《電子技術(shù)應(yīng)用》
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直方图移位安全可逆图像水印算法的研究
2020年信息技术与网络安全第9期
赵文鹏，李子臣，游福成，李祯祯
北京印刷学院 信息工程学院，北京102600
摘要： 针对一些在数字版权保护和多媒体信息安全领域中，需要对嵌入的水印信息进行加密来确保水印信息的机密性，提出直方图移位安全可逆的图像水印算法。对载体图像的最大像素值和最小像素值分别进行减一加一的操作，并且对该像素值进行标记，图像预处理的方法，解决了嵌入水印信息时像素值修改产生的溢出问题。利用祖冲之序列密码算法(ZUC算法)对水印信息进行加密。在水印嵌入阶段，计算每个半平面像素的四邻域、八邻域的预测差值，来构建二维直方图，嵌入加密的水印。实验结果表明，算法能够无损地恢复原始载体图像，加密水印信息能够正确解密，含加密水印图像的峰值信噪比均达到50 dB以上；该方案具有良好的加解密效果，水印图像具有很好的质量和水印隐蔽性，算法具有可逆性，并且解决了像素溢出的问题。
中圖分類號(hào)： TP309.7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.007
引用格式： 趙文鵬，李子臣，游福成，等. 直方圖移位安全可逆圖像水印算法的研究[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2020，39(9)：34-38.
Research on histogram shift safe reversible image watermarking algorithm
Zhao Wenpeng，Li Zichen，You Fucheng，Li Zhenzhen
School of Information Engineering，Beijing Institute of Graphic Communication，Beijing 102600，China
Abstract： In the field of digital copyright protection and multimedia information security, the embedded watermark information needs to be encrypted to ensure the confidentiality of the watermark information, so a safe and reversible image watermarking algorithm for histogram shift is proposed. The maximum and minimum pixel values of the carrier image are subtracted one and added one respectively, and the pixel value is marked. The carrier image is preprocessed to solve the problem of overflow caused by pixel value modification when embedding watermark information. The watermark information is encrypted using ZUC sequence cipher. In the stage of watermark embedding, the predicted difference of four fields and eight fields of each half-plane pixel is calculated to construct a two-dimensional histogram, and then the encrypted watermark is embedded. Experimental results show that the algorithm can restore the original carrier image lossless, the encrypted watermark information can be decrypted correctly, and the peak signal-to-noise ration value of the encrypted watermark image reaches more than 50 dB. The experimental results further illustrate that the scheme has good encryption and decryption effects, the watermark image has good quality and watermark concealment, the algorithm is reversible, and solves the problem of pixel overflow.
Key words : encrypted watermark；prediction difference；histogram shifting；pixel overflow

0 引言

    隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體的快速發(fā)展及普及，數(shù)字內(nèi)容規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，使得數(shù)字內(nèi)容的安全性越發(fā)重要[1]。數(shù)字水印技術(shù)(Digital Watermarking)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏的一個(gè)重要分支。

    傳統(tǒng)的水印是以顯性嵌入在作品中的形式存在的，會(huì)極大地影響原作品的展示、傳播、學(xué)習(xí)和欣賞。顯性水印指的是嵌入水印之后，人類肉眼可以看見嵌入的水印信息。

    現(xiàn)在越來越多的水印是隱性水印，隱性的水印嵌入技術(shù)是指載體圖像嵌入水印之后，人類肉眼無法看見嵌入的水印信息。版權(quán)方面[2]，現(xiàn)在的數(shù)字水印技術(shù)是將水印信息，如用戶信息、版權(quán)信息等嵌入到數(shù)字載體中，由此來確定版權(quán)擁有者、跟蹤侵權(quán)行為、所有權(quán)認(rèn)證、認(rèn)證數(shù)字內(nèi)容來源的真實(shí)性等。一旦攻擊者獲知了水印算法，利用提取水印算法很容易獲取水印信息，出現(xiàn)信息泄露或偽造水印的現(xiàn)象，因此，使用水印加密技術(shù)，即使水印被攻擊也只能得到無用的數(shù)據(jù)。在其他領(lǐng)域，如軍事方面，數(shù)字水印用于秘密通信，讓軍事機(jī)密消息的傳遞不暴露在傳統(tǒng)的信息通道中，同時(shí)也需要保護(hù)水印信息。

    在已有研究中，文獻(xiàn)[3]提出了基于直方圖移位的方法，具有良好的PSNR值，但嵌入容量和水印圖像的魯棒性需要進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[4]中提出了對(duì)直方圖進(jìn)行修改并對(duì)提取方式進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)水印的魯棒性，但算法并沒有提高水印嵌入容量。文獻(xiàn)[5]中提出了一種基于直方圖修改的圖像水印算法，能抵抗一般的傳統(tǒng)攻擊，增強(qiáng)了算法的魯棒性，但算法并沒有提高水印嵌入容量。文獻(xiàn)[6]提出了基于二維直方圖平移的方法，解決圖像在嵌入容量較大的情況下，水印隱蔽性和認(rèn)證圖像質(zhì)量不高的問題，利用篡改檢測(cè)方法定位出圖像被篡改的區(qū)域，圖像完整性的認(rèn)證進(jìn)一步增強(qiáng)，但是沒有考慮像素溢出和水印信息安全的問題。




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作者信息:

趙文鵬，李子臣，游福成，李禎禎

(北京印刷學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京102600)

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