一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法技术

本发明专利技术属于加密通信以及信息安全技术领域，具体为一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法。本发明专利技术主要包括三个过程，依次是数字水印的嵌入过程、通信传输过程和数字水印的提取过程。本发明专利技术将形态成分分析理论扩展到了盲源信号分离的架构中，对数字水印的嵌入、隐藏、通信和提取都具有良好的性能效果，并且对于各种噪声攻击具有较强的抗攻击性和鲁棒性。本发明专利技术采用双密钥控制数字水印嵌入和提取，以及加密和解密过程，使得被传输的数据更加安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法
本专利技术涉及数字水印的生成、嵌入与提取，隐写术，版权验证，加密通信以及信息安全
，特别涉及一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法。
技术介绍
随着数码影像技术爆炸性地发展，如何有效地保护原始图像的版权，以及如何对侵犯版权者进行举证起诉都成为了社会日益关注的焦点。作为一种有效的版权验证方法，数字水印技术在信息安全领域引起了高度关注。数字水印（DW）作为一种版权标记，是覆盖在原始数字图像上的某种视觉图案，例如可以是国徽、公司的标志或者是个人的签名等等。隐写术是一种通过将重要信息隐藏在其他信息中，而使人不会发觉重要信息存在的信息隐藏工具。对数字水印的隐写技术能够提高通信的安全性，因为对于潜在的攻击者来说，他并不知道嵌入水印的存在。对于一个信息隐藏系统来说，隐藏容量、安全性和抗攻击性是三个最重要的方面。隐藏容量指的是能够在载体图像中隐藏的最大信息量的大小，安全性指的是信息隐藏系统能够抵御信息窃听者对被隐藏信息进行检测的能力，而抗攻击性指的是在攻击者完全损毁被隐藏的信息之前，载密图像所能够承受的最大修改量。由于隐藏容量和抗攻击性往往是相互矛盾的，所以对于任何一个实用的信息隐藏系统来说，都需要在能够嵌入的数据量大小和承载信号对修改的抵御能力之间做成权衡。数字水印和隐写术是最为常见的两种信息隐藏方法，两者之间也有稍许差别。对于数字水印技术来说，它的首要目的是使得信息隐藏系统获得较高的抗攻击性，即人们几乎不可能在不降低数据对象本身质量的情况下去除掉数字水印。而对于隐写术来说，它的首要目的是使得信息隐藏系统获得较高的安全性和隐藏容量，即在隐写术中，被隐藏的信息往往是对修改比较脆弱的，即使是对载密图像做非常微小的修改，也可以损毁被隐藏的信息。这样一来，通过被隐藏的信息在接受到的时候是否完好，人们就能够准确地判断出载密图像在传输过程中是否收到过攻击。一个隐写系统会将需要隐藏的内容嵌入到不起眼的载体媒介中，以免引起窃听者的怀疑。对于隐写术通信来说，它由隐写系统和共享密钥两个关键部分组成。从本质上讲，隐写术通信的发送者和接收者都同意使用并且信任这样一个隐写系统和共享密钥，共享密钥决定了需要被隐藏的信息是如何在载体媒介中进行编码的。例如，A用数码相机拍摄了一幅新图像，并且想通过隐写术通信来传送一些隐藏信息。A会把它的共享密钥以及它想传送的消息提供给隐写系统。隐写系统使用共享密钥来确定如何把需要被隐藏的消息编码在图像的冗余数据位中。隐写系统用共享密钥生成的载密图像由A发送给B。当B接收到这幅载密图像后，使用共享密钥并通过信任的隐写系统，就能恢复得到A隐藏在图像中的信息。
技术实现思路
为了克服现有数字水印和隐写技术的不足，本专利技术提供了一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法，该方法采用双密钥控制数字水印嵌入和提取，以及加密和解密过程，使得被传输的数据更加安全，能有效应对现有信息安全领域应用中遇到的挑战。本专利技术提供一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法，其将形态成分分析理论扩展到盲源信号分离的架构中；采用双密钥控制数字水印嵌入和提取，以及加密和解密过程；该方法主要包括三个过程，依次是数字水印的嵌入过程、通信传输过程和数字水印的提取过程；其中：所述数字水印的嵌入过程包括如下步骤：（1）选择置乱变换模式，产生第一级密钥，置乱变换的模式作为第一级密钥，第一级密钥只在版权拥有者和授权用户之间共享；（2）将包含原始版权标记的图像通过步骤（1）选定的置乱变换模式进行置乱变换，生成用于嵌入的数字水印；第二级密钥同样只能在版权拥有者和授权用户之间共享（3）将用于嵌入的数字水印和原始的载体图像相混合，得到原始含水印图像，具体形式如下：其中是原始源矩阵，是混合矩阵，它定义了原始载体图像和用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像具体的贡献大小；A1表示的是原始载体图像对于原始含水印图像的贡献大小，A2表示的是用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像的贡献大小；所述的通信传输过程包括如下步骤：将原始含水印图像通过信道进行传输，授权用户能够观测到接收的含水印图像；接收的含水印图像用下式表示：其中，是尺寸大小为的观测矩阵，是尺寸大小为的混合矩阵且；是尺寸大小为的原始源矩阵，是尺寸大小为的矩阵，它代表噪声、攻击以及线性混合模型本身的不完美之处；所述的数字水印的提取过程包括如下步骤：（1）将接收的含水印图像分解成载体图像和数字水印假设原始的源信号被字典稀疏表示，字典矩阵是个基底：的结合；那么，每一个原始源信号就是个形态成分的线性组合，而每一个形态成分用某一个特定的基底进行稀疏表示，即,数字水印隐写方法目标是通过对混合矩阵的估计，采用一个可解的优化问题来表示原始源信号在字典中最为稀疏的表示形式，形式如下：其中符号和分别代表对混合矩阵和原始源矩阵的估计；通过引入稀疏分解算子，对和的唯一形式的伪范数稀疏分解表示形式被定义成和；这样一来，通过解决如下形式的优化问题，得到在稀疏域中对混合矩阵和进行迭代交替式估计的估计值；因此，采用盲源信号分离架构中的形态成分分析方案，将接收的含水印图像分解成提取的载体图像和提取的数字水印，其具体步骤如下：1.对观测结果进行形态成分分析，计算出；2.初始化迭代次数：和起始阈值：；3.当第次迭代之后的阈值大于经过初始化后的终止阈值时，继续迭代过程。终止阈值的取值取决于噪声的方差大小；3.1.假设混合矩阵是固定的，然后估计的各个系数，具体形式如下：其中，是混合矩阵的伪逆形式，而是一个限定阈值算子，限定的阈值为；3.2.假设是固定的，然后采用最小二乘估计来更新混合矩阵，具体形式如下：3.3.减小阈值；4.如果满足条件，就停止迭代过程；5.通过在字典中对的稀疏合成，来重构源图像，并获得提取的载体图像和提取的数字水印。（2）根据第一级密钥，选择和数字水印嵌入过程中使用的相同的置乱变换模式去提取版权标记；（3）根据第二级密钥，提取版权标记。本专利技术中，所述置乱变换模式选自Arnold置乱变换、Fibonacci置乱变换或仿射置乱变换中的任一种。本专利技术中，所述置乱变换模式为Arnold置乱变换时，以具体迭代的次数作为第二级密钥进行数字水印嵌入；通过对提取的数字水印进行次置乱变换迭代，提取版权标记；其中常数是置乱变换的周期，周期取决于用于变换的图像的尺寸大小。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术通过将形态成分分析理论扩展到了盲源信号分离（BSS）的架构中，对数字水印的嵌入、隐藏、通信和提取都具有良好的性能效果，并且对于各种噪声攻击具有较强的抗攻击性和鲁棒性。附图说明图1是基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法的流程图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方案对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术所提出的基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法及系统包括三个主要过程，分别是数字水印的嵌入过程、通信传输过程和数字水印的提取过程。本专利技术的基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法流程图如图1所示。数字水印的嵌入过程具体实施步骤第一步：选择置乱变换模式，产生第一级密钥一幅数字图像可以看成是一个二维矩阵，经过置乱变换之后，图像的各像素点位置会重新排列，这样置乱变换后的图像会显得杂乱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法，其特征在于：其将形态成分分析理论扩展到盲源信号分离的架构中；采用双密钥控制数字水印嵌入和提取，以及加密和解密过程；该方法主要包括三个过程，依次是数字水印的嵌入过程、通信传输过程和数字水印的提取过程；其中：所述数字水印的嵌入过程包括以下步骤：（1）选择置乱变换模式，产生第一级密钥，置乱变换的模式作为第一级密钥，第一级密钥只在版权拥有者和授权用户之间共享；（2）将包含原始版权标记的图像通过步骤（1）选定的置乱变换模式进行置乱变换，产生第二级密钥，生成用于嵌入的数字水印；第二级密钥只能在版权拥有者和授权用户之间共享。（3）将用于嵌入的数字水印和原始载体图像相混合，得到原始含水印图像，具体形式如下：其中是原始源矩阵，是混合矩阵，它定义了原始载体图像和用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像具体的贡献大小；A1表示的是原始载体图像对于原始含水印图像的贡献大小，A2表示的是用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像的贡献大小；所述的通信传输过程包括如下步骤：将原始含水印图像通过信道进行传输，授权用户能够观测到接收的含水印图像；接收的含水印图像用下式表示：其中，是尺寸大小为的观测矩阵，是尺寸大小为的混合矩阵且；是尺寸大小为的原始源矩阵，是尺寸大小为的矩阵，它代表噪声、攻击以及线性混合模型本身的不完美之处；所述的数字水印的提取过程包括如下步骤：（1）    采用盲源信号分离架构中的形态成分分析方案，将接收的含水印图像分解成提取的载体图像和提取的数字水印，具体步骤如下：1. 对观测结果进行形态成分分析，计算出对的唯一形式的伪范数稀疏分解表现形式，其中为稀疏分解算子；2. 初始化迭代次数：和起始阈值：；3. 当第次迭代之后的阈值大于经过初始化后的终止阈值时，继续迭代过程。终止阈值的取值取决于噪声的方差大小；3.1. 假设混合矩阵是固定的，然后估计的各个系数，具体形式如下：其中，是混合矩阵的伪逆形式，而是一个限定阈值算子，限定的阈值为；3.2. 假设是固定的，然后采用最小二乘估计来更新混合矩阵，具体形式如下：3.3. 减小阈值；4. 如果满足条件，就停止迭代过程；5. 通过在字典中对的稀疏合成，来重构源图像，并获得提取的载体图像和提取的数字水印。（2）根据第一级密钥，选择和数字水印嵌入过程中使用的相同的置乱变换模式去提取版权标记；（3）根据第二级密钥进行置乱变换，提取版权标记。...

【技术特征摘要】
1.一种基于置乱变换和形态成分分析的数字水印隐写方法，其特征在于：其将形态成分分析理论扩展到盲源信号分离的架构中；采用双密钥控制数字水印嵌入和提取，以及加密和解密过程；该方法主要包括三个过程，依次是数字水印的嵌入过程、通信传输过程和数字水印的提取过程；其中：所述数字水印的嵌入过程包括以下步骤：（1）选择置乱变换模式，产生第一级密钥，置乱变换的模式作为第一级密钥，第一级密钥只在版权拥有者和授权用户之间共享；（2）将包含原始版权标记的图像通过步骤（1）选定的置乱变换模式进行置乱变换，产生第二级密钥，生成用于嵌入的数字水印；第二级密钥只能在版权拥有者和授权用户之间共享；（3）将用于嵌入的数字水印和原始载体图像相混合，得到原始含水印图像，具体形式如下：其中是原始源矩阵，是混合矩阵，它定义了原始载体图像和用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像具体的贡献大小；A1表示的是原始载体图像对于原始含水印图像的贡献大小，A2表示的是用于嵌入的数字水印对于原始含水印图像的贡献大小；所述的通信传输过程包括如下步骤：将原始含水印图像通过信道进行传输，授权用户能够观测到接收的含水印图像；接收的含水印图像用下式表示：其中，是尺寸大小为的观测矩阵，是尺寸大小为的混合矩阵且；是尺寸大小为的原始源矩阵，是尺寸大小为的矩阵，它代表噪声、攻击以及线性混合模型本身的不完美之处；所述的数字水印的提取过程包括如下步骤：（1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：余翀，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31