基于Arnold置乱的小波变换数字视频水印
第２５卷第１期 电脑开发与应用 （总６７） ・６７・
文章编号：１００３—５８５０（２０１２）０１—００６７—０３
基于Ａｒｎｏｌｄ置乱的小波变换数字视频水印
高占威，张永梅，刘 聪，耿捷，巴德凯
（北方工业大学信息工程学院，北京 １００１４４）
摘要：提出了一种结合小波变换和Ａｒｎｏｌｄ变换的数字水印算法。首先用Ａｒｎｏｌｄ变换将水印图像置乱，然后将置乱后的水印 图像，通过对视频关键帧图像的小波变换将其嵌入到视频的关键帧图像中，以完成水印的嵌入。Ａｒｎｏｌｄ变换是图像置乱常用的一种 方法，对水印图像进行置乱处理能够提高其信息安全性，而且对于嵌入水印之后的视频帧来说，其抗剪切攻击等能力也会得到提 高。将Ａｒｎｏｌｄ变换应用到视频水印中，可以使视频水印的安全性、可靠性以及水印嵌入的鲁棒性都得到有效提高。 关键词：数字水印，关键帧，小波变换，Ａｒｎｏｌｄ变换 中图分类号：ＴＰ３１７．４ 文献标识码：Ａ
Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗａｖｅｌｅｔ
ａｎｄ Ａｒｎｏｌｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ＧＡＯ Ｚｈａｎ－ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｍｅｉ，ＬＩＵ Ｃｏｎｇ，ＧＥＮＧ Ｊｉｅ，ＢＡ Ｄｅ—ｋａｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｓｃｒａｍｂｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆｒａｍｅｓ ｏｆ ａ ｖｉｄｅｏ ａｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ｆｉｎａｌｌｙ ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｏ ｅｍｂｅｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｉｎ
ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｋｅｙ ｆｒａｍｅｓ．Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｉｍａｇｅ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ．Ｓｃｒａｍｂｌｅ ｔｈｅ
ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｏ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆｒａｍｅｓ ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ，ｔｈｅｉｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ａｔｔａｃｋ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ａｐｐｌｙ ｔｈｅ Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｗｉｌｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．
‘ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ，ｋｅｙ ｆｒａｍｅ，ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
随着数字技术和因特网的发展，各种形式的多媒 体数字作品纷纷以网络形式发表，然而，数字作品极易
被拷贝和修改的特性使得数字多媒体信息存在被窃取 和篡改的安全风险，数字作品的版权也极易被侵犯，因
此数字水印作为信息隐藏技术的一部分，逐渐成为信 息安全领域研究的一个新的热点。 置乱技术是随着信息的安全与保密被重视而发展
起来的图像加密技术。图像置乱起到了加密的作用，同 时它还可以分散原有水印图像中错误比特的分布，从 而在一定程度上提高数字水印的鲁棒性。单就置乱技
术来讲，它主要是为了提高加密的强度，即解密的难 度。而对于应用在数字水印中的置乱技术来说，它的目 的是尽可能地分散错误比特的分布，提高水印的视觉
效果来增强数字水印的鲁棒性。因此，本文的研究任务 主要为两个方面，即尽可能小的计算量和尽可能大的 置乱度。结合这一任务目标，针对视频这种载体，给出
结合Ａｒｎｏｌｄ变换的小波数字水印方案。
１ 水印图像的Ａｒｎｏｌｄ变换
１．１图像的置乱技术
一般意义上讲，图像的置乱技术属于水印信号预 处理技术的一种，本质上就是利用某种算法将一幅图
＊ 收稿Ｆｔ期：２０１１—０９—１６，修回日期：２０１１—１１－１２ ＊＊ 基金项目：北京市科技创新平台基金（ＰＸＭ２０１２—０１４２１２—００００２４）；北京市大学生科学研究与创业行动计划课题资助项目 ＊＊＊高占威，男，１９９１年生，本科，研究方向：图像处理。
基于Ａｒｎｏｌｄ置乱的小波变换数字视频水印
像各像素的空间排列次序打乱，但像素的总数和直方
图不变。数字图像的置乱变换必须要求是一种可逆变 换，否则，这种置乱变换在实际应用的过程中没有任何 实际意义。置乱变换一般都有周期性，置乱变换后的图 像看起来杂乱无章，一般是看不出图像原有的信息的， 换句话说，在一定程度上置乱后的图像是严重失真的，
但经过一定次数的迭代之后就会恢复成原来的图像。 所以，在不知道所用的置乱算法和迭代次数的情况下， 要复原出原来的图像是有一定困难的。也就是因为这 个原因，置乱技术提高了水印信息的安全性，在更高的
一个层次上对水印信息进行更为安全的保护，同时由 于在置乱的过程中，分散了错误比特的分布，从而提高 了数字水印的视觉效果，增强了数字水印的鲁棒性。 １．２ Ａｒｎｏｌｄ变换 Ａｒｎｏｌｄ置乱的本质就是将原来有一定顺序的数
据通过一定的算法使其变得混乱失去原有的内容及意 义，这样可以大幅度提高水印图像的不可感知性、鲁棒 性以及安全性，所以置乱技术在数字水印领域得到了 越来越多的应用。
Ａｒｎｏｌｄ变换又称猫脸变换（Ｃａｔ Ｍａｐｐｉｎｇ），是 Ｖ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ在遍历理论的研究中提出的一类裁剪变 换。假设数字图像的像素坐标为ｚ，Ｙ∈｛０，１，２，…， Ｎ一１｝，则Ａｒｎｏｌｄ变换为：
［ ［ ［ ，
记变换矩阵为Ａ，右端为输入（ ， ） ，左端（ｚ ， Ｙ ） 为输出，考虑其反馈，迭代程序如下： Ｐ ｎ＋。ｙｌ一 尸：， （ｍｏｄｎ）；Ｐ：， — ，Ｙ ， ＝０，１，２，…（２）
在式（２）中，ｎ代表迭代的次数。由于ＮＸＮ个像 素所能表现的图像是有限的，因此迭代过程呈周期性， 即继续使用Ａｒｎｏｌｄ变换一定会还原到初始状态。通过 离散点集的置换，同时把图像信息（如灰度值）移植过
来，当遍历了原图像所有的点之后，便产生一幅新的混 乱的图像。如图１和图２所示。
北方
工大
图１原始水印 ≤
表１不同阶数下的Ａｒｎｏｌｄ变换周期
Ｎ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１
Ｍｎ ３ ４ ３ １０ １２ ８ ６ １２ ３０ ５
Ｎ １２ ３２ ５０ ６０ １００ １２０ １２８ ２５６ ４８０ ５１２
Ｍ１３＿１２ ２４ １５０ ６０ １５０ ６０ ９６ １９２ ２４０ ３８４ ２ 视频关键帧的小波变换
用于图像处理是小波变换应用效果比较突出的领
域之一。其基本思想是把数 字图像进行多分辨率分解，
分解成不同空间、不同频率 的子图像，然后再根据各个
子图像的特点有针对性地
进行处理。本文对关键帧图 像进行三级小波分解，示意
图如图３所示。 ＬＬ ｌ ＨＬ３ ＨＬ２ Ｉ！些 ＨＬ１
Ｕ电 ＨＨ２
ＬＨ１ ＨＨ１
图３图像三级小波分解
每一级分解都把图像分解为４个频带：水平
（ＨＬ）、垂直（ＬＨ）、对角（ＨＨ）和低频（ＬＬ），其中低频 部分还可以进行下一级分解，从而构成小波的塔式分
解。一幅图像经过分解之后，图像的主要能量主要集中
于低频部分，这也是视觉的重要部分；而图像的高频部 分即图像的细节部分所含能量较少，分布在ＨＬ，ＬＨ，
ＨＨ ３个子图中，主要包含了原图的边缘和纹理部分
信息。基于小波分析的数字水印算法的基本思想是把 水印嵌入到图像小波变换后的低频子带或高频子带系
数中。由于图像的低频子带携带了图像的大部分信息，
因此在低频带可以嵌入更多的水印信息，使水印的鲁 棒性增强，但同时也产生了图像低频子带的变化容易
导致较大的图像失真问题。相反，高频子带携带的是图
像的边缘和纹理信息，人眼对这部分信息不敏感，因
此，在这部分嵌入水印，可以避免引起图像的失真，但 同时水印容易遭到破坏（如有损压缩等）。因此，一个有
效的小波域水印算法必须在鲁棒性和图像的失真窿之 间取得平衡。
３ 算法设计思想
３．１水印的嵌入 水印的嵌入算法具体步骤如下：
①水印预处理，将水印图片进行Ａｒｎｏｌｄ置乱，结 果参见图１及图２；
②构建视频帧序列，提取关键帧，如图４所示；
③对关键帧进行ＤＷＴ变换，将置乱后的水印嵌 入到关键帧中；
④将处理后的视频帧序列恢复成视频。
３．２水印的提取 水印的提取算法具体步骤如下： ①构建视频帧序列，提取关键帧；
②对关键帧进行小波逆变换，提取嵌入的水印，如
图５所示；
第２５卷第１期 电脑开发与应用
（ａ）第１１帧 （ｂ）第１５帧
工太 ≥ 孳簿
毒 崞 ， “、 ．。ｉ一 ． Ｌ，．
（ｂ）提取的水印
的水印 定水印优劣的重要指 出的水印如图８所示。
就蠢
’ 一一１． 一Ｌ．．．， ．
（ａ）压缩后的关键帧 （ｂ）压缩后提取的水印
图８压缩图像和压缩后提取的水印 ③加噪攻击：对嵌入水印的图像作噪声处理，图９
所示为加入０．００５的噪声后的图像和提取出的水印图 像。
实验结果表明，由于采用了变换域的嵌入方法，所 以在ＪＰＥＧ压缩方面有良好的表现，同时对于加噪攻
击也有较好的表现。由于对水印采用了Ａｒｎｏｌｄ置乱，
因此在水印提取之后，如果攻击者不知道置乱的次数， 则无法将水印还原，增强了水印的保密功能。 北方
‘１一．．一萱 一 上．．．，
（ａ）加噪后的图像 （ｂ）加噪后提取的水印
图９加噪图像和加噪后提取的水印
５ 结 论
探讨了基于Ａｒｎｏｌｄ置乱和小波变换的数字水印
算法。从上述实验结果可以看出，对水印图像进行
Ａｒｎｏｌｄ置乱可以使嵌入的信息得到加密保护，置乱算 法效果较好，能够抵抗ＪＰＥＧ有损压缩、噪声、剪切等
常见的攻击方法，提高了水印的鲁棒性。如果不知道置 乱的次数，水印便不能解密。因此，即使攻击者提取出
了水印，在不知密钥的情况下，也无法破解。
参考文献：
［１］Ｌｉ Ｚ，Ｔａｎｇ Ｑ Ｌ，Ｓａｎｇ Ｎ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅａｎ Ｓｈｉｆｔ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ［Ｊ］． Ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８（８）：６２２—６２３． ［２］ Ｒａｚａｌｉ Ｍ Ｔ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２ｎｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２００６：７３３－７３７． ［３］ Ｋａｅｗ Ｔｒａ Ｋｕｌ Ｐｏｎｇ Ｐ，Ｂｏｗｄｅｎ Ｒ．Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｘｔｕｒｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｈａｄｏｗ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ ２ｎｄ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｄｅｏ Ｂａｓｅｄ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＡＶＢＳ０１，２００１． ［４］ Ｚｈａｎｇ Ｗ，Ｗｕ Ｑ Ｍ Ｊ．Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｔｏ Ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ Ｈａｎｄｌｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＩＴＳ，２００８（３）：１６１—１７４． ［５］ Ｃｈｉｕ Ｃ Ｃ，Ｗａｎｇ Ｃ Ｙ．Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００６（６）：４７８－４８３． ［６３ Ｐａｎ Ｊｉｙａｎ．Ｒｏｂｕｓｔ ａｎｄ Ａｃｃｕｒａｔｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｕｎｄｅｒ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｔｙｐｅｓ ｏｆ Ｏｃｃｌｕｓｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８（２）：２２３－２３６． ［７］ 李振鹏，武全胜，张文超，等．一种基于Ａｒｎｏｌｄ置乱和 小波变换的二值图像水印算法［Ｊ］．电子测量技术周 刊，２００８（６）：３１—３６． ［８］ 孙 伟．关于Ａｒｎｏｌｄ变换的周期性［Ｊ］．北方工业大 学学报，１９９９，１１（１）：２９—３２． ［９］ 丁 玎，闫伟齐，齐东旭．基于Ａｒｎｏｌｄ变换的数字图 像置乱技术［Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２００１， １３（４）：３３８—３４１．
基于多小波变换和分块SVD的彩色图像水印算法
收稿日期：2009-05-08基金项目：中国民航大学科研基金资助项目（y）；中国民航大学科研基金资助项目（_）作者简介：韩绍程（）
，男，天津人，实验师，硕士，主要研究方向为数字水印。2010年工程图学学报2010第2期JOURNALOFENGINEERINGGRAPHICSNo.2
基于多小波变换和分块SVD的
彩色图像水印算法
韩绍程1，罗长杰1，张兆宁2，王玉松1
（1.中国民航大学基础实验中心，天津300300；2.中国民航大学空中交通管理学院，天津300300）
摘要：提出了一种基于多小波变换和分块SVD的非盲水印算法。选择彩色图像
的饱和度分量作为水印的嵌入域，水印为有意义的灰度图像，水印经Arnold置乱后被嵌入到饱和度分量多小波变换的不同中频区域中。实验证明，该算法不仅对噪声、JPEG压缩、
剪切及Photoshop处理具有很好的鲁棒性，而且能抵抗旋转、放缩和平移等几何攻击。
关键词：计算机应用；图像水印；多小波变换；分块奇异值分解中图分类号：TP391
文献标识码：A文章编号：1003-0158(2010)02-0128-06
AColorImageWatermarkingAlgorithmBasedon
Multi-WaveletTransformandBlock-SVD
HANShao-cheng1,LUOChang-jie1,ZHANGZhao-ning2,WANGYu-song1
(1.BasicExperimentalCenter,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China;
2.AirTrafficManagementCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)
Abstract:Anon-blindwatermarkingalgorithmisproposedbasedonmulti-wavelet
基于DCT-DWT-SVD的彩色图像安全存储方案
２０１７年 ／ 第５期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application
５９0 引 言随着网络新一代的革新，图片作为一种信息载体，在人们日常的通讯交流中占据着日益重要的地位。然而，对应数据安全技术的发展却不尽人意，特别是在个人和企业的图片信息保护方面存在诸多不足。为此，相关学者在该领域展开了多方面的研究。文献[1]提出了一种新颖的基于离散小波变换（DWT）的数字水印技术用于版权保护。可见与不可见的水印方法被用于提升图像的安全性，但这种方法无法用于视频载体。文献[2]提出将水印嵌入到视频帧的每一个分量中，但该算法不能有效抵抗高斯滤波和中值滤波的攻击。文献[3]提出了一种安全的变容量恢复水印方案，该方案可有效恢复水印，但无法抵挡随机噪声攻击、JPEG压缩和其他常规攻击。文献[4]提出了一种基于灰色关联分析的算法，用灰色关联分析来选择载体的存储区域，信息被隐藏在低频系数分段中。这个算法的优势能保证原始视频的信息不被修改，但算法复杂度相对较高。文献[5]提出了一种基于小波变换的音频信息隐藏算法。通过调节语音段小波变换的中高频系数改变每级小波变换高频系数前后两部分的能量状态来隐藏二进制机密信息。该算法具有良好的隐蔽性和鲁棒性，然而音频载体的隐藏容量不大，但对本文选择视频载体进行信息存储提供了思路。文献[6]提出了一种基于果蝇优化算法的数字水印算法，用于平衡水印的透明性和鲁棒性，同时利用二维离散小波变换和Arnold变换实现图像版权的保护。该算法具有较好的透明性和鲁棒性，在对抗旋转和剪切等几何攻击上有很好的效果。文献[7]提出了一种基于原始视频的鲁棒性盲提取水印算法。该算法结合人类视觉系统的掩蔽特性以及离散余弦变换，将置乱后的水印信息嵌入到宿主视频帧绿色分量的DCT变换低频系数中。实验数据表明该鲁棒性视频水印算法具有优良的不可见性，对不同强度的高斯、帧剪切、椒盐、压缩等攻击具有很强的鲁棒性。文献[8]提出了一种基于DCT变换的数字水印算法，通过他们提到的加密公式将彩色图像转化为灰度图像。水印通过混沌加密算法加密后嵌入灰度图像。将灰度图像变换为彩色图像后即可提取出水印图像。尽管该算法的隐藏过程令人满意，但提取过程是完全对称的，降低了水印嵌入的安全性。在对以上文献中的机制和算法进行学习和研究后，本文提出了一种基于视频载体的彩色图像存储方案，结合二维离散小波变换、离散余弦变换、Arnold变换和奇异值分解等技术，将图像信息进行预处理，通过存储公式或提取公式得到所需奇异值矩阵，再运用一系列逆变换手段还原出含彩色图像的视频或完整的彩色图像，实现彩色图像的安全存取。1 预备知识1.1 关键帧的选择由于视频存储信息量大，连续帧序列间存在大量冗余信息，本文使用视频关键帧对图像进行嵌入。根据HVS（人类视觉系统）显示，人眼对蓝色通道的识别最不敏感，本文决定将彩色图像嵌入到关键帧的B分量中，且不会影响R和G分量中的信息。传统选择关键帧的方法计算复杂度较高，因此提出一种简单的关键帧快速选取方法，详细步骤如下：（1）计算R、G分量差值的绝对值之和，记为SK。SK的定义见公式（1）：基于DCT-DWT-SVD的彩色图像安全存储方案李延哲，梁仁鹏，张紫砚，崔 杰（安徽大学 计算机科学与技术学院，安徽 合肥 230039）摘 要：针对目前数字水印技术中图像作为存储载体时不足以支撑大量数据安全存储的问题，基于DCT-DWT-SVD视频水印算法思路，文中提出一种彩色图像的安全存储方案，利用视频作为存储载体，选取原始视频关键帧，采用离散小波变换和离散余弦变换对关键帧的B分量进行多次变换，将变换后的子带进行Arnold置乱，将同样经过多次变换处理的图像嵌入置乱后的子带中，再通过奇异值重构、逆变换、反置乱等方法，得到包含彩色图像的视频。提取图像时，非完全对称的过程被采用。实验结果表明，文中算法对常规的图像处理攻击，如噪声、滤波、剪裁、亮度变化、缩放、JPEG压缩以及帧攻击等均具有很强的鲁棒性，满足对图片的存储和提取要求，可实现彩色图像的安全存储。关键词：彩色图像；视频载体；安全存储；关键帧；颜色通道中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0059-04
基于提升小波变换的真彩水印嵌入算法
邮局订阅号：82-946120元/
年技
术
创
新嵌入式与SOC
《PLC技术应用200例》您的论文得到两院院士关注
彭静玉:硕士讲师
基金项目:
基金申请人:彭静玉;项目名称:面向彩色图像的数
字水印技术研究;基金颁发部门:江苏省自然科学基金;编号:
(BK2011375)基于提升小波变换的真彩水印嵌入算法
AColorWatermarkingAlgorithmBasedonLiftingDWT
(苏州大学)彭静玉徐大诚
PENGJing-yuXUDa-cheng
摘要:提出了一种针对真彩图像的小波域数字水印算法。该算法嵌入的水印不再是二值或者灰度图像,而是一幅包含更多信
息量的真彩图像。根据载体及水印的数据量自适应地计算域值来选择水印的最佳嵌入位置。采用提升方案的小波变换解决
了真彩图像小波系数重构时能量损失的问题。实验表明该算法能够有效地抵抗有损压缩、低通滤波、加噪处理及图像剪切
等攻击处理,具有较强的稳健性。关键词:真彩水印;提升小波变换;自适应;鲁棒性
中图分类号:TP391文献标识码:A
Abstract:AndigitalwatermarkingalgorithmforcolorimagesbasedonDWTispresented.Thewatermarkinthispaperisneithera
binaryimagenoragrayimage,butacolorimagewhichincludesmoreinformation.Thebestareaswherethewatermarkwillbeem-
beddedarechosebasedonthethreshold,whichiscalculatedadaptivelybythedataofcarrierandwatermark.Theproblemofenergy
lossissolvedbyliftingschemeDWT.Experimentalresultsshowthatthealgorithmisrobustforattackssuchaslossycompression,
基于新型Arnold反变换和DCT系数融合的信息隐藏方法
基于新型Arnold反变换和DCT系数融合的信息隐藏方法
杨洁;敬敏
【摘 要】信息隐藏技术中广泛应用Arnold变换,传统的Arnold反变换迭代周期性长,运算效率低,因此引入一种新型Arnold反变换算法.新算法减少了反变换的迭代次数.在此基础上,结合图像融合技术和二维DCT变换,提出一种基于新型Arnold变换和DCT系数融合的信息隐藏算法.实验测试结果表明,该算法具有良好的隐蔽性和有效性,对于一般噪声和恶意攻击有一定程度的鲁棒性.
【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(008)003
【总页数】7页(P38-44)
【关键词】信息隐藏;新型Arnold变换;图像融合;DCT系数
【作 者】杨洁;敬敏
【作者单位】南京工程学院通信工程学院,江苏,南京,211167;驻电子十四所军代表室,江苏,南京,210039
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.1
基于图像的信息隐藏技术就是利用人眼对数字图像的感觉冗余，将信息隐藏在载体图像中，达到秘密信息隐蔽通信的目的.图像信息隐藏算法按嵌入域可分为空间域方法和变换域方法.空间域算法以LSB(最低有效位)为主，就是将信息嵌入到数字图像的某些像素位，具有算法简单、嵌入容量大、不可见性好和提取信息时不需要载体图像等优点，但LSB算法的安全性不好，鲁棒性较差.变换域算法则是对公开的载体信息作正交变换后，将秘密信息嵌入到隐蔽的变换域中，具有较强的鲁棒性［1］，如DCT(离散余弦变换)、DWT(小波变换)等，是目前应用广泛的算法.
数字图像的置乱作为信息隐藏前的预处理手段，能够进一步提高秘密信息的不可感知性和信息隐藏系统的抗攻击和检测能力.文献［2－5］在秘密信息隐藏之前对秘密图像进行Arnold变换作为预处理.数字图像的融合技术是指通过某种方法将两幅或多幅数字图像融合为一幅图像［6］，在许多典型的数字图像信息隐藏中都结合了置乱和融合两种技术.文献［7］算法先对多幅图像进行融合，然后再置乱加密，最后利用变换将隐藏信息嵌入公开图像中.文献［8］采用Arnold变换对秘密信息置乱加密，在DCT域通过图像融合来实现隐秘信息嵌入.
一种鲁棒的数字水印算法
一种鲁棒的数字水印算法
龚成清
【摘 要】数字水印是信息隐藏和版权保护的有效手段。针对一般数字水印算法的视觉性和鲁棒性无法兼顾的问题，对JPEG 2000的图像格式提出了一种自适应的盲水印算法。算法使用m+n位的线性反馈移位寄存器对水印图像进行移位置乱，然后利用JPEG 2000图像的特点，对原始图像进行小波变换处理后选择低频子带进行水印的嵌入，在量化处理的同时完成了水印的嵌入，提高了水印嵌入的速度。根据LSFR的性质，算法对水印进行有效地检测和移位复原，实现了水印的盲提取。实验表明，该算法具有良好的视觉性和抵抗攻击的鲁棒性。%Digital
watermarking is an effective means of information hiding and copyright
protection. For general digital watermarking algorithm can not balance the
visuality and robustness,this paper proposes a robust blind watermarking
algorithm of JPEG2000 images.It designes a Linear Shift Feedback Register
of m+n bits to scramble the watermark image,then choses the low
frequency which is processed after the wavelet transform to embed the
watermark bit.It completes the watermark embedding with the
quantification processing.It improves the watermark embedding speed.
基于Arnold变换和混沌映射的数字水印嵌入算法
２ １ Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ｅｎｄ ＴｅｃｈｎＯＩＯｇｙ ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ Ｔ技术 基于Ａ ｒ ｎ ｏ Ｉ ｄ变换和混沌映射的数字水印嵌入算法 王伟 （长沙师范学校 长沙４１Ｏ１００） 摘要：本文提出一种ＬＳＢ改进算法，利）￣Ａｒｎｏｌｄ变换和混沌序列对水印预处理，从而改进了传统ＬＳＢ算法鲁棒性差的缺点。实验结果表明。 采用该算法的水印在无原始图像的情况下，通过密钥能够清晰的检测到水印的存在，对常见的图像处理有较好的鲁棒性。 关键词：Ａｒｎｏｌｄ变换 混沌 数字水印 图像处理 中图分类号：ＴＰ３ ０ ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－－０９８Ｘ（２０１ ０）０２（ｃ）一００２２—０２ 随着多媒体技术、信息存储技术和网 络的发展，数字图像已成为人们获取信息 的主要手段。空间域的图像置乱是利用某 种算法将一幅图像各像素的次序打乱，但 像素的总个数不变，直方图不变，使一幅图 像变得“面目全非”。典型数字水印的空域 算法是将信息嵌入到图像点中最不重要的 像素位上，再通过记录提取这些信息来检 测水印，该种方法具有算法简单、速度快、 容易实现等特性，已受到人们高度重视。 本文利用Ａｒｎｏｌｄ变换和混沌随机性好 的特性，针对ＬＳＢ算法对于压缩、滤波及旋 转等图像处理稳健性差的缺点，改进了传 统的ＬＳＢ算法，如图ｌ所示。实验结果表明， 该水印方案安全可靠，不可见性好，对常见 的图像处理有较好的鲁棒性，易于实现。 １水印信息预处理 １．１水印图像置乱处理 数字图像可以看为一个二维矩阵，经 过Ａｒｎｏｌｄ变换之后图像的像素位置会重新 排列，这样图像会显得杂乱无章，从而实现 了对图像的置乱加密效果。基于Ａｒｎｏｌｄ变 换的数字图像置乱技术采用如下变换： Ｊ ｌ ｌ １ １ ｌ Ⅳ（七） ｛ ｔｌ Ｊ后Ｊｉ｝＋１ Ｙ ｍｏｄＮ（１） 其中，ｋ是一个控制参数，Ｎ是矩阵的大 小，ｘ，ｙ和ｘ ，ｙ 表示像素点在变换前后的 位置。它定义的Ａｒｎｏｌｄ变换实际上是一种 点的位置移动，这种位置移动是对应点的 灰度值或者ＲＧＢ颜色值的移动，且这种变 换是一一对应的。 由式（１）可以得到相应的逆变换公式 （当ｋ＋１时）： ］＝（［ ］ Ｉ＋［ ］］ｍ。ｄⅣｃｚ 此逆变换公式经过相应的迭代次数就 可以还原出原始图像。 １．２置乱图像混沌处理 混沌区的数据有两个特性：迭代不重 复性和初值敏感性。当选定适当系数使方 程进入混沌状态时，方程将进行无限不循 环迭代，因此不会出现重复的迭代值。任何 人如果不知道其初值都无法预测下一个迭 代值，这种迭代的结果可以用来产生随机 序列。 考虑一维离散混沌映射，＿厂： ＵｃＲ Ｘ “＝ｆ（ｘ ， ）， ｅＵ， ∈Ｒ （３） 其中１７＝ｌ，２…．表示迭代次数， 是控 制系统混沌行为的参数。先由二值水印图 像获得水印信号 ，然后利用行扫描将其 映射为一维向量 ， ＝｛ （ （ ∈｛０， １｝，０≤ｉ＜ｍｘ刀｝，脚ｘ１７为水印图像大小。由 式（３）生成的实数混沌序列二值化后可得 ｛０，１｝二值混沌序列，然后利用密钥 可得 十进制混沌伪随机序列尸， ｛Ｐ（川尸（ ）∈ ｛０，１｝，０≤ 脚×／２｝。最后用生成的序列Ｐ对 进行混沌调制，得到待嵌入水印信号 ， （ ）＝ （ ）０ ｌ，）（０≤ 脚×／７），０在这 里表示异或运算，混沌处理后的图像如图２ 所示。 ２水印嵌入 原始图像如式（４） Ｓ＝｛ （ｉ，Ｊ）０≤ｆ＜Ｍ，０ Ｊ＜Ｎ｝ （４） 其中 （ｆ，Ｊ）∈｛Ｏ，ｌ，２，３…２５５｝，Ｍ，Ｎ是水 印的宽、高。 分块操作后如式（５）： ＝Ｒｅｇｕｌａｔ￣ｓ（ｉ， ））＝ （ ．， ＿｝０ ，＜Ｆｌｏｏｒ（Ｍ，８） ０ ，’＜Ｆｌｏｏｒ（Ｎ，８）） （５） 令 ’Ｆｌｏｏｒ（Ｍ，８），Ｎ’Ｆｌｏｏｒ（Ｎ，８），则 ８ Ｘ ８大小的原始图像个数，如式（６）： ： Ｍ１ 了ＮＩ （６） ８ ８ … 算法步骤如下：（１）对原始水印进行二 值化处理，保证原始水印所有像素值只有 二种值，并对原始水印 按式（１）进行 Ａｒｎｏｌｄ变换，以适合嵌入处理过程Ｉ（２）由变 换后的水印图像获得水印信号 ；（３）利用 行扫描将其映射为一维向量 ， ＝｛ （Ｄ ｌ （ ∈｛０，１｝，０≤ｉ＜ＭｘＭ，ＭｘⅣ为水印 图像大小；（４）给定一个混沌初值（密钥 ） 生成混沌序列｛ ｌ，：１，２，……｝其个数为水 印大小；（５）最后用经过散列处理的混沌序 列（其混沌初值作为密钥 ）对 进行混沌 加密，得到待嵌入水印信号 ， （力＝ｗ１（Ｄ ０ （ （０≤ ｘ Ｍ，０在这里表示异或运 算。（６）对原始图像分块后，将水印信号 嵌入，得到水印图像 ３水印提取 水印提取过程中所用密钥 ．和 与嵌 入过程相同，具体步骤如下：（１）给定密钥 在图像 中得到水印信息 。（２）再由密钥 生成二值混沌序列Ｐ对 解调，即： ’ （ ： （ 力，ｔ＝Ｏ，ｌ，２，…，埘Ｘ 一１。（３）最 （ａ）水印嵌入过程 （ｂ）水印提取过程 图１ 水印嵌入和提取框图 ２２ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉ
数字水印+置乱
需要改进的地方
1. 水印的预处理，要有单独的一个GUI界面，用两种置乱方法（其中一种是Arnold
变换），置乱的次数可以在GUI界面上控制，具体参考如下如下
2. 置乱后的水印嵌入，需要一个单独的GUI界面，DCT法还是DWT法可以在界面上选择控制，对于两种方法的性噪比的结果分别显示在axes3和axes4中，比较的结果（哪个好哪个坏）显示在比较按钮下方的static text中，具体参考如下：
3. 水印的提取，需要一个GUI界面，提取的方法（DCT还是DWT）可以在界面是选择控制，具体参考如下：
4. 水印图像的攻击，需要单独的一个GUI界面，攻击要有三种方法（例如噪声攻击，尺寸变换，压缩变换），每中方法需要单独的一个GUI界面，例如噪声攻击，axes4，axes5，axes6中分别显示水印原图，两种噪声攻击后提取的水印，比较的结果显示在比较按钮下方的static text中，具体参考如下：
基于Arnold置乱水印技术在医学图像中隐藏病历信息的研究_王欣
西南民族大学学报·自然科学版
第32卷第2期
Journal of Southwest University for Nationalities⋅
Natural Science Edition Mar.
2006
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收稿日期：2005－11－23
作者简介：王欣(1973－),男,西北工业大学计算机学院硕士研究生，主要研究数字水印模型. 文章编号：1003-2843(2006)02-0371-05
基于Arnold置乱水印技术在医学图像中隐藏病
历信息的研究
王欣，张艳宁，徐涛
(西北工业大学计算机学院, 陕西西安 710072)
摘 要：传统的医学图像需要另外标注记录在纸上的病历信息与之匹配，容易发生信息泄密和错乱等问题．数字化医
学图像水印技术提供了解决这一问题的途径：利用文本病历信息生成水印信号，以数字图像作为载体，取代了传统医
学图像的标注方法，确保嵌入其中的记录与图像的本质联系；采用了Arnold置乱方法，保证了水印信息的安全性．实
验证明，使用含水印的医学图像在保证识别系统正常工作的前提下，提高了隐藏病历信息的安全性，并且水印算法表
现出良好的鲁棒性．
关键词：数字水印；医学图像：信息隐藏；多重嵌入
中图分类号：TN911.73 文献标识码：A
1 引 言
常用医学图像主要包括：X 光图像、超声图像、内窥镜图像、显微图片、断层及核磁共振图片．如果将包
括病人和医生姓名、编号、检查日期时间、病变类型、病历片段等重要信息以文字、数字代码水印形式隐藏在
为其拍摄的医学影像中[1]
，则在病历与医疗图像间建立起一一对应关系, 保持诊断数据的一致性，有利于方便
快捷的检索．既能防止发生遗失错乱现象；又能保证病历的秘密性,有效保护病人的隐私；另外，也为追踪泄密
基于Arnold变换的图像置乱算法及实现
第２５卷第３期 ２００８年５月 贵州大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖ０１．２５ Ｎｏ．３ Ｍａｙ．２ＯＯ８
文章编号１０００—５２６９（２００８）０３—０２７６一ｏ４
基于Ａｒｎｏｌｄ变换的图像置乱算法及实现
黄俩兀
（贵州大学职业技术学院，贵州贵阳５５０００３）
摘要：随着互联网的普及和网络带宽的提高，人们越来越多的在互联网上传输图像、视频等多
媒体信息。开展如远程教学、网络办公等网络业务。许多重要的图像信息也会在互联网上传播，
如：病人病例、设计图纸、军事资料，这些重要的图像信息在互联网上传输时必须进行加密，图像
置乱技术可以做为图像信息的一种加密算法。本文首先介绍了常用的几种图像置乱算法，然后 讨论了基于Ａｒｎｏｌｄ变换的图形置乱算法及其周期性，最后用ＭＡＴＬＡＢ７．０对这一算法进行了实
现。
关键词：信息加密；图像置乱；Ａｒｎｏｌｄ变换；ＭＡＴＬＡＢ实现
中图分类号：ＴＰ３０９ 文献标识码：Ａ
Ｉｍａｇｅ Ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒｎｏｌｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ
ＨＵＡＮＧ Ｆａｎｇ—ｙｕａｎ （Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｍｅ— ｄｉａ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｖｉｄｅｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｂｅｃｏｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｆａｓｔ．Ｌｏｎｇ—ｄｉｓ— ｔａｎｃｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｆｆｉｃｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，ｔｏｏ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｍａｎｙ ｉｍｐｏｒ－ ｔａｎｔ ｉｍａｇｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ｓｐｒｅａｄ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｐａｔｉｅｎｔｓ’ｃａｓｅｓ，ｄｒａｗｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ， ｍｉｌｉｔａｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｂｕｔ ｔｈｅｓｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｕｓｔ ｂｅ ｅｎｃｒｙｐｔｅｄ．Ｉｍａｇｅ Ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ Ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｇｅｒ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ，ｔｈｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｍ・ ａｇｅ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ’Ｓ ｐｅｒｉｏｄ．Ａｔ ｌａｓｔ ｗｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｂｙ ｍａｆｌａｂ ７．０． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｎｃｒｙｐｔ；ｉｍａｇｅ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ；Ａｒｎｏｌｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ；ＭＡＴＬＡＢ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ
基于Arnold置乱的数字图像加密技术研究
基于Ａｍｏｌｄ置乱的数字图像加密技术研究
基于Ａｒｎｏｌｄ置乱的数字图像加密技术研究
王璐璐１
（１．中国民航大学，２． 张羽中
装备指挥技术学院）
摘要：从概述图像置乱基本原理出发，说明基于Ａｒｎｏｌｄ变换的数字图像置乱及其恢复方法。 初步仿真后发现，该法局限于在一个方向上（位置空间）进行图像置乱，图像保密性和彩色图像置
乱效果存在局限，因此引入通过密钥改进的Ａｒｎｏｌｄ置乱数字图像加密方法，使得图像的安全性和加 密效率有效提高。
关键词：图像置乱Ａｒｎｏｌｄ变换密钥
随着现代信息技术飞速发展，人们在快速获 取数字图像的同时，也带来了一系列的安全隐患。
如何有效保护数字图像信息已成为当前研究的热
门问题。然而，数字图像加密方法多种多样，各方
法之间又具有不同的适用性。图像置乱作为数字 图像加密技术的一项基本手段，具有周期性、可逆
性等优点。因此，本文集中研究基于Ａｒｎｏｌｄ置乱
的数字图像加密技术，并对其进行仿真实现。
一、基于Ａｒｎｏｌｄ置乱的数字图像加密
１．图像置乱 图像置乱是通过利用数字图像具有数字矩阵
的特点，根据某些特定变换及其数学上的特殊性
质，搅乱图像中像素的位置或颜色，将原来有意
义的图像信息变换成一幅杂乱无章的图像。数字 图像置乱及其逆过程实质是图像编码与解码的过
程。它的基本思想可以追溯到高卢战争时期凯撒
大帝使用的凯撒暗码，即：将原信息中的某个字 母，按照某种固定的规则，依次用另外的字母代
替；这种字母替换可以看作为一种一维数据流的
值替换，将之扩展Ｎ－－维情形，就得到了对数字
图像的位置或灰度等做变换，使图像变得混乱， 从而在一定程度上达到迷惑第三方的目的 。
因此，图像置乱有两个应用：一是进行加密处
理，若不知道置乱所采用的算法，就难以恢复原 图像；二是图像置乱后所得到的杂乱信息，可抽
象成一些随机信息，在隐藏至另一图像中时不会 出现容易识别的形状或交叠现象 ｝９。