基于混沌序列的数字水印研究

摘 要

随着计算机网络技术快速发展，数字多媒体信息的复制、存储以及传播更方便、更快捷。但是存在的问题也逐渐严重化，比如作品侵权更为容易、纂改也更便利，就需要采取有效措施保护版权。因此，数字水印技术是研究的重要课题。本文提出了基于混沌的图像水印算法，首先采用Arnold技术对水印图像进行置乱形成了新的混沌序列，然后采用小波变换分析载体图像，经过变换后就生成了水印图像。

【关键词】混沌序列 数字水印技术 Logistic

事实上，数字图像水印技术是数字水印技术的分支，主要是用来对具有特殊要求的图像实施加密，对这些图像进行安全防护。但是随着信息技术快速发展，图像信息也趋向了复杂化，需要极高的传输安全以及传输信息量，并且传输图像的范围也不断扩大，而且市场的需求量逐渐增大。由此可见，图像水印技术逐渐成为保密技术、安全的研究重点内容。

1 数字水印技术的定义及特征

数字水印技术，就是将文字、音频以及视频等各类信息标识，通过处理信号模式将这项标识嵌入到原始的数据之中。该标识就是利用照度、空间以及频率等各种匿藏不可见，仅仅通过初始设定的仪器设备、专业技术或者检测设备等才可以正常提取。将标识信息嵌入到原始作品中，就必须要具有基本的特征：

首先要具有安全性，嵌入进去的水印标识进入到原始数据中，是被隐藏起来的，这样就防止在计算过程中因格式变化丢失了水印数据。

其次要具有隐蔽性；作品中具有了数字水印必定会降低质量，同时极难察觉。

最后要具备鲁棒性，所得水印信息就必定要具备一定的抗干扰或者具有抗攻击能力，即经过多次攻击之后，数字水印能够确保完整特性，还必须要确保能够正确识别。事实上，许多水印算法均具备了这类特征，不仅可以抵抗各种攻击与干扰，有效保障了信号质量，隐藏大量数据。

事实上，数字水印技术即将数字、文字、音频、图像以及视频等各种标识信息，同时把这项信息嵌入到了原始的数据信息，实现了文件控制、身份识别、数据标识、信息保密传递以及产品防伪等各种作用。通过辨别嵌入信息，有效识别了原始数据信息且提供了依据。

2 基于混沌序列的数字水印技术

2.1 混沌概念及Logistic映射

2.1.1 混沌概念

混沌主要是出现在确定性的系统中，似乎处于随机但是又不规则的运动，从描述角度来看，这个行为就具有不确定性，即不可预测以及不重复性，这类现象就称之为混度现象。深层次研究来看，混沌属于非线性动力系统的固有属性，同时也属于非线性系统普遍存在现象，所以现实生活及实际工程技术的应用中，混沌现象出处存在。

2.1.2 Logistic映射

这类映射具有典型性，属于较为广泛的动力系统，从一维离散时间的非线性动力中进行定义：

xk+1=t（xk），其中xk∈v，k=0，1，2……，称之为状态。t：V――V属于一个映射，当把当前状态xk映射至下一个状态xk+1。将这种映射通过一次次重复就得到了t，最终结果就成为一个序列{xk；k=0，1，2，……}，这个序列就属于动力系统的轨迹。假如。t：V――V能够满足三个条件，那就是要确保初始条件具备敏感的依赖性，拓扑具有传递特性；周起点处于V中属于稠密的。就可以说所对应动力系统处于V上为混度的。

Logistic映射比较典型，也属于研究最广泛动力系统。因具备即为复杂动力学行为，在通信安领域中该系统就得到非常广泛的应用，方程式为：xk+1=uxk（1-xk）

在该式中，0≤u≤4为分枝参数，而xk∈（0，1），k=0，1，2……，即为状态。从混沌动力研究来看，3.5699456

2.2 数字水印嵌入和提取

2.2.1 水印嵌入

从一般处理规则看，需要嵌入的水印图像大小是不能够超过载体图像，假设载体图像是I（N*N），那么水印就是二值图像是W（M*M），就需要满足N=2p.M（其中P属于正整数）。其操作的步骤如下所示：

（1）针对原始图像实施三级小波变换处理，从而获取出了细节子图，但是这些子图的分辨率不同，还要把这些细节子图分割为不重叠的小图块，并且子图快的大小以及水印都相同，比如N=256，那载体图就可以嵌入图像水印，其信息为16*16比特。

（2）获取有意义的水印图像W，然后采用了Arnold矩阵的置乱技术预处理嵌入图像而获得水印信息W’；

（3）通过Logistic混沌技术产生出一个混沌序列，之后加入Arnold置乱后生成的图像水印W’之中，从而产生出密文W*’。

（4）把密文W*’中数据分别和每个字图块实施分块组合。

（5）重新拼装所生成的子图块，从而就形成了一个完整的图形，选择小波变换产生出了嵌入后的新图像。嵌入了信息后对新图像实施反变换，就可以从中获取新的图像，这个图像也就是嵌入后水印图像I’。

2.2.2 提取水印

提取水影过程也就是进行逆向操作。

（1）对检测图像实施三级小波变换（检测图像即为含有水印图像），从而获取的细节子图，之后将各细节子图划分为2的n次方，但是所得到的方块具有独立性，彼此不能够重叠。

（2）依照嵌入水印算法规则，对原始图像与检测图像二者作差运算，就能够获取出新的嵌入序列，然后对序列实施二值化，就能够获取到置乱之后的新水印。从而就获得小波变化域里所提取来的置乱水印。

（3）就是针对W*’进行Arnold的逆置乱操作，就能够从中获取到具有有意义的水印W*.

图像经过了几个流程的处理后就能够得到恢复之后的水印图像。最终结果如下图1、2所示。比较原始图像和嵌入水印后图像。

从上面分析来看，人们通过眼睛是不可能观察到图像中的水印，一旦峰值的信噪比值较高，其透明性就越好，由此可见这种算法具备良好的无法觉察性。

3 结束语

在信息化时代，确保信息的安全以及保密是一项重要的研究项目。而数字水印技术有效弥补了信息安全存在的漏洞。本文对采用小波变化方式处理载体图像，转换成子图块之后再次使用小波反变换对图像进行加密，从而实现了基于混沌的数字水印技术的应用。

参考文献

[1]关治洪，鲁帆.基于混沌系统和人类视觉掩盖的图像水印算法[J].华中科技大学学报，2015（05）.

[2]袁玲，马晓萍，王文龙.基于Amold变换和双混沌序列的二值图像置乱算法[J].计算机时代，2011（09）.

[3]张行才，张长江，贾洞.基于混沌和置乱双重加密的数字图像水印算法[J].光电工程，2013（08）.

作者简介

党小娟（1983-），女，陕西省渭南市人，陕西服装工程学院信息工程学院教学秘书、讲师。主要研究领域为计算机应用。

甘霖（1979-），男，陕西省宝鸡市人。现为陕西服装工程学院信息工程学院讲师。主要研究领域为软件工程。

蒲伟华（1981-），陕西省宝鸡市人。现为陕西服装工程学院信息工程学院讲师。主要研究领域为信息技术，计算机应用。

作者单位

陕西服装工程学院信息工程学院 陕西省咸阳市 712046