圖5 水印圖像

2.2 水印的嵌入與提取

水印嵌入過(guò)程的具體算法如下：

Step1：將使用Logistic混沌技術(shù)生成的混沌序列加入到經(jīng)過(guò)Arnold置亂后的原始水印圖像中形成水印圖像。

Step2：對(duì)水印圖像和原始圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解，將水印圖形的各個(gè)圖像子圖按行掃描順序依次嵌入原始圖像同一分辨率層的各個(gè)子圖。

Step3：按（3）式嵌入水印信號(hào)。（3）式中：I表示原始圖像；α表示嵌入強(qiáng)度；W表示水印圖像；I'含水印圖像。

Step4：重新拼裝子圖塊形成完整的圖像，進(jìn)行IDWT變換，就可生成嵌入水印后圖像。

水印的提取過(guò)程就是把水印的嵌入過(guò)程逆向操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用256×256的軍工產(chǎn)品圖像junpin.tif圖像作為原始圖像進(jìn)行嵌入水印信息。原始圖像、嵌入水印后的圖像如圖7所示。

圖7 水印嵌入實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)含水印圖像進(jìn)行JPEG壓縮、高斯噪聲、椒鹽噪聲、剪切等攻擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有較強(qiáng)的魯棒性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于Logistic混沌映射和Arnold置亂變換的DWT數(shù)字圖像水印算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水印圖像的嵌入。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法不僅具有較好的隱藏性，同時(shí)也具有較強(qiáng)的魯棒性，在實(shí)際軍工圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] Cox I J. Secure Spread Spectrum Watermarking for Multimedia[J]. IEEE Transactions on Image Processing. 1997, 6(12): 1673:1687

[2] 孫圣和, 陸哲明, 牛夏牧等. 數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社. 2004

[3] 王洪蘭. 一種基于混沌和置亂的DCT域圖像數(shù)字水印算法[J]. 2012,9(28):399-401

[4] 王艷敏, 高玉喜. 基于置亂算法的小波域圖像水印算法[J]. 吉林工商學(xué)院學(xué)報(bào). 2012,28(2): 104-106

[5] 陳善學(xué), 彭娟, 李方偉. 基于二維Logistic混沌映射的DWT數(shù)字水印算法[J]. 2012,24(4): 495-499

[6] 寧啟智,王濤,張文才.基于Arnold置亂的圖像數(shù)字水印算法[J].軟件導(dǎo)刊.2012,11(1):34-36

[7] 趙學(xué)軍,魏才惠,衛(wèi)鑫等.基于混沌與Arnold變換的小波域數(shù)字水印[J].影像技術(shù).2011,1(1):19-23