基于置乱技术与扩频技术的小波变换的数字图像

摘　要：本文为了增强数字水印的鲁棒性，在嵌入水印之前对图像水印进行了置乱处理，用置乱次数作为提取水印时的密钥，在嵌入水印的时候又应用了扩频技术。实验结果表明，该算法取得了良好的效果。

关键词：数字水印；置乱技术；扩频技术；小波变换

1.引言
　　随着数字技术和网络的发展，各种形式的多媒体数字作品通过网络进行传输，然而数字作品的便利性和不安全性是并存的，它可以低成本、高速度地被复制和传播，这样就为创造者和使用者都提供了很大的便利，但这些特性也容易被盗版者所利用，因此采取多种手段对数字作品进行保护、对侵权者进行惩罚已经成为十分迫切的工作。数字水印技术的研究就是在这种应用要求下逐步发展起来成为国际上研究热门的课题。
　　数字水印技术是将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频等多媒体数据中，而对其原内容的使用没有影响，且人的感知系统也觉察不到，只有使用专门的一些检测器或阅读器才能将隐藏信息提取出来的一种技术。一个好的数字水印应具有以下特性：
　　透明性：或称为不可感知性、高保真等，利用人类视觉系统属性，进行数据隐藏。
　　鲁棒性：即在水印图像经受JPEG压缩或一般的图像处理(如滤波、平滑、图像量化与增强、有损压缩、几何变形、噪声污染等)等无意变形或有针对性的恶意攻击后，水印依然存在于多媒体数据中并可以被恢复和检测出来。
　　一个好的数字水印方案通常是多种技术的结合，如加密技术、扩频技术等。本文就是在数字水印中结合了扩频技术与置乱技术。
2. 基于小波变换的数字图像水印
　　数字水印的算法主要是：空间域（spatial domain）算法和变换域（transform domain）算法。空间域算法具有容易实现、算法简单、运算速度快、 嵌入的信息量大、能够有效地利用人类视觉系统特性等优点。其缺陷是算法的鲁棒性差空间域算法具有简单、速度快、易实现的特点，但抗攻击能力差。变换域法相对于空域方法来说，具有更强的鲁棒性。
　　目前常用的变换域数字水印算法主要是采用DCT 变换（离散余弦变换）和DWT 变换（离散小波变换）。相比之下，DWT 域图像水印较DCT 域图像水印更有优越之处。DCT 变换纯粹将空域变换到频率域，因此没有利用图像的空间－频率特性，而这种空间－频率特性正好与人眼的某种视觉特性相一致，也就是说，利用小波变换可以利用HVS（人眼视觉系统）的空间－频率特性。小波变换是目前数字水印方向研究的重点。
3. 置乱技术与扩频技术
3.1 置乱技术
　　水印主要类型有两种：符号和图像。符号一般是嵌入作者信息、产品序列号等信息，但一个符号的失误就意味着整个水印的失效。而图像水印很直观，能容忍一定的失真，可用人眼直接判断，所以本文采用的是图像数字水印。
　　图像置乱是一种图像加密的技术。所谓图像置乱，就是运用一定的规则打乱图像中所有像素的原始位置，使原始图像成为一幅杂乱无章的图像，从而达到没有办法辨认出原始图像的目的。目前，人们用得比较多的置乱技术有Arnold变换、幻方变换、Gray码变换等方法。其中，Arnold变换算法简单且置乱效果好，在图像数字水印方面得到了很广泛的应用。
　　后的坐标，N为数字图像矩阵的阶数。在水印图像置乱时，将置乱次数k作为密钥，图像矩阵执行k次Arnold变换；在逆置乱时，利用Arnold变换的周期性，
对提取的水印做T-K次变换便可恢复原水印图像。其中，T为Arnold变换的周期。图1为图像水印，图2为经过多次变换后的图像水印。

　　　　　　图1 原始图像水印                             图2 多次变换后的图像水印
3.2 扩频技术
　　数字水印技术的一大进步就是扩频技术的运用。扩频技术是一种信息处理，它是对被传输的信号扩展频谱，使之超过被传输信息所需的宽度，在接收信息时采用相同的解扩恢复数据。
　　利用扩频技术，可以将数字水印分布在数据频域的多个系数中，加入每个频域系数的信号能量就很小，不易察觉。在数字水印检测过程中，由于知道数字水印的位置和内容，能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值。因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的鲁棒性和安全性。
4. 结合混沌技术，扩频技术，小波变换的数字水印算法
　　小波域算法是将输入的原始图像进行多分辨率的分解，然后对不同分辨率的信息进行相应的带宽分配，将数字水印嵌入到小波域系数上。离散小波变换（DWT）是一种对图像多尺度的空间频率分解，能更好地与人类视觉模型（HVS）相匹配。
　　利用扩频技术原理，将被置乱的数字水印分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测。只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被看见。
　　数字水印的嵌入过程见图3。数字水印的提取过程见图4。

图3 数字水印嵌入过程图

图4 数字水印提取过程图
5. 实验结果
　　本文介绍了一种基于小波变换的、置乱技术和扩频技术的数字水印算法。该算法具有以下优点：
（1） 实现了双重加密、双重保护的功能，大大的增强了数字水印的鲁棒性。
（2） 实验结果表明，结合了置乱技术、扩频技术的数字水印方法具有较好抗攻击性。

参考文献：
．计算机应用，2007，27(2)：295-298．
基金项目:吉林省教育厅“十二五”科学技术研究（吉教科［2012］381） ；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究（吉教科［2011］397）。