STDM加密技术在Android平台通讯中的应用

王宝珠，尚金金

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

机械化的今天一些工程施工中往往会出现体积庞大的机器设备故障或者现场工程问题，使得相关技术人员无法及时亲临解决，这时候将这些现场情况取景以图片形式远距离传送就十分必要了。本文在搭建基于Android的跨平台通信系统之后，考虑到工程实际中相关图片可能涉及一些技术保密问题或者对取景图片有特殊要求，为保证此类图片在特定平台传输的安全性、可靠性，故此应用基于STDM的数字水印技术和Arnold变换、DWT变换对原始图像进行水印加密。Sun公司开发出许多图像处理I/Opackage，但它们在做扩频数字水印时存在一定缺陷，作者在调用现有数据包的同时加以改进，打包成自定义的“扩频水印包”，封装之后将一套集成图像加密、数据传送的UI加载到了Android客户端。图像的数字化传输赋予了数字水印技术在变换域的实现可能。数字化图像以二进制形式进行保存，变化和传输更易于操作，同样也更易于被截取和篡改，因此在考虑数字水印嵌入时应首先考虑其应具有良好的稳健性，可以很好的抵御各种类型的攻击[1]；同时在水印提取时应保证密钥的易于提取和图像的低差错率，本文选择研究基于扩频的数字水印技术。

1 数字水印的嵌入与提取

1.1 水印位置的选取

水印的嵌入位置除了要考虑安全性还要考虑对载体质量的影响，对同一级小波变换后的图像，由多分辨率分析的思想可知，低频子带对图像是最为重要的，有损压缩、低通滤波、图像缩放等操作都不会对这一部分数据造成太大的影响，考虑到水印的鲁棒性，应将水印信息嵌入到图像频域分解后的低频子带为好[2]。根据对HVS特性的研究可知考虑到水印的不可见性，水印应该尽量嵌入高频子带[3]。为了解决这一矛盾，又为了实现水印图像的盲检测，我们选择在载体低、高频分别嵌入水印的方案。

1.2 小波变换低、高频分量提取

分解算法：

1.3 低频水印嵌入

低频域水印嵌入在密钥设计时采用多次arnold 置乱加密，具体步骤如下：

1）提取载体图像L级变换系数，作为小波系数；

2）对水印图像进行arnold 置乱加密，对水印图像做M次arnold变换，即

得到置乱后的水印图像。并进行I级Db1分解[5]；

3）水印嵌入：

f(p,q)为原小波系数，f'(p,q)为嵌入水印后的小波系数；θ=1,2,3分别表示低频、水平、垂直和对角线方向的小波系数；a,b表示印嵌入的强度,取值要由具体的水印和原始图像决定,并要在水印的不可见性与鲁棒性之间权衡[6]。

1.4 高频水印嵌入

高频域水印嵌入时采用基于正交水印向量的STDM技术，下面先介绍STDM技术具体做法，如图1所示。

图1 基于正交水印向量的STDM技术原理图Fig. 1 STDM technological principle Based on the orthogonal watermarking vector

S为水印向量，I为S的正交向量，H为S与I的和向量，X为载体向量，“×”为向量的叉乘运算，“||*||2”表示取L-2范数，D代表抖动量。XP是载体向量在水印向量上的投影，QDM根据需嵌入的水印信息Z去调制XP，得到K信息后与T-X向量加法合成即为嵌入水印后的图像Y。扩展变换抖动调制(STDM)是基于量化索引调制的一类改良技术，利用抖动调制基本逻辑门去调制载体在水印变换信息向量上的投影来嵌入水印[7]。如下图，“○”和“×”分别代表按不同准则提取的载体信息特征点，Z代表水印的二值信息，为一个变化参量，可赋值0或1 ，Q0和Q1分别表示两组量化器。

在水印嵌入时，根据水印的位信息，抖动调制器使用Q0和Q1选择将载体特征点量化到合适的特征点上去[8]。如图2所示：

图2 抖动调制原理图Fig. 2 Dither modulation

调制输出信号：

推导过程如下：

其中抖动信号D必须与嵌入时完全一致，在加密解密过程中抖动量D作为密钥。检测时通过判断离来提取水印信息位[9]。

2 实验结果与分析

鉴于小波技术现阶段比较成熟，本文主要针对高频域水印进行测试，作者选择一幅“荷花”的64×64的彩色图像做水印，将该水印图像嵌入到载体图像为256×256的“水果”彩图中。得到的嵌入水印后的图像经过搭建的特定Android平台传输后，在接收端提取出水印图像，并做了一下对含水印图像攻击后，得到的水印图像及相应的峰值信噪比PSNR和归一化相关系NC数值。下面将测试图像制表进行对比分析：

表1 JPEG压缩攻击水印图像测试参数配置Tab.1 Compression attack watermarking image test parameter configuration

图3 JPEG压缩攻击水印提取图像Fig. 3 Compression attack watermarking extract image

表2 高斯噪声攻击水印图像测试参数配置Tab.2 Gauss noise attack watermarking image test parameter configuration

图4 高斯噪声攻击水印提取图像Fig. 4 Gauss noise attack watermarking extract image

表3 椒盐噪声攻击水印图像测试参数配置Tab.3 The salt and pepper noise attack watermarking image test parameter

图5 椒盐噪声攻击水印提取图像Fig. 5 The salt and pepper noise attack watermarking extract image

表4 旋转攻击水印图像测试参数配置Tab.4 Whirling attack watermarking image test parameter confi guration

图6 旋转攻击水印提取图像Fig. 6 Whirling attack watermarking extract image

试验结果表明，该技术具有很好的透明性，且提取出水印峰值信噪比PSNR为37.706 0，隐蔽特性较好，提取出的水印和原始水印的相似度为0.973 2。相比于高斯噪声、椒盐噪声等，JPEG压缩攻击有非常好的鲁棒性。但对旋转攻击的鲁棒性太差，该技术有待于进一步改进。

3 结束语

文中在研究STDM技术的基础上，在载体图像低频域嵌入小波水印后，在高频域应用改进的STDM技术嵌入水印。水印图像经专用的Android图像传输平台传输后，作者对水印图像进行了多种攻击性测试，结果表明水印图像透明性、隐蔽性都比较好，但鲁棒性对部分攻击尚有待改进。

[1] HUANG J W,SHI Y Q.Embedding image watermarks in DC components[J]. EEE Transactions on Circuits and System for Video Technology,2000,10(6):974-979．

[2] 钮心忻.信息隐藏与数字水印[M]. 北京:北京邮电大学出版社,2004.

[3]孙圣和,陆哲明,牛夏牧等.数字水印技术及应用[M]. 北京:科学出版社,2004:458.

[4] 孙燮华.数字图像处理-Java编程与实践[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[5] 司银女，康宝生.基于改进的Amold变换的数字图像置乱[J].计算机技术与发展,2008(2):74-79.SI Yin-nv,KANG Bao - sheng. The digital image scrambling based onimproved Amold transform [J] .Computer Technology and Development,2008(2):74-79.

[6] 龚岩.图像数字水印技术研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[7]肖俊,王颖.自适应抖动调制图像水印算法[J]. 电子与信息学报,2009,31(3):552-555.XIAO Jun,WANG Ying.Adaptive dither modulation image watermarking algorithm[J].Journal of Electronics＆ Information Technology,2009,31(3):552-555.

[8] Chen.B, and Wormell.G,Quantization index modulation:a class of Provably good methods for digital watermarking and information emb-edding[J].IEEE Transaetion on information Theory,2001,47(4):1423-1443.

[9] Moulin P, Koetter R. Data hiding codes [J].IEEE Proeeedings,2005,93(12):2083-2126.