一种复合加密的小波变换图像数字水印技术研究

张晓琪 胡振 唐天国 张佳丽

摘 要 研究图像数字水印技术，水印图像预处理对整个水印系统安全性起到至关重要的作用。提出一种基于Arnold置乱对原始水印图像复合加密的方法，首先对水印图像进行Arnold位置置乱，在此基础上再进行Logistic混沌序列加密，使水印信息具有双重的保密性；其次利用小波变换技术分解载体图像，将复合加密的水印信息嵌入到高频子带中，使嵌有水印的图像具有良好的透明性和鲁棒性，通过仿真实验，获得性能较优的水印算法。

【关键词】数字水印 小波变换 复合加密 鲁棒性

随着网络技术的蓬勃发展以及信息媒体的日益数字化，多媒体信息的安全传输和数字产品的版权保护越来越引起人们的重视。为此，数字水印技术的研究与应用得到高度关注。数字水印技术是信息隐藏技术的重要分支，如今成为研究网络信息安全和数字媒体版权保护的热门话题。

本文采用了一种复合加密的小波变换图像数字水印算法，首先对水印信息进行复合加密预处理，即对水印图像进行Arnold置乱变换，然后再进行Logistic混沌序列加密，增强了水印信息的安全性； 其次通过小波变换分解载体图像，在高频子带嵌入复合加密的水印信息，实现水印的嵌入与提取，仿真实验，算法具有较好的不可见性，同时也具有较好的鲁棒性。

1 数字水印技术

数字水印技术，是指在不影响载体正常使用的条件下，将具有特殊意义的标识信息嵌入图像、声音、文档等数字多媒体作品中，达到版权保护的目的。并且水印信息的嵌入应以不破坏原始数据的欣赏和使用价值为原则，数字水印在真伪鉴别、隐藏通信、标志隐含等方面具有重要的应用价值。

1.1 数字水印技术特征

数字水印是在载体媒介中嵌入具有版权归属性鉴别的数字信号，并且不影响载体数据的正常使用。数字水印一般具有如下特征：

1.1.1 不可感知性

不可感知性是指原始载体作品与嵌入水印之后的作品在视觉效果上的相似度，对于载体数据中嵌入的数字水印不能被察觉，在经过相应算法处理后，载体数据没有明显的质量下降，而且隐藏的水印信息具有不可见性，通过视觉无法辨别出嵌入水印前后载体有所不同，使用统计方法也无法判断载体数据是否含有水印信息或提取水印。

1.1.2 鲁棒性

数字水印技术的鲁棒性是指含有水印的载体数据在各种数字信号处理和攻击处理下，依然能保持完整、清晰可辨的水印信息。则通过相应的水印提取算法，能够检测到水印信息的存在。在经过包括篡改、伪造攻击以及噪声、中值滤波、JPEG压缩等技术处理之后，应该具备从载体图像中提取水印信息的能力，并且不影响水印的鉴别。

1.1.3 安全性

水印算法的安全性是水印不受到外界恶意攻击的破环。安全性主要取决于密钥，水印信息不被非法用户破解、提取。一般用户并不了解水印信息的存在，即使知道水印信息的存在，没有正确的密钥，也不能从载体数据中提取嵌入的水印，从而确保安全性。水印系统的安全性也取决于水印信息嵌入的位置，即水印信息要隐藏于载体数据的内容中，以防止水印信息的丢失。

1.1.4 可證明性

数字水印信息多元化，可以是用户自己的身份识别信息、产品的标志或有或者是用户标识意义的文字等，利用数字水印算法它们被嵌入到数字产品中。在实际应用中，可以重复叠加水印，允许多重水印技术嵌入保护数据安全，而被嵌入的每一个水印都能够独立验证。

1.2 数字水印分类

数字水印的分类有多种，根据不同的出发点，数字水印就有不同的划分方式：

（1）按载体划分，将水印分为图像，音频，视频、文档水印以及网格水印等。

（2）按水印可见性划分为可见水印和不可见水印，不可见水印是主要应用和研究方向。

（3）根据抵御攻击的能力分为鲁棒性水印和脆弱性水印，鲁棒性水印是指能抵御一定程度的恶意攻击或者是一些非恶意攻击，鲁棒性水印多用于版权保护。

（4）按水印的嵌入方式划分为空域水印、变换域水印，目前采用较多的算法是变换域， 变换域的算法主要有离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）两类。

（5）根据检测过程分为非盲水印、盲水印。在提取或恢复水印的过程中，如需要原始数据的参与称为非盲水印，否则不需要载体图像参与即为盲水印。目前盲水印是数字水印算法主流研究方向。

1.3 数字水印的应用

数字水印技术近年来得到广泛应用，具体主要表现在以下方面：

1.3.1 版权保护

应用水印技术将水印作品嵌入原始数字作品中，嵌入水印是不可见的。如作品一旦出现侵权事件，即可通过水印技术提取出嵌入的水印，获得版权依据，以此来维护合法权益。

1.3.2 数字指纹

数字指纹技术是一种可靠的先进技术，已应用于多种领域。为了防止数字作品内容不会被拷贝，可以在发送给用户的数字作品中嵌入不同的水印识别信息，依据用户信息生成水印，如发现未授权的拷贝，即可根据拷贝的指纹来确定来源，维护合法权益。

1.3.3 认证和信息完整性检验

通过脆弱水印技术，对水印中的数字内容进行检验，可以采用数据内容相关联的密钥识别水印，通过检验水印信息完整性来确保信息的完整。可效精简处理过程，认同相同内容存在密切联系。

1.3.4 访问控制

利用数字水印技术能够将控制信息嵌入到媒体作品中，实现访问的控制，突显出数字水印技术的鲁棒性。

2 水印信息预处理复合加密算法

水印信息预处理可以清除原水印图像像素间的相关性，把有意义的水印图像变得毫无意义，将二值水印信号转换为杂乱无章的序列，非法用户即使获取了该水印数据，由于截获的为无意义乱码，攻击者仍然无法得到水印信息的真实内容，只有掌握了置乱算法和密钥的人才可以提取出正确的水印信息。对水印进行预处理，增强图像的安全性。针对Arnold 置乱，破解密码难度不高和单一的Logistic混沌映射可能退化为周期问题，为此，采用将Arnold 置乱和Logistic混沌加密二者结合的方法，对水印图像实现共同置乱双重加密，提高水印系统的安全性。