基于數字水印的圖像加密技術?

徐草草 楊啟明 尹福成

（1.成都理工大學工程技術學院 樂山 614000）（2.中國移動樂山分公司 樂山 614000）（3.內江師范學院 內江 641000）

1 引言

隨著科學技術的進步，互聯網技術的飛速發展以及媒體資源的數字化，數字作品如圖像、視屏、音頻以及文件等的盜版問題日益凸顯［1～5］。數字水印技術成為打擊盜版的一個重要手段，進而數字水印技術成為重要的研究熱點［3～7］。數字水印是一種將可識別的數據嵌入到數字作品的技術，用人類的感覺器官（眼、耳）無法識別的，而使用專門的檢測軟件則可以識別的一項信息隱藏技術［8～11］。數字水印是數字內容的唯一標識，就像人類的身份證號碼一樣。即使數字內容被拷貝，編輯處理，加密等操作，數字水印仍然能夠保持不變，更重要的是數字水印對數字作品質量沒有任何影響［12～16］。因此它成為保護數字產品版權的重要手段。

文章利用影子圖像技術，將隱秘圖像進行置換后分別生成多幅影子圖像，利用LSB算法分別鑲嵌在不同的掩飾圖像中，最后再利用LSB方法提取出來隱秘圖像。整個過程中所產生的噪聲極低，沒有對掩飾圖像產生任何破壞性的損害，從而很難被發現。此外提取出來的隱秘圖像沒有遭到任何破壞，能極好地達到隱藏作用。

2 水印加密技術

2.1 影子圖像生成

把原圖像經過求Arnold變換的反函數從而求得置換圖像。Arnold變換的定義為

其中，(x,y)是原圖像的像素點，(x',y')是變換后新圖像的像素點，n是圖像階數，即圖像的大小，一般考慮正方形圖像（如圖1）。將置換后的圖像按照方案中提取碼得要求，經過影子變換后可以得到用于隱藏原始圖像的影子圖（見圖2）。

圖1 圖像的置換

圖2 產生影子圖像

2.2 數字水印的嵌入

其中⊕為某種疊加操作，也可能包含合適的截斷操作或量化操作。稱為2維水印嵌入掩碼。

圖3 水印的嵌入過程

圖4 掩飾圖像

圖5 載入影子圖像

圖像信噪比的度量

峰值信噪比（PSNR），一種評價圖像的客觀標準。它具有局限性，PSNR是“Peak Signal to Noise Ratio”的縮寫。peak的中文意思是頂點。而radio的意思是比率或比列的。整個意思就是到達噪音比率的頂點信號，PSNR一般是用于最大值信號和背景噪音之間的一個工程項目。通常在經過影像壓縮之后，輸出的影像通常都會有某種程度與原始影像不一樣。為了衡量經過處理后的影像品質，我們通常會參考PSNR值來認定某個處理程序夠不夠令人滿意。它是原圖像與處理圖像之間均方誤差相對于的對數值（信號最大值的平方，n是每個采樣值的比特數），它的單位是dB。PSNR值越大，就代表失真越少。公式如下:

表1 載入影子圖像與掩飾圖像的性噪比（PSNR）

2.3 數字水印的提取

水印的提取過程如圖6所示。在圖像解碼的過程中，色彩索引表中的每一個記錄將被調色板中的相應顏色替換。當遇到含有水印的記錄時，在顏色替換之前相應的水印被抽取。如果記錄值是奇數，表示嵌入的水印位是1，否則嵌入的水印位是0。抽取水印位通過DES解密過程解密（見圖7）。將提取出來的水印信息（影子圖片）經過Arnold反變換復原隱藏在加密圖像的水印圖像。Arnold反變換的推導過程如下。在該過程中，(x',y')和n是已知的，(x,y)是未知的，即我們所求的。Arnold變換的等價形式可以寫成:

這意味著存在 p,q∈Z（Z為整數），有

即

圖6 數字水印的提取過程

圖7 影子圖像提取

本來這是個病態方程組，但是在圖像處理的背景下，卻能得到它的唯一解，因為隱含著很多可以求解的條件。經過反變換可以復原隱藏的圖像。

圖8 影子圖像還原

3 結語

數字水印技術是近年來興起的一門較前沿的技術，還處在發展階段，沒有統一的國際標準，缺乏完善的軟件系統。但是數字水印技術作為信息加密技術的分支，在知識產權的保護方面有著廣泛的應用前景。LSB數字水印算法作為最早提出的數字水印算法，原理簡單，實現容易，掌握這一算法對于深入研究學習數字水印技術很有必要。利用Arnold變換改進后的LSB算法不但更加有效地無損隱藏圖像，同時還可以更加完整地保存隱藏圖像信息。