基于Arnold加密的数字水印算法的设计与实现

作者:陆海东;王雪晶 刊名:黑龙江科技信息 上传者:吕晓昌

【摘要】本课题主要研究Arnold加密、小波变换和数字水印技术。利用MATLAB软件,通过编码实现基于小波变换的数字水印的嵌入和提取,同时对嵌入的水印信息进行Arnold加密处理和对提取出的水印进行解密方法。

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随着计算机信息处理速度的不断提升,通过不断增加密钥长度来提高加密等级的方式,已经跟不上时代的发展。近年来越来越多应用数字水印技术来进行加密处理,而数字水印的加密有很多方式,例如离散小波变换法,离散余弦变换法,离散傅里叶变换法,奇异值分解法,量化索引调制法等。我们研究的就是通过小波变换的数字水印进行加密,并且比较这些方法的优缺点,以便知道我们为什么会选择小波变换的方法来实现数字水印的加密[1]。1连续小波变换根据连续小波变换的定义很容易得出,信号函数f(t)的连续小波系数的信息量冗余。尽管在去噪等方面,冗余的信息量还是具有一定的优点,例如在进行在做特征提取或者数据恢复时,我们常采用连续小波变换,即使这样做会增大数据存储量以及计算量,但它可以获得更好的处理效果。但在大多数的情况下,我们必须要考虑到节约计算量以及压缩数据,例如在数值计算,图像压缩等领域,我们就必须优先考虑到如何减小计算量以及存储空间,同时我们也不希望数据量丢失过多,在这两个前提下,我们希望尽量的去减少信息量的冗余。因此引入了离散小波变换,为了减少小波变换中的信息冗余,我们的做法是将小波基函数中的平移因子,以及伸缩因子限定在一些离散的点上,然后再选取相应的值[2]。2数字水印算法原理原始小波变换水印的嵌入过程算法如图1所示。具体的实现水印嵌入的过程如下:a.在MATLAB中分别输入原始水印图像W以及原始载体图像X;b.利用哈尔(Haar)小波变换来对原始水印图像W进行小波一级分解,从中得出水印图像的小波系数以及四个分量:水平分量W(LH,i,j)、垂直分量W(HL,i,j)、对角分量的小波系数W(HH,i,j)以及低频分量的小波系数W(LL,i,j);其中X(i,j)是原始载体图像所对应小波系数,xw(i,j)为加密后水印图像所对应的小波系数,为嵌入强度;c.利用哈尔(Haar)小波变换对原始载体图像X来进行小波三级分解,我们会得到以下几个变量,分别是:水平分量的小波系数X(LHn,i,j)、垂直分量的小波系数X(HLn,i,j)、低频的小波系数X(LLn,i,j)以及对角分量的小波系数X(HHn,i,j),其中n=1,2,3;d.把水印图像W的小波一级分解系数,在适当的位置嵌入,并按照下式叠加到原始载体图像X的小波三级分解系数上:(1)在上式(1)中X(i,j)为嵌入水印信息后的载体图像的小波系数,而W(i,j)为在原始载体图像所对应位置上嵌入水印信息的小波系数值,X'(i,j)为原始载体图像的小波系数,a为嵌入强度,它的取值范围应该综合考虑水印信息的鲁棒性和不可感知性的要求,a越大,则水印越强壮,但其不可感知性就会相应降低,图像质量也会随之降低,反之当a的取值偏小时,图像的不可感知性提高了,但同时也会对图像的鲁棒性造成一定的影响[2]。3Arnold置乱变换本课题采用Arnold置乱变换以及小波变换来为图像嵌入数字水印的技术。首先对原始载体图像(X)进行多级的小波变换,从而得到原始载体图像在不同分辨率下对应的多个子图,同时将水印图像利用Amold变换进行置乱,完成之后对置乱图像进行一级小波变换,得到水印图像的3个高频和一个低频子图[4]。对载体图像的分解子图与水印图像的分解子图分别线性相加,逆变换之后得到嵌入水印的载体图像。我们得到加密后原始图像和加密后水印图像,如图2和图3所示。4结论本文我们重点研究了基于小波变换的数字水印的嵌入和提取,同时对嵌入的水印信息进行Arnold加密处理和对提取出的水印进行解密等问题。在没有改变原始图像的数据的情况下,在一定的程度上有效地增强了数字水印的

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