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空域强鲁棒零水印方案
资料介绍
为了解决传统鲁棒水印技术不可感知性和鲁棒性间的矛盾,对空域零水印技术进行研究,分析了常规图像处理攻击对载体图像所有选择分块整体均值与分块均值间大小关系的影响,结果表明此关系具有较强的稳健性.基于此,提出了一种新的空域强鲁棒零水印方案.1)利用混沌系统对初值敏感的特性映射图像分块的位置和采用混沌加密与Arnold空间置乱技术对原始水印信号进行预处理;2)采用载体图像所有选择分块整体均值与分块均值间大小关系的稳健性能来构造特征信息;3)采用混沌加密和Arnold空间置乱技术对生成的零水印信号进行后处理.仿真实验结果表明,本文算法对常规的图像处理、尺寸缩放、旋转和多种组合攻击等都表现出较强的抗攻击能力.与相似的鲁棒零水印方案相比,本文算法的平均运行时间不仅减少了约90%,而且抗攻击平均性能提高了约15%,表明它具有较低的计算复杂度和更优越的鲁棒性能,适用于对载体图像质量要求较高的作品版权保护应用场合.
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（完整内容请下载后查看）第 44 卷 第 1 期
2018 年 1 月
自
动
化
学
报
Vol. 44, No. 1
January, 2018
ACTA AUTOMATICA SINICA
空域强鲁棒零水印方案
熊祥光 1
摘
要
为了解决传统鲁棒水印技术不可感知性和鲁棒性间的矛盾, 对空域零水印技术进行研究, 分析了常规图像处理攻击
对载体图像所有选择分块整体均值与分块均值间大小关系的影响, 结果表明此关系具有较强的稳健性. 基于此, 提出了一种新
的空域强鲁棒零水印方案. 1) 利用混沌系统对初值敏感的特性映射图像分块的位置和采用混沌加密与 Arnold 空间置乱技术
对原始水印信号进行预处理; 2) 采用载体图像所有选择分块整体均值与分块均值间大小关系的稳健性能来构造特征信息; 3)
采用混沌加密和 Arnold 空间置乱技术对生成的零水印信号进行后处理. 仿真实验结果表明, 本文算法对常规的图像处理、尺
寸缩放、旋转和多种组合攻击等都表现出较强的抗攻击能力. 与相似的鲁棒零水印方案相比, 本文算法的平均运行时间不仅减
少了约 90 %, 而且抗攻击平均性能提高了约 15 %, 表明它具有较低的计算复杂度和更优越的鲁棒性能, 适用于对载体图像质
量要求较高的作品版权保护应用场合.
关键词 混沌系统, 空域, 零水印, 常规攻击, 组合攻击, 鲁棒性
引用格式 熊祥光. 空域强鲁棒零水印方案. 自动化学报, 2018, 44(1): 160−175
DOI 10.16383/j.aas.2018.c160478
A Zero Watermarking Scheme with Strong Robustness in Spatial Domain
XIONG Xiang-Guang1
Abstract In order to solve the contradiction between imperceptibility and robustness of traditional robust watermarking
technology, the spatial domain zero watermarking technology is researched and the eあect of the numerical relationship
between the overall mean of all selected blocks and block mean against common image processing attacks is analyzed.
The results show that the numerical relationship has strong stability. Based on this, a new zero watermarking scheme
with strong robustness in the spatial domain is proposed. Firstly, using the characteristic of sensitivity to initial value,
logistic mapping is used to find the position of image block and the original copyright information is pre-processed by
chaotic encryption and Arnold scrambling technologies. Secondly, the stability of the numerical relationship between
the overall mean of all selected blocks and block mean is utilized to generate feature information. Finally, the generated
zero watermarking signal is post-processed again by chaotic encryption and Arnold scrambling technologies. Experimental
results on a large number of standard test images show that the proposed algorithm has strong robustness against common
image processing, scaling, rotation, and various combination attacks. Compared with similar robust zero watermarking
schemes, the proposed scheme not only saves 90 % running time but also improves robustness performance by 15 % on
average. These results show that it has lower computational complexity and better performance and can be applied in
copyright protection applications for high quality requirements of cover images.
Key words Chaos system, spatial domain, zero watermarking, common attack, combination attack, robustness
Citation Xiong Xiang-Guang. A zero watermarking scheme with strong robustness in spatial domain. Acta Automatica
Sinica, 2018, 44(1): 160−175
数字水印技术按水印信号的嵌入域可分为空域
数字水印技术和变换域数字水印技术两类 一般地
变换域数字水印技术表现出更强的鲁棒性能 因此
现在的数字水印技术绝大多数都属于变换域算法
变换域水印技术往往将水印信号嵌入到载体信号的
变换域系数中 具有较强的鲁棒性 对载体信号的版
收稿日期 2016-06-18 录用日期 2016-11-03
Manuscript received June 18, 2016; accepted November 3, 2016
国家自然科学基金 (61309006), 贵州省教育厅自然科学基金 (黔教合
KY 字 [2015]434), 贵州省教育厅创新群体重大研究项目 (黔教合 KY
字 [2016]027), 中央引导地方科技发展专项资金 (黔科中引地 [2016]
4006) 资助
Supported by National Natural Science Foundation of China
(61309006), Natural Science Foundation of Educational Com-
mission of Guizhou Province (Qian-Jiao-He KY Zi [2015]434),
Major Research Program of Creative Groups of Educational
Commission of Guizhou Province (Qian-Jiao-He KY Zi [2016]
027), and Central Leading Local Science and Technology Devel-
opment Special Foundation (Qian-Ke-Zhong-Yin-Di [2016]4006)
本文责任编委 赖剑煌
权保护及认证等应用具有非常重要的意义[1−4]
然
而 嵌入水印信号后 往往造成载体信号的不可逆失
真 影响了载体信号的不可感知性 为解决在载体
信号中嵌入水印信号后载体信号不可感知性和鲁棒
性间不可调和的矛盾 通常采用鲁棒的图像哈希技
术[5−6] 和零水印技术[7−18] 来解决 这两种技术都是
从载体信号中提取鲁棒的特征来构造能唯一标识载
体信号的相关信息且不需嵌入到载体信号中 载体信
Recommended by Associate Editor LAI Jian-Huang
1. 贵州师范大学大数据与计算机科学学院 贵阳 550001
1. School of Big Data and Computer Science, Guizhou Normal
University, Guiyang 550001
1 期
熊祥光: 空域强鲁棒零水印方案
161
号的不可感知性可得到充分的保证 其抗攻击能力
主要都是取决于提取的鲁棒特征对相应的攻击是否
具有较好的稳健性能 从这点来看 这两种技术是相
似的 但是从目前公开的文献来看 这两种技术也
是存在差别的 从两种技术的构造过程来看 图像
哈希技术一般需经历特征提取、量化和压缩编码等
三个阶段[5] 零水印技术一般需经历特征提取和量
化两个阶段[7−18] 从评价指标来看 图像哈希技术一
般需考虑抗碰撞性 区分性、鲁棒性、单向性、随机
性、传递性和摘要性等六个指标[6] 零水印技术需考
虑抗碰撞性 区分性 相似性 、鲁棒性和安全性 随
机性 等三个指标[7−18] 单向性、传递性和摘要性等
三个指标一般是不考虑的 其生成的零水印信号长
度一般由用户根据需求来决定
若生成零水印的算法公开 则算法的安全性较低
直接以生成的无意义二值信号为最终的零水
印信号[7−11 14−16] 人眼缺乏可视性 仅靠计算提取
的二值信号与保存在注册中心的二值信号的相似度
来进行版权归属认证往往难以服众
未分析最终生成的零水印二值信号的分布问
题[7−10 12−18] 对于某些载体图像 生成的二值信号
中
过高
的比例过高
的比例过低 或
的比例过低 未满足或近似满足随机信
的比例
号的特性 攻击者要想伪造该类零水印信号应该说
是很容易的
针对上述问题 本文利用混沌系统对初值敏感
的特性和在分析常规的图像处理攻击对载体图像所
有选择分块整体均值与分块均值间大小关系稳健性
的基础上 选择有意义的二值图像作为原始的水印
信号 直接在空域提出一种基于混沌的强鲁棒零水
印方案 大量的仿真实验结果表明 本文算法具有较
强的抵抗性能 与相似的鲁棒零水印技术相比 本文
算法的计算复杂度更低且具有更优越的鲁棒性能
目前已提出了一些新颖的零水印技术[8−18]
文
利用离散小波变换后低频子带分块最大奇异
献
值最高位数字的奇偶性来构造零水印信号 文献
结合轮廓小波变换和可视密码技术 将原始水印信
号嵌入两个分享中 从而得到零水印信号 文献
提出基于分块压缩感知的图像半脆弱零水印算法
利用压缩感知理论对每一个图像块进行观测 并将
得到的观测值作为零水印信号 具有篡改定位和恢
1 基础理论
混沌系统和位置选取
复图像功能 文献
稳健性 提出一种新的零水印方案 具有较好的抗攻
击性能 文献 利用立体载体图像左右视点小波
利用第一主成分向量方向的
为提高算法的安全性 一些学者对混沌系统的
随机性进行了大量的研究 本文为了简单 选择最常
用的
混沌系统产生混沌信号 其定义如下
变换域低频子带视差和离散余弦变换直流系数的稳
健性能来构造零水印信号 具有较强的安全性和鲁
×
×
−
+1
棒性 文献
在已有视觉密码鲁棒水印算法的基
其中
≤
· · ·
且
础上 结合视觉密码和零水印技术的思想 提出小波
域视觉密码零水印算法 具有较强的抗攻击能力 文
利用混沌系统产生的混沌信号映射图像分块位
置信息的方法如下
献
利用各个分块奇异值分解后 矩阵和
阵第一列元素平方的方差间的大小关系来构造零水
印信号 文献 利用相邻两个子块奇异值矩阵小
矩
步骤
统的初值
利用密钥
作为
混沌系
为图像分块
1
产生长度至少为 ×
1
波低频子带对角线元素的均值大小关系来构造零水
印信号 实验结果表明这两种算法都具有较好的鲁
棒性能 但生成的零水印信号长度都较短 文献
提出基于混沌系统和奇异值分解的零水印方案 对
强度不大的常规处理攻击具有较好的鲁棒性能 文
的个数 为正整数且 ≥
· · ·
的混沌信号
{
1
}
2
3
×
因当混沌系统的初值很接近时 产生的
步骤
混沌信号的前几十个值也较接近 故从长度至少为
的混沌信号中选择长度为 的信号时 利用密钥
献
提出基于离散小波变换和奇异值分解的零水
印方法 利用最大奇异值构造零水印信号 文献
利用 和扩展频谱技术来构造零水印信号 实
作为第一个元素的位置下标
{
选取长度
{
2
为 的混沌信号
· · ·
· · ·
}
1
2
3
index
}
index+1
index+ −1
得到长度为 的混沌信号后 选择稳定
验结果表明这两种算法都具有较强的抗攻击能力
综合上述分析可知 这些零水印方案都具有较
好的抗攻击能力 但是 还存在如下的一些问题
在构造和检测零水印信号时 需对载体信号
采用某种变换方法从空域变换到变换域 算法的计
算复杂度往往较高[7−18]
步骤
的排序方法对信号 进行升序或降序排序 并记录
排序后信号的索引 如下
未考虑算法的安全性问题[8 14−15] 生成零水
其中
索引
· 表示排序函数
表示排序后得到的
印过程或生成零水印信号后都未对其进行任何处理
表示排序后得到的升序或降序信号
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