数字水印的加密正交变换方法技术

一种数字水印的加密正交变换方法，其特征在于包括如下具体步骤：　　　　１）伪随机矩阵的生成：用密钥控制的混沌动力系统生成伪随机序列，采用按行或者按列的填充方式，生成两个和原始图像相同大小的矩阵作为伪随机矩阵；　　　　２）变换核的生成：采用矩阵理论的施密特正交化方法把伪随机矩阵变换成普通的正交矩阵，对矩阵的每行元素分别求和，根据和的大小顺序重新排列各行，形成适合水印嵌入的正交变换核矩阵；　　　　３）水印嵌入：采用分块正交方案，对图像进行分块正交变换后，根据水印信息比特的值，直接把块内左上角点的系数进行奇偶区间量化，然后对每个小块进行正交逆变换，将各个小块重新组合起来，得到嵌入水印的图像；　　　　４）水印提取：根据密钥控制的混沌动力系统生成伪随机序列，采用按行或者按列的填充方式，生成两个伪随机矩阵，用施密特正交化方法把伪随机矩阵变换成正交矩阵，再对矩阵的每行元素分别求和，根据和的大小顺序重新排列各行，对图像的每个分块进行正交变换，判断每块中左上角点的系数所在的区间的奇偶性，提取出水印信息。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，特别适用于数字图像和视频产品的版权认证，可使数字水印安全性得到很大的提高。
技术介绍
近年来随着网络技术的飞速发展，人们可以从互联网上欣赏到许多精美的图片，这些图片很难使用常规的版权认证，因此迫切需要一种技术能够用来识别图片等的来源、版本、原作者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权，数字水印应运而生。数字水印技术通常需要满足几个技术要求，它们是不可见性，安全性，鲁棒性，水印的不可否认性等等，目前提出的算法更多的强调鲁棒性和不可见性。在安全性方面，攻击者通常可以分析算法本身的漏洞，而不是通过蛮力攻击破坏水印，例如对于一幅静止图像，可以在空间域寻找局部极值点和分析图像的直方图，在DCT(离散余弦变换)域中直接修改中高频系数等等，尤其是后者，因为很多算法把水印信息嵌入到中高频系数中，如果攻击者直接在中高频系数中加入一定量的噪声，此时图像不会有明显降质，但会对水印产生很大的破坏作用，这主要因为DCT的变换核是公开的，攻击者也可以重复DCT操作，这就使算法的主体不是由密钥控制的，从而它们不满足密码理论的Kerckhoffs准则，因此安全性得不到保证，而有时候水印系统的安全性恰恰是非常重要的。近年来，有一些文献提出了在图像或者视频经过正交变换(离散傅立叶变换(DFT)、DCT和奇异值分解(SVD)等)后嵌入数字水印信息。在检测端，一般要求实现嵌入算法的逆过程完成水印提取。例如，参考文献“OptimalDifferential Energy Watermarking of DCT Encoded Images and Video，”(Gerrit C.Langelaar and Reginald L.Lagendijk，IEEE Trans.Image Processing，Vol.10，No.1，2001，pp148～157.)提出了一种基于DCT域的扩频数字水印算法，通过将数字水印信息扩频，再嵌入到图像DCT域内中高频系数中来嵌入水印，接收端则通过相关检测并做判决得到水印数据。参考文献“An SVD-Based Watermarking Scheme for Protecting RightfulOwnership，”(Ruizhen Liu and Tieniu Tan，IEEE Trans.Multimedia，Vol.4，No.1，pp.121-128，Mar.2002.)则提出了了一种基于SVD分解的扩频水印算法，它也是利用了SVD这种正交变换，把扩频序列加入到正交变换后的图像中。上面提到的两种方法对压缩、滤波以及噪声污染具有很强的鲁棒性。但是，这些方法没有更多地考虑安全性问题，因为非法使用者可以不借助蛮力攻击，他们只需分析算法本身漏洞就可以删除水印信息或者恢复出水印，这是水印设计者所不愿意看到的。这些水印算法一旦公开，这些攻击者就可以重复DCT，SVD等等这些变换，在水印嵌入的地方加入强噪声干扰水印和破坏水印的提取，因为这些地方都是视觉不敏感的区域，允许较强的噪声存在。针对水印安全性能方面的讨论，有一些学者提出了保证水印的安全性的一个基本准则Kerckhoffs准则。准则要求算法的设计者必须假定对手已经知道除了密钥选取外的算法每个细节，而整个系统的安全性源自密钥存储的安全。根据这个准则可以设计出安全的水印计划，即水印的算法应该是完全公开的，当不知道水印密钥时，攻击者是无法提取和篡改水印。一般来说，人们通常认为扩频水印是相对比较安全的方案，因此前面提到的文献都是采用扩频方法来保证安全性能。但是扩频方法本身具有一些固有的缺陷1)扩频序列需要选取很长才能保证算法的鲁棒性，例如选取2500比特。扩频序列长度对水印的可见性能影响很大，这造成了一个问题就是鲁棒性能越好，水印图像的峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio，PSNR)越低。2)因为扩频水印的鲁棒性要求使得扩频码较长，这就使扩频水印一般只能用在水印检测方面，而无法用在水印提取上。水印检测和水印提取是水印验证的两个方面，前者要求图像的接收端用同一个密钥生成扩频序列，借助于相关检测验证水印是否也含有这个扩频序列，这种方法限制了水印的应用，因为版权所有者无法把自己的有一定意义的信息嵌入到媒体中。综上所述，在当前的水印算法中，扩频水印可以保障水印的安全性，而DCT算法具有对压缩、噪声污染等处理的强鲁棒性，而安全性较差。设计同时拥有变换域水印算法的鲁棒性和扩频算法的安全性的水印是本专利技术的重点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种，在不降低水印算法鲁棒性的前提下，可以有效提高水印系统的安全性，使整个水印系统满足衡量安全性能的Kerckhoffs准则。为实现这样的目的，本专利技术首先用混沌动力系统生成的伪随机序列填充两个和图像相同大小的伪随机矩阵，然后对伪随机矩阵进行正交化处理，可以形成两个正交矩阵。针对图像的正交变换就是正交矩阵乘以图像矩阵。从水印的角度来说，不是每个正交矩阵都适用于图像的正交变换，因为水印的嵌入需要考虑到鲁棒性问题。对正交矩阵的行列重新排列，产生适合图像变换的正交矩阵。水印嵌入时对图像进行分块正交变换，修改嵌入点系数，再完成逆变换，而水印提取时对图像的每个分块进行同样的正交变换，从嵌入点的系数中提取出水印信息。本专利技术给出了一个指导性的方案，采用一个标准对正交矩阵重新排序，可以有效控制变换后的图像能量分布，把水印嵌入到高能量系数中，会大大提高水印的鲁棒性。本专利技术的具体操作步骤如下(1)伪随机矩阵的生成用密钥控制的混沌动力系统生成伪随机序列，采用按行或者按列的填充方式，生成两个和原始图像相同大小的矩阵作为伪随机矩阵。(2)变换核的生成采用矩阵理论的施密特正交化方法把伪随机矩阵变换成普通的正交矩阵，对矩阵的每行元素分别求和，根据和的大小顺序重新排列各行，形成水印嵌入的正交变换核矩阵。(3)水印嵌入采用分块正交方案，对图像进行分块正交变换后，根据水印信息比特的值，直接把块内左上角点的系数进行奇偶区间量化，然后对每个小块进行正交逆变换，将各个小块重新组合起来，得到嵌入水印的图像。(4)水印提取根据密钥控制的混沌动力系统生成伪随机序列，采用按行或者按列的填充方式，生成两个伪随机矩阵。用施密特正交化方法把伪随机矩阵变换成正交矩阵，再对矩阵的每行元素分别求和，根据和的大小顺序重新排列各行，对图像的每个分块进行正交变换，判断每块中左上角点的系数所在的区间的奇偶性，提取出水印信息。本专利技术在算法的鲁棒性方面可以得到和DCT方法相似的结果，也就是说加密正交变换在没有牺牲水印算法的鲁棒性前提下，获取了安全性能的提高。本专利技术能拥有变换域水印的优点水印信息扩展到整个图像，使得水印对压缩、滤波、噪化等处理下具有鲁棒性，同时保证载体数字图像具有很好的主观质量。本专利技术完全按照密码理论来设计水印计划，可以提高水印系统的实用性。对分析算法漏洞的攻击者来说，他们无法得到密钥，无法求出正交变换核，也无法通过算法的漏洞破坏和恢复水印。本专利技术利用水印的正交变换嵌入和提取水印信息，设计出一套安全的变换域数字水印方案，克服了当前水印算法在固定的正交变换核下分解的安全隐患。它使得水印系统的实用性得以提高，同时对现有的主要水印算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋铃鸽，冯国瑞，何晨，王东建，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：