基于提升小波变换LWT的AES数据加密水印技术

2022-09-13 01:05孙云娟

洛阳理工学院学报(自然科学版) 2022年3期

李伟，孙云娟

(1.河南师范大学电子与电气工程学院，河南新乡 453007； 2.河南师范大学新联学院, 河南新乡 453007)

互联网的出现改变了人们的生活方式，在互联网上人们可以交互他们的多媒体文本和数据，如语音、数据和图像等。一个突出的问题就是版权保护和认证,信息技术发展的趋势增强了数据传输安全性的需要。通信信道的数据传输为了数据的安全必须对数据进行加密。近些年，数字图像水印技术已经提出用于多媒体文本和数据的版权保护。

Vivekanda等[1]提出了一个具有鲁棒性和透明性的有效水印技术，基于在DWT域中进行奇异值分解(SVD)，很容易产生误判；Ray等[2]提出了一种改进算法，在DWT域中嵌入主值分量；Musrrat等[3-5]引入优化算法计算嵌入水印强度系数；Nasrin等[6-8]提出LWT算法水印技术；Daled等[9]提出了RC4数据加密水印技术方案;Yangliu等[10]提出了逻辑映射和RSA数据加密水印技术方案；Indra等[11]提出了AES数据加密用于通信技术。为了提高水印的安全性、鲁棒性和透明性，本文提出了基于提升小波理论LWT的灰度水印AES数据加密的水印技术方案,提升小波变换计算效率高，在整数域图像重构精确, 是一种整数到整数的变换，灰度水印图像AES数据加密数据更安全，为水印技术又多了一层保护,SVD技术是一个用于图像压缩和数据隐藏强有力的工具。

1 理论基础

1.1 提升小波变换(LWT)

离散小波变换已经成功地应用于图像压缩和图像处理领域[12-15]。由于传统小波系数的浮点类型，使得在图像重构时引入舍入误差失去了图像的精确性。提升小波变换在直接分析整数域问题时简化可逆性问题，精确度高。提升小波方案采用了原位运算，运算速度快，效率高，所需存储空间少。该算法分为分裂、预测和更新3个步骤。提升小波变换的分解框图如图1所示, 重构过程为分解的逆过程。

图1 提升小波变换的分解框图

(1)分裂:将原始信号x(n)分解为偶点和奇点样值序列xe(n)和xo(n)。

(2)预测:利用偶点序列xe(n)的预测值P[xe(n)]来预测奇点序列xo(n)，其差值d(n)=xo(n)-P[xe(n)]定义为信号x(n)的细节(高频)分量，其中P[·]为预测算子。

(3)更新:利用高频分量d(n)来更新偶点序列xe(n)，即：近似分量(低频)c(n)=xe(n)+U[d(n)]，其中U[·]为更新算子。

1.2 高级加密标准(AES)数据加密算法

AES和DES算法的安全性非常好[15]。AES算法是对称的，在加密和解密过程中共用一个密钥，而DES算法是非对称的；AES算法中选择长度为128 bit、192 bit和256 bit的密钥，AES算法的密钥比DES更难破解。初始密钥经过密钥扩展形成轮密钥(round key),每一轮数据包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。AES算法图(第k轮算法)如图2所示。

图2 AES算法图(第k轮算法)

1.3 奇异值分解(SVD)

2 方法提出

然后重构LL子带分量，利用LWT逆变换重构嵌入水印图像，按照相逆的方法提取水印。

2.1 水印嵌入算法

(1)将原始图像利用提升小波变换LWT分解成4个子带；

(2)将LL子带划分成l×l大小的模块K；

(3)对LL子带的每一个模块进行奇异值分解：K=USV′，S=diag(λi)；

(4)将水印图像进行AES加密，将加密后的图像数据D进行奇异值分解：D=UwSwVw′，Sw=diag(λwi)；

(6)重构嵌入水印的LL模块：Kd=USdV′；

(7)利用LWT逆变换形成嵌入水印图像。

2.2 水印提取算法

(1)把嵌入水印图像利用LWT分解为4个子带图像；

(2)把LL子带图像划分为l×l大小的模块Kd；

(6)将AES加密水印图像进行AES解密，恢复原始水印。

3 实验仿真及其性能

仿真环境为MATLAB7.0，选择数字图像处理标准测试图库中的标准图像，尺寸大小为256×256像素，如图3(a)所示，灰度水印图像尺寸大小为32×32像素，如图4(a)所示。首先将水印图像分解成8×8个子块，每子块大小为4×4像素。选择128 bit初始密钥进行密钥扩展生成轮密钥，每个子块数据经过10轮的字节代换、行位移、列混合和轮密钥加形成灰度水印图像的AES加密图像，如图4(b)所示。再将原始图像进行LWT变换分解为4个子带，取出LL子带，大小为128×128像素，提取LL子带和AES水印图像的主值，按照水印嵌入方法嵌入水印。嵌入水印图像如图3(b)所示。水印提取按照相逆的算法进行。提取的灰度水印AES解密图像如图4(c)所示。随着网路技术的发展，网络数据加密的要求日益提高，AES的应用首先体现在网络信息安全领域中。灰度水印图像经过AES数据加密后比EDS数据加密更难破解，AES算法抗旁道攻击以及其他攻击性能非常强。因此该水印的安全性非常好。