基于像素不扩展视觉密码的水印算法

李春艳

（红河学院工学院，云南蒙自661199）

基于像素不扩展视觉密码的水印算法

李春艳

（红河学院工学院，云南蒙自661199）

为了提高水印容量和鲁棒性，提出了基于像素不扩展视觉密码方案的盲水印算法。首先对二值水印图像进行置乱，去除图像的像素相关性。然后，利用像素不扩展的（2，2）视觉密码的基本矩阵修改载体图像的低位以嵌入水印信息。实验结果表明算法对多种图像处理具有良好的鲁棒性，且实现简单，水印容量大，是一种简单可靠的水印算法。

像素不扩展；视觉密码；基本矩阵；最不重要位

数字水印技术是使用某种算法将水印信息隐藏在媒体中，以此来证明所有者对作品的版权。随着计算机的迅速发展，数字产品的版权保护技术逐渐成为当前的研究热点。目前水印的算法主要集中为两种：即空域法和变换域法。空域法是指不对载体图像进行变换，直接在图像中嵌入水印的算法；变换域法是指对载体图像进行一定的变换后，再将水印信息嵌入，之后通过逆变换得到图像。总的来讲变换域算法具有较强的鲁棒性，但算法复杂，实现困难；而空域法算法简单，实现容易，但水印鲁棒性稍逊一筹。文献〔1〕对载体图像做小波变换和奇异值分解后，利用提取的特征信息生成零水印。文献〔2〕通过修改图像的最不重要位嵌入水印信息，文献〔3〕利用视觉密码构造零水印。这种算法水印嵌入量大，实现简单，对旋转攻击具有良好的鲁棒性；但由于该算法提取水印时需要考虑多位不重要位的取值，因此当图像受到压缩、剪切等图像处理攻击时，水印信息受到很大破坏，很大程度上影响提取水印的质量。为此本文提出了基于像素不扩展视觉密码的水印算法，算法利用像素不扩展视觉密码的基本矩阵，部分修改载体图像的最不重要位，提取水印时通过比较最不重要位的取值即可得到水印信息。本文算法简单，运算量小，嵌入的水印数据量大，具有良好的抗攻击能力。

1 像素不扩展视觉密码

1.1 视觉密码视觉密码理论（VisualCryptography Scheme，VCS）是在欧洲密码学会议上提出的〔4〕。对于（k，n）的视觉密码方案，其加密过程相当于用m个黑白子像素来代替秘密图像P中的1个元素，P中所有元素被替换后就得到一幅拉宽了m倍的分享图像。重复上述操作即可得到秘密图像P的n幅分享图像（影子图像）。解密时只需将n幅影子图像中的任意k幅进行叠加，用人眼即可辨认出秘密信息来。视觉密码与传统密码学相比具有运算量小、解密简单等优势。

1.2 像素不扩展视觉密码方案在VCS方案中分享图像和叠加图像的对比度较低，为了解决像素膨胀，C.N.Yang利用恢复图像中黑白像素在黑色或白色区域出现的概率不同，提出了像素不扩展的视觉密码方案。该方案仍使用基本加密矩阵S0和S1，加密时当原图像为白色像素时，从S0中随机选取一列，得到向量，再把v中的元素vi分配给第i个分享图像。当原图像为黑色像素时，从S1中随机取一列作相同的处理即可。

对于（2，2）门限视觉密码方案，基本加密矩阵S0和S1，见公式（1）：

对白色像素加密时从S0中随机选取一列，得到向量v=（1，1）T或v=（0，0）T，把v中的元素v1分配给第1个分享图像，v2分配给第2个分享图像。对黑色像素加密时从S1中随机选取一列，得到向量v=（1，0）T或v=（0，1）T，同样把元素v1分配给第1个分享图像，v2分配给第2个分享图像。加密规则见表1。

表1 加密规则

2 水印的嵌入和检测

算法首先将载体图像I（M×N）中的每个像素值（0～255）转换成8位二进制数的形式（0000 0000～1111 1111），然后利用置乱技术将水印图像W（X× Y）置乱，得到置乱后的图像W`（X×Y），最后根据W的取值和公式（1）来修改载体图像的低位以嵌入水印。即W=0时，从矩阵S1中选取一列（（1，0）T或（0，1）T）修改载体图像第3位和第4位的值；W=1时，从矩阵S0中选取一列（（1，1）T或（0，0）T）修改载体图像第3位和第4位的值。水印的具体嵌入和提取过程如下。

2.1 水印的嵌入（1）将载体图像I中的每个像素值（0～255）转换成8位二进制数的形式（0000 0000～1111 1111）。像素对应的二进制为：

（2）使用置乱技术将水印图像W（X×Y）置乱，并转化为一维数据形式。

（3）为了减少对载体图像的修改，使用表2中所示的方法修改载体图像I中每个像素的第3位，即实现水印信息的嵌入。

表2 操作方法

2.2 水印的提取（1）将载体图像I`中的每个像素值（0～255）转换成8位二进制数的形式（0000 0000～1111 1111）。

（2）取出载体图像I`中第1个像素的第4位和第3位（即X4和X3），对X4和X3进行异或操作（即X4⊕X3），若X4⊕X3=0，则W=1；否则W=0。重复该操作即可将所有水印信息提取出。

（3）对提取的水印信息进行还原并恢复，得到提取水印W`。

3 实验仿真结果

本文用256*256的lena.jpg为载体图像，256* 256的二值图像hhxy.bmp为水印。水印的鲁棒性是衡量数字水印的重要指标之一，此处用归一化相似度NC（见公式2）作为提取水印与原水印相似度的度量。公式中W`表示提取的水印图像。嵌入水印后的图像见图1（a）；从中提取的水印图像见图2（b）。

图1 嵌入水印后的图像和提取的水印图像

3.1 常规图像处理本文对含水印的图像分别进行加性噪声、滤波、JPEG压缩、缩放、剪切等攻击，实验结果见表3。

表3 常规图像处理

3.2 算法鲁棒性分析本算法嵌入水印时，通过部分修改载体图像的一位不重要位实现。由于像素的主要能量集中在高位，不重要位的修改对图像的质量不会有较大影响，因此算法具有良好的安全性和抗攻击能力。从表3中也可看出算法的优越性。文献5通过修改像素低三位中某一位的取值嵌入水印，提取水印时利用低三位的取值关系获得水印，所以当载体图像遭受诸如压缩或剪切攻击时，水印的鲁棒性有待进一步提高。

4 结论

本文利用像素不扩展视觉密码方案，通过部分修改载体图像的不重要位以嵌入水印信息；提取时利用像素低位的取值关系获得水印〔6-7〕。部分修改提高了载体图像的峰值信噪比，选取不重要位嵌入水印提高了水印的鲁棒性和安全性。算法实现简单，水印容量较大，对常规图像处理攻击具有较强的鲁棒性。

〔1〕曲长波，杨晓陶，袁铎宁.小波域视觉密码零水印算法〔J〕.中国图像图形学报，2014，19（3）：365-372.

〔2〕何冰.基于LSB的抗旋转攻击鲁棒性数字水印算法〔J〕.系统仿真技术，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，鲁晓颖，牟晓丽，等.具有伪装图像像素不扩展的（2，2）视觉密码方案〔J〕.吉林大学学报，2013，31（3）：297-301.

〔6〕王敏.基于准循环LDPC码的数字图像水印技术研究〔J〕.云南师范大学学报（自然科学版），2010，30（4）：43-46.

〔7〕李春艳.基于MSB的视觉密码零水印算法〔J〕.大理学院学报，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

（责任编辑袁霞）

2016-10-28

2017-05-05

李春艳，讲师，主要从事数字水印、物联网安全研究.