学术研究
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信息安全与通信保密・2007.6
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林鹏１，刘全忠２，张二虎１
（１西安理工大学信息科学系，陕西 西安 ７１００４８；
２
广东轻工职业技术学院，广东 广州 ５１０３００）
【摘 要】文章提出了一种在混合变换域中嵌入混沌编码序列的数字水印算法。该方法在水印的检测和提取过程中不需要原始图像，实验表明，该方法嵌入的水印保密性、隐藏性好，方法简单有效，对整体和局部攻击有较好的表现。 【关键词】数字水印；混沌置乱；整数小波变换；离散余弦变换（ＤＣＴ）
【中图分类号】ＴＰ３０９ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１００９－８０５４（２００７） ０６－０１３１－０２
Digital Watermarking Method in Mixed Spatial Transform with Chaos Scrambling
LIN Peng 1, LIU Quanzhong 2, ZHANG Erhu 1
(1Department of I nformation Science, Xi'an University of Technology, Xi'an Shanxi 710048, China;
2
Guangdong Industry Technical college, Guangzhou Guangdong 510300, China)
【Abstract 】In this paper, a digital watermarking method in mixed transform embedded with chaos scrambling was proposed.By this way, watermarking can be detected and extracted without the original image, and coding based on chaos keeps secrets better. The experiment results indicate that the proposed method can be realized easily, which keeps and hides the watermarking information better. The proposed method performs well in encountering with overall or local attacks.
【Keywords 】digital watermarking; chaos scrambling; integer wavelet transform; discrete cosine transform
结合混沌置乱的混合域数字水印算法
１ 引言
数字水印技术作为信息隐藏技术领域的一个重要分支，已经成为一种较为有效的数字产品版权保护技术。一般的方法是将某种具有特定意义的水印信息，以某种形式嵌入到特定的数字产品中，需要时就采用特定的方法提取水印，用以证明产品的所有权，保护所有者的权益。根据载体的不同数字水印可分为：图像水印、文本水印、视频水印和音频水印等等。本文提出了一种利用混沌序列将水印图像置乱［１－２］、编码嵌入到混合变换域［３］的数字水印算法，它将整数小波变换和离散余弦变换相结合，通过重新构造两种变换域的系数的
方法，达到嵌入混沌编码的目的。
２ 混沌置乱
２．１ 混沌理论
混沌［１］是一种貌似无规则的运动，指在确定性系统中出现的类似随机的过程。以常见的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射为例，Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射是一个简单的混沌系统，它的定义公式如下：
X n ＋１＝μX n （１－X n ） （１）
其中，０≤μ≤４称为增长参数，X n ∈（０，１）。混沌系统的研究工作指出，当３．５６９９４５６＜μ≤４时，Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射工作于混沌状态。
２．２ 混沌置乱
首先给定两个密钥ｓｅｅｄ１和ｓｅｅｄ２用来生成两组混沌序
列。根据混沌理论，这两个混沌序列互不相关，序列中的数据介于０和１之间。将两个序列中的数据分别乘以水印图像的行数和列数，再将两个序列的数据组合就可以得到一个二维矩阵，这里称之为混沌矩阵。为了保证所选像素不重复，生成的混沌序列要比实际长，缺少的像素点也需补齐，以混沌
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矩阵为坐标，将水印图像置乱，如图１所示。图２是混沌置乱后的图像。将图２中的二值图像转换成一维数列并进行０、１编码，得到的一维０、１序列就是将要嵌入的编码序列。
３ 数字水印的嵌入
首先，对载体图像采用整数小波变换，提取小波域的低频系数。整数小波变换［４］是在离散小波变换的基础
上改进而来的，由于在整数小波正、逆变换过程中，图像的能量不损失，所以常用于图像压缩。当图像受到压缩、滤波等攻击时，高频信息会首先丢失，所以为了使水印信息具有较好的抗攻击能力，第
一步选择了小波域的低频系数进行操作［５－６］。
３．１ 整数小波变换
这里以Ｌｅｎａ 图像为例，进行整数小波变换操作，变换结果如图３、图４所示。图３中对应于图４中ＬＬ部分的数据就是准备嵌入水印信息的低频系数部分。
３．２ 嵌入水印信息
这里选择了ＤＣＴ变换域［７］
［８］
，将水印信息嵌入到小波域低频系数中。将小波域的低频系数分成８×８的数据块，对每个数据块进行离散余弦变换（ＤＣＴ），将得到的ＤＣＴ系数矩阵按照特定的方法重新排列，再进行ＤＣＴ的逆变换，之后得到的新的小波域低频系数就嵌入了水印信息。ＤＣＴ系数矩阵的排序方法［７］如下：对于一个ＤＣＴ系数矩阵，一条对角线上的数据如表１分为７个小组，每组有３个数据ｃｏｅｆ（ｉ，１）、ｃｏｅｆ（ｉ，２）和ｃｏｅｆ（ｉ，３）。如果要嵌入编码１，就将ｃｏｅｆ（ｉ，１）、ｃｏｅｆ（ｉ，２）和ｃｏｅｆ（ｉ，３）中的最大系数替换到ｃｏｅｆ（ｉ，２）位置上；若要嵌入编码０，只要保证在ｃｏｅｆ（ｉ，２）位置上的数据不是ｃｏｅｆ（ｉ，１）、ｃｏｅｆ（ｉ，２）和ｃｏｅｆ（ｉ，３）中最大的即可。按照这个规则，每个系数矩阵可以顺序嵌入７位编码。
完成上述编码序列的嵌入工作之后，对嵌入水印后的小波域低频系数进行整数小波逆变换，得到最终含有水印的载体图像与原始图像大小相同。如果载体图像较大，可以采取重复嵌入的操
作，当载体图像受到局部攻击时，仍然可以完整地再现水印信息。
４ 水印的提取
在提取水印的过程中，必须知道混沌置乱的两个密钥ｓｅｅｄ１和ｓｅｅｄ２。水印提取算法与嵌入过程基本类似，步骤如
下：
（１） 首先，对含有水印的载体图像进行整数小波变换，提取小波域的低频系数，这里含有水印信息。
（２） 对小波域的低频系数分块并进行ＤＣＴ变换。从ＤＣＴ系数矩阵中提取０、１编码，将所有编码顺序连接在一起，转换成二维编码矩阵。
（３） 使用密钥ｓｅｅｄ１和ｓｅｅｄ２生成的混沌矩阵对（２）中的编码矩阵重新排列，重新排序后的０、１矩阵转化得到的二值图
像就是水印图像。
５ 实验结果与分析
５．１ 水印嵌入实验
实验中以５１２×５１２像素的Ｌｅｎａ图像（见图５）为载体，嵌入４２×４２像素的二值水印图像（见图６）。因为载体图像较大，这里采
取了重复嵌入的方法。图７为嵌入水印信息后的图像。嵌入水印后图像发生了变化，这里为了评价图像前后变化情况引入峰值信噪比的概念。由公式（２）可以求得此时的峰值信噪比ＰＳＮＲ＝４３．７２３２。
（２）
５．２ 常见攻击测试
常见的图像攻击方式有压缩、缩放、裁减和噪声等等。为了检验本算法的性能，这里对图７进行了常见攻击，提取出的水印图像如图８至图１５所示。
左：图１ 二值水印图像
（１２８×１２８）
右：图２ 置乱后的图像
图３ 变换结果 图４ 数据分布
表１ ８×８ＤＣＴ系数矩阵［７］
图５ 原始图像 图６ 二值水印图像 图７ 嵌入水印后图像
左：图８ Ｊｐｅｇ压缩８３％后提取水印
中：图９ Ｊｐｅｇ压缩５０％后提取水印右：图１０ 放大２倍后再提取水印
图１１ 裁减图像１ 图１２ 裁减图像２ 图１３ 提取（图１１）的水印 图１４ 提取（图１２）的水印 图１５ 加入椒盐噪声后提取的水印
（下转第１３５页）
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触发器实现如下：
ＣＲＥＡＴＥ ＯＲ ＲＥＰＬＡＣＥ ＴＲＩＧＧＥＲ 触发器名
ＢＥＦＯＲＥ ＩＮＳＥＲＴ ＯＲ ＤＥＬＥＴＥ ＯＲ ＵＰＤＡＴＥ ＯＮ 表名ＤＥＣＬＡＲＥ
ＮＯＴ＿ＯＮ＿ＵＳＥＲＰＯＷＥＲ；／／定义一个异常ＢＥＧＩＮ
／／判断有无插入权限ＩＦ ＩＮＳＥＲＴＩＮＧ ＴＨＥＮ
ＩＦ （（ＳＥＬＥＣＴ ｉｎｓｅｒｔ＿ｏｆ ｆｒｏｍ权限表名 ＷＨＥＲＥｕｓｅｒ＿ｉｐ＝ＳＹＳ＿ＣＯＮＴＥＸＴ（＇ＵＳＥＲＥＮＶ＇，＇ＩＰ＿ＡＤＤＲＥＳＳ＇） ））！＝１）／／用２．１中的方法在系统表中得到当前用户的ＩＰ
ＴＨＥＮ ＲＡＩＳＥ ＮＯＴ＿ＯＮ＿ＵＳＥＲＰＯＷＥＲ；／／触发异常ＥＮＤ ＩＦ；／／异常处理方法ＥＸＣＥＰＴＩＯＮ
ＷＨＥＮ ＮＯＴ＿ＯＮ＿ＵＳＥＲＰＯＷＥＲ ＴＨＥＮ
ＤＢＭＳ＿ＯＵＴＰＵＴ．ＰＵＴ＿ＬＩＮＥ（＇你无权处理数据！＇）ＥＮＤ
其效果为：任何用户对此表的插入、删除及修改操作（判断三个操作的代码相似，本文只写一个）都会激活触发器，触发器会判断当前用户对此表是否有操作权限，若没有则发出异常，并不对数据库进行操作。
案例引申：实际应用中，这个思路可作为对数据库重做
日志的一个补充，如：自定义一个日志表，当触发器激活时，向日志表中插入用户操作信息，如用户角、用户的ＩＰ、操作时间、操作表名称和对表的操作等，以丰富安全事件的日志信息。此方法与在３．１中构建的触发器相似，在此不再赘述。
４ 结语
以上几种方法均利用了Ｏｒａｃｌｅ数据库中触发器与事务处理机制的强大功能，在防止用户权限提升后恶意篡改数据库方面起到了良好的效果。虽然触发器在数据库开发、管理信息系统开发上有很广泛的应用，但经验表明，使用过多的触发器将降低整个数据库的性能，如果触发器写的不好，会很快破坏数据库的性能，因此，在适当的时候使用恰当的触发器显得非常重要。
参考文献
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［３］ Ｌａｎｎｅｓ Ｌ，Ｍｏｒｒｉｓ Ｍｕｒｐｈｙ． Ｏｒａｃｌｅ９ｉ数据库管理员．北京：清华大学出版社，２００４．５．
椒盐噪声
［４］ 康效龙，张玉清，田玉敏．触发器中实现数据库安全方面的新应用．计算机工程，２００５．１０．
实验结果表明：本文提出的数字水印算法对Ｊｐｅｇ压缩和噪声具有一定的抵抗能力，对于放缩攻击的表现较好，对裁减攻击表现最稳定。载体图像越大，嵌入水印的痕迹越不明显。整个过程注重保持图像能量的前后一致，这点从峰值信噪比上可知。
６ 结语
本文提出的数字水印算法具有较好的抗攻击能力。此外，由于引入了混沌置乱，整个算法的保密性更加完善。当不知道混沌序列的密钥时，水印图像再现基本上是不可能的，这就保证了只有密钥拥有者才能正确地提取到水印信息，从而达到了保护所有者权益的目的。
参考文献
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（上接第１３２页）
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