STDM加密技術(shù)在Android平臺通訊中的應(yīng)用

王寶珠，尚金金

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

機(jī)械化的今天一些工程施工中往往會(huì)出現(xiàn)體積龐大的機(jī)器設(shè)備故障或者現(xiàn)場工程問題，使得相關(guān)技術(shù)人員無法及時(shí)親臨解決，這時(shí)候?qū)⑦@些現(xiàn)場情況取景以圖片形式遠(yuǎn)距離傳送就十分必要了。本文在搭建基于Android的跨平臺通信系統(tǒng)之后，考慮到工程實(shí)際中相關(guān)圖片可能涉及一些技術(shù)保密問題或者對取景圖片有特殊要求，為保證此類圖片在特定平臺傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃裕蚀藨?yīng)用基于STDM的數(shù)字水印技術(shù)和Arnold變換、DWT變換對原始圖像進(jìn)行水印加密。Sun公司開發(fā)出許多圖像處理I/Opackage，但它們在做擴(kuò)頻數(shù)字水印時(shí)存在一定缺陷，作者在調(diào)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)包的同時(shí)加以改進(jìn)，打包成自定義的“擴(kuò)頻水印包”，封裝之后將一套集成圖像加密、數(shù)據(jù)傳送的UI加載到了Android客戶端。圖像的數(shù)字化傳輸賦予了數(shù)字水印技術(shù)在變換域的實(shí)現(xiàn)可能。數(shù)字化圖像以二進(jìn)制形式進(jìn)行保存，變化和傳輸更易于操作，同樣也更易于被截取和篡改，因此在考慮數(shù)字水印嵌入時(shí)應(yīng)首先考慮其應(yīng)具有良好的穩(wěn)健性，可以很好的抵御各種類型的攻擊[1]；同時(shí)在水印提取時(shí)應(yīng)保證密鑰的易于提取和圖像的低差錯(cuò)率，本文選擇研究基于擴(kuò)頻的數(shù)字水印技術(shù)。

1 數(shù)字水印的嵌入與提取

1.1 水印位置的選取

水印的嵌入位置除了要考慮安全性還要考慮對載體質(zhì)量的影響，對同一級小波變換后的圖像，由多分辨率分析的思想可知，低頻子帶對圖像是最為重要的，有損壓縮、低通濾波、圖像縮放等操作都不會(huì)對這一部分?jǐn)?shù)據(jù)造成太大的影響，考慮到水印的魯棒性，應(yīng)將水印信息嵌入到圖像頻域分解后的低頻子帶為好[2]。根據(jù)對HVS特性的研究可知考慮到水印的不可見性，水印應(yīng)該盡量嵌入高頻子帶[3]。為了解決這一矛盾，又為了實(shí)現(xiàn)水印圖像的盲檢測，我們選擇在載體低、高頻分別嵌入水印的方案。

1.2 小波變換低、高頻分量提取

分解算法：

1.3 低頻水印嵌入

低頻域水印嵌入在密鑰設(shè)計(jì)時(shí)采用多次arnold 置亂加密，具體步驟如下：

1）提取載體圖像L級變換系數(shù)，作為小波系數(shù)；

2）對水印圖像進(jìn)行arnold 置亂加密，對水印圖像做M次arnold變換，即

得到置亂后的水印圖像。并進(jìn)行I級Db1分解[5]；

3）水印嵌入：

f(p,q)為原小波系數(shù)，f'(p,q)為嵌入水印后的小波系數(shù)；θ=1,2,3分別表示低頻、水平、垂直和對角線方向的小波系數(shù)；a,b表示印嵌入的強(qiáng)度,取值要由具體的水印和原始圖像決定,并要在水印的不可見性與魯棒性之間權(quán)衡[6]。

1.4 高頻水印嵌入

高頻域水印嵌入時(shí)采用基于正交水印向量的STDM技術(shù)，下面先介紹STDM技術(shù)具體做法，如圖1所示。

圖1 基于正交水印向量的STDM技術(shù)原理圖Fig. 1 STDM technological principle Based on the orthogonal watermarking vector

S為水印向量，I為S的正交向量，H為S與I的和向量，X為載體向量，“×”為向量的叉乘運(yùn)算，“||*||2”表示取L-2范數(shù)，D代表抖動(dòng)量。XP是載體向量在水印向量上的投影，QDM根據(jù)需嵌入的水印信息Z去調(diào)制XP，得到K信息后與T-X向量加法合成即為嵌入水印后的圖像Y。擴(kuò)展變換抖動(dòng)調(diào)制(STDM)是基于量化索引調(diào)制的一類改良技術(shù)，利用抖動(dòng)調(diào)制基本邏輯門去調(diào)制載體在水印變換信息向量上的投影來嵌入水印[7]。如下圖，“○”和“×”分別代表按不同準(zhǔn)則提取的載體信息特征點(diǎn)，Z代表水印的二值信息，為一個(gè)變化參量，可賦值0或1 ，Q0和Q1分別表示兩組量化器。

在水印嵌入時(shí)，根據(jù)水印的位信息，抖動(dòng)調(diào)制器使用Q0和Q1選擇將載體特征點(diǎn)量化到合適的特征點(diǎn)上去[8]。如圖2所示：

圖2 抖動(dòng)調(diào)制原理圖Fig. 2 Dither modulation

調(diào)制輸出信號：

推導(dǎo)過程如下：

其中抖動(dòng)信號D必須與嵌入時(shí)完全一致，在加密解密過程中抖動(dòng)量D作為密鑰。檢測時(shí)通過判斷離來提取水印信息位[9]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鑒于小波技術(shù)現(xiàn)階段比較成熟，本文主要針對高頻域水印進(jìn)行測試，作者選擇一幅“荷花”的64×64的彩色圖像做水印，將該水印圖像嵌入到載體圖像為256×256的“水果”彩圖中。得到的嵌入水印后的圖像經(jīng)過搭建的特定Android平臺傳輸后，在接收端提取出水印圖像，并做了一下對含水印圖像攻擊后，得到的水印圖像及相應(yīng)的峰值信噪比PSNR和歸一化相關(guān)系NC數(shù)值。下面將測試圖像制表進(jìn)行對比分析：

表1 JPEG壓縮攻擊水印圖像測試參數(shù)配置Tab.1 Compression attack watermarking image test parameter configuration

圖3 JPEG壓縮攻擊水印提取圖像Fig. 3 Compression attack watermarking extract image

表2 高斯噪聲攻擊水印圖像測試參數(shù)配置Tab.2 Gauss noise attack watermarking image test parameter configuration

圖4 高斯噪聲攻擊水印提取圖像Fig. 4 Gauss noise attack watermarking extract image

表3 椒鹽噪聲攻擊水印圖像測試參數(shù)配置Tab.3 The salt and pepper noise attack watermarking image test parameter

圖5 椒鹽噪聲攻擊水印提取圖像Fig. 5 The salt and pepper noise attack watermarking extract image

表4 旋轉(zhuǎn)攻擊水印圖像測試參數(shù)配置Tab.4 Whirling attack watermarking image test parameter confi guration

圖6 旋轉(zhuǎn)攻擊水印提取圖像Fig. 6 Whirling attack watermarking extract image

試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)具有很好的透明性，且提取出水印峰值信噪比PSNR為37.706 0，隱蔽特性較好，提取出的水印和原始水印的相似度為0.973 2。相比于高斯噪聲、椒鹽噪聲等，JPEG壓縮攻擊有非常好的魯棒性。但對旋轉(zhuǎn)攻擊的魯棒性太差，該技術(shù)有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)束語

文中在研究STDM技術(shù)的基礎(chǔ)上，在載體圖像低頻域嵌入小波水印后，在高頻域應(yīng)用改進(jìn)的STDM技術(shù)嵌入水印。水印圖像經(jīng)專用的Android圖像傳輸平臺傳輸后，作者對水印圖像進(jìn)行了多種攻擊性測試，結(jié)果表明水印圖像透明性、隱蔽性都比較好，但魯棒性對部分攻擊尚有待改進(jìn)。

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