基于像素不擴展視覺密碼的水印算法

李春艷

（紅河學院工學院，云南蒙自661199）

基于像素不擴展視覺密碼的水印算法

李春艷

（紅河學院工學院，云南蒙自661199）

為了提高水印容量和魯棒性，提出了基于像素不擴展視覺密碼方案的盲水印算法。首先對二值水印圖像進行置亂，去除圖像的像素相關性。然后，利用像素不擴展的（2，2）視覺密碼的基本矩陣修改載體圖像的低位以嵌入水印信息。實驗結果表明算法對多種圖像處理具有良好的魯棒性，且實現簡單，水印容量大，是一種簡單可靠的水印算法。

像素不擴展；視覺密碼；基本矩陣；最不重要位

數字水印技術是使用某種算法將水印信息隱藏在媒體中，以此來證明所有者對作品的版權。隨著計算機的迅速發展，數字產品的版權保護技術逐漸成為當前的研究熱點。目前水印的算法主要集中為兩種：即空域法和變換域法。空域法是指不對載體圖像進行變換，直接在圖像中嵌入水印的算法；變換域法是指對載體圖像進行一定的變換后，再將水印信息嵌入，之后通過逆變換得到圖像。總的來講變換域算法具有較強的魯棒性，但算法復雜，實現困難；而空域法算法簡單，實現容易，但水印魯棒性稍遜一籌。文獻〔1〕對載體圖像做小波變換和奇異值分解后，利用提取的特征信息生成零水印。文獻〔2〕通過修改圖像的最不重要位嵌入水印信息，文獻〔3〕利用視覺密碼構造零水印。這種算法水印嵌入量大，實現簡單，對旋轉攻擊具有良好的魯棒性；但由于該算法提取水印時需要考慮多位不重要位的取值，因此當圖像受到壓縮、剪切等圖像處理攻擊時，水印信息受到很大破壞，很大程度上影響提取水印的質量。為此本文提出了基于像素不擴展視覺密碼的水印算法，算法利用像素不擴展視覺密碼的基本矩陣，部分修改載體圖像的最不重要位，提取水印時通過比較最不重要位的取值即可得到水印信息。本文算法簡單，運算量小，嵌入的水印數據量大，具有良好的抗攻擊能力。

1 像素不擴展視覺密碼

1.1 視覺密碼視覺密碼理論（VisualCryptography Scheme，VCS）是在歐洲密碼學會議上提出的〔4〕。對于（k，n）的視覺密碼方案，其加密過程相當于用m個黑白子像素來代替秘密圖像P中的1個元素，P中所有元素被替換后就得到一幅拉寬了m倍的分享圖像。重復上述操作即可得到秘密圖像P的n幅分享圖像（影子圖像）。解密時只需將n幅影子圖像中的任意k幅進行疊加，用人眼即可辨認出秘密信息來。視覺密碼與傳統密碼學相比具有運算量小、解密簡單等優勢。

1.2 像素不擴展視覺密碼方案在VCS方案中分享圖像和疊加圖像的對比度較低，為了解決像素膨脹，C.N.Yang利用恢復圖像中黑白像素在黑色或白色區域出現的概率不同，提出了像素不擴展的視覺密碼方案。該方案仍使用基本加密矩陣S0和S1，加密時當原圖像為白色像素時，從S0中隨機選取一列，得到向量，再把v中的元素vi分配給第i個分享圖像。當原圖像為黑色像素時，從S1中隨機取一列作相同的處理即可。

對于（2，2）門限視覺密碼方案，基本加密矩陣S0和S1，見公式（1）：

對白色像素加密時從S0中隨機選取一列，得到向量v=（1，1）T或v=（0，0）T，把v中的元素v1分配給第1個分享圖像，v2分配給第2個分享圖像。對黑色像素加密時從S1中隨機選取一列，得到向量v=（1，0）T或v=（0，1）T，同樣把元素v1分配給第1個分享圖像，v2分配給第2個分享圖像。加密規則見表1。

表1 加密規則

2 水印的嵌入和檢測

算法首先將載體圖像I（M×N）中的每個像素值（0～255）轉換成8位二進制數的形式（0000 0000～1111 1111），然后利用置亂技術將水印圖像W（X× Y）置亂，得到置亂后的圖像W`（X×Y），最后根據W的取值和公式（1）來修改載體圖像的低位以嵌入水印。即W=0時，從矩陣S1中選取一列（（1，0）T或（0，1）T）修改載體圖像第3位和第4位的值；W=1時，從矩陣S0中選取一列（（1，1）T或（0，0）T）修改載體圖像第3位和第4位的值。水印的具體嵌入和提取過程如下。

2.1 水印的嵌入（1）將載體圖像I中的每個像素值（0～255）轉換成8位二進制數的形式（0000 0000～1111 1111）。像素對應的二進制為：

（2）使用置亂技術將水印圖像W（X×Y）置亂，并轉化為一維數據形式。

（3）為了減少對載體圖像的修改，使用表2中所示的方法修改載體圖像I中每個像素的第3位，即實現水印信息的嵌入。

表2 操作方法

2.2 水印的提取（1）將載體圖像I`中的每個像素值（0～255）轉換成8位二進制數的形式（0000 0000～1111 1111）。

（2）取出載體圖像I`中第1個像素的第4位和第3位（即X4和X3），對X4和X3進行異或操作（即X4⊕X3），若X4⊕X3=0，則W=1；否則W=0。重復該操作即可將所有水印信息提取出。

（3）對提取的水印信息進行還原并恢復，得到提取水印W`。

3 實驗仿真結果

本文用256*256的lena.jpg為載體圖像，256* 256的二值圖像hhxy.bmp為水印。水印的魯棒性是衡量數字水印的重要指標之一，此處用歸一化相似度NC（見公式2）作為提取水印與原水印相似度的度量。公式中W`表示提取的水印圖像。嵌入水印后的圖像見圖1（a）；從中提取的水印圖像見圖2（b）。

圖1 嵌入水印后的圖像和提取的水印圖像

3.1 常規圖像處理本文對含水印的圖像分別進行加性噪聲、濾波、JPEG壓縮、縮放、剪切等攻擊，實驗結果見表3。

表3 常規圖像處理

3.2 算法魯棒性分析本算法嵌入水印時，通過部分修改載體圖像的一位不重要位實現。由于像素的主要能量集中在高位，不重要位的修改對圖像的質量不會有較大影響，因此算法具有良好的安全性和抗攻擊能力。從表3中也可看出算法的優越性。文獻5通過修改像素低三位中某一位的取值嵌入水印，提取水印時利用低三位的取值關系獲得水印，所以當載體圖像遭受諸如壓縮或剪切攻擊時，水印的魯棒性有待進一步提高。

4 結論

本文利用像素不擴展視覺密碼方案，通過部分修改載體圖像的不重要位以嵌入水印信息；提取時利用像素低位的取值關系獲得水印〔6-7〕。部分修改提高了載體圖像的峰值信噪比，選取不重要位嵌入水印提高了水印的魯棒性和安全性。算法實現簡單，水印容量較大，對常規圖像處理攻擊具有較強的魯棒性。

〔1〕曲長波，楊曉陶，袁鐸寧.小波域視覺密碼零水印算法〔J〕.中國圖像圖形學報，2014，19（3）：365-372.

〔2〕何冰.基于LSB的抗旋轉攻擊魯棒性數字水印算法〔J〕.系統仿真技術，2010，6（4）：304-307.

〔3〕ABUSITTA AH.AVisualCryptography Based DigitalImage Copyright Protection〔J〕.Journal of Information Security，2012，3（2）：96-104.

〔4〕ANDREAS K，MARKUS W.Extended visual cryptography schemes〔J〕.Information and Computation，2007，1（205）：716-732.

〔5〕王洪君，魯曉穎，牟曉麗，等.具有偽裝圖像像素不擴展的（2，2）視覺密碼方案〔J〕.吉林大學學報，2013，31（3）：297-301.

〔6〕王敏.基于準循環LDPC碼的數字圖像水印技術研究〔J〕.云南師范大學學報（自然科學版），2010，30（4）：43-46.

〔7〕李春艷.基于MSB的視覺密碼零水印算法〔J〕.大理學院學報，2015，14（12）：26-29.

A DigitalWatermarking Algorithm based on Image Size Invariant VisualCryptography

LiChunyan
（Engineering Institute,Honghe University,Mengzi,Yunnan 661199，China）

In order to increase the capacity and robustness of watermarking,this paper presents a digital watermarking algorithm based on image size invariant visual cryptography.Firstly,the watermark of binary image is scrambled in order to reduce the pixel correlation.Then the low bit of carrier image is altered by using basic matrix of（2,2）visual cryptography scheme and watermark value.Experimental results show the algorithm has better robustness performance under image processing attack.The method is accomplished easily and the embedded data is larger.Itis a simple and reliable watermarking algorithm.

image size invariant;visualcryptography;basic matrix;leastsignificantbit

TP301.6

A

2096-2266（2017）06-0019-03

10.3969∕j.issn.2096-2266.2017.06.005

（責任編輯袁霞）

2016-10-28

2017-05-05

李春艷，講師，主要從事數字水印、物聯網安全研究.