CN103593590A - 基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法及解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法，由密钥来控制两种不同的加性规则的交叉使用，实现数字水印的多次嵌入，由于嵌入规则受算法控制密钥控制，因此较传统的加性水印***的安全性更高，鲁棒性好。本发明还提供了同一种本发明解码算法对应用两种不同加性嵌入规则而嵌入的数字水印进行解码。由于使用了两类密钥，算法控制密钥，水印信息加密密钥以及多次的水印嵌入，因此本发明可以实现在云环境中多人对***的控制。

Description

基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法及解码方法

技术领域

本发明属于计算机信息安全技术领域，尤其是涉及一种混合加性多次嵌入水印方法及与之相应的解码方法。

背景技术

随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥***还是公钥***，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高***密级的方法变得越来越不安全。另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。

数字水印方法的提出是为了解决多媒体数据的版权保护、叛逆者追踪等问题，不仅需要版权信息的安全而且也包含水印算法本身的安全。目前，虽然大量的数字水印方案被提出，但是这些传统数字水印方案的嵌入算法本身的安全性需要进一步提高，尤其加性水印算法，其本身并受到密钥控制，因此其安全性也存在问题。传统的加性数字水印***通常由一般加性水印嵌入和一般加性水印解码等两部分组成，如图1所示，通过一般加性水印嵌入将由密钥K_W加密的水印信息W嵌入到原始载体C中，输出含水印的载体。接收到的载体，即可能受到攻击的含水印载体，通过一般加性水印解码与密钥Kw加密产生的水印信息W相结合以检测载体中是否嵌入水印信息。我们发现，传统的加性数字水印方法具有不少缺陷：一般加性水印嵌入算法由于本身没有收到密钥控制，因此算法本身缺乏安全性，这就给水印信息带来了安全隐患；此外，由于传统的加性水印方案仅使用单一密钥Kw，因此很难实现在云环境中多人对方案的共同控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种使用两种不同加性嵌入规则多次嵌入水印信息的数字水印方法、以及与之相对应的解码方法，具有更高的安全性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法，包括如下步骤：

步骤A采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对原始载体进行变换；

步骤B通过算法控制密钥K_A产生由1和0组成的算法控制随机序列B，算法控制随机序列B的长度＝数字水印信息的位数×嵌入次数；

步骤C通过以下公式将水印信息嵌入至通过步骤A变换后的载体中：

$y_i=x_i+\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(x_i\right)}^{b_{\mathrm{ij}}}{s}_t{w}_{\mathrm{ij}}$

其中，w_ij∈P表示由加密密钥K_W加密的伪随机序列，b_ij∈B表示由算法控制密钥K_A产生的算法控制序列，K表示数字水印嵌入的次数，x_i∈X表示原始载体的变换系数，y_i∈Y表示含有水印载体的变换系数，α_ij∈α表示数字水印的嵌入强度，s_t∈S表示版权信息。

作为嵌入水印方法的一种优选方案，所述变换方法为离散小波变换方法。

一种基于云环境的混合加性多次水印解码方法，包括如下步骤：

步骤A接收利用基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法嵌入水印的图像；

步骤B采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对图像进行变换，所述变换方法与水印嵌入方法中采用的变换方法相同；

步骤C采用如下公式为水印解码：

$\mathrm{\Λ}\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i|y_i{|}^{(c_i-1)}{\mathrm{\β}}^{c_i}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(y_i\right)}^{(b_{\mathrm{ij}}+1)}{w}_{\mathrm{ij}};$

其中，

L是版权信息的扩频维数，c_i是广义高斯分布的形状参数，σ是广义高斯分布函数的标准方差，Γ(x)为伽马函数；

步骤D步骤C中公式解码为如下公式：

$s_t=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)>0\\ 0,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)<0\end{array}\right..$

作为解码方法的一种优选方案，所述变换方法为离散小波变换方法。

本发明的优点在于：提供了基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法，由密钥来控制两种不同的加性规则的交叉使用，实现数字水印的多次嵌入，由于嵌入规则受算法控制密钥控制，因此较传统的加性水印***的安全性更高，鲁棒性好。本发明还提供了同一种本发明解码算法对应用两种不同加性嵌入规则而嵌入的数字水印进行解码。由于使用了两类密钥，算法控制密钥，水印信息加密密钥以及多次的水印嵌入，因此本发明可以实现在云环境中多人对***的控制。

附图说明

图1为传统的加性水印嵌入和解码流程；

图2为本发明提供的混合加性多次水印嵌入和解码流程；

图3为两种不含水印的原始载体；

图4为传统的一般加性水印嵌入、解码方法和混合加性多次水印嵌入、解码方法的安全性能对比示意图；

图5为传统的一般加性水印嵌入、解码方法和混合加性多次水印嵌入、解码方法的鲁棒性对比示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供了一种基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法和相应的水印解码方法，使用了两类密钥：算法控制密钥和水印信息加密密钥，并进行多次水印嵌入，其流程如图2所示。

其中，混合加性多次水印嵌入方法同时使用两种不同的加性嵌入规则，即常规加性规则和符号加性规则，且由密钥来控制规则的交叉使用，从而把不同序列的数字水印多次嵌入到原始载体中。具体地说，包括如下步骤：

步骤A采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对原始载体进行变换，本例中，我们使用离散小波变换方法，即DWT对原始载体进行变换，其变换系数符合广义高斯分布（GGD）。

步骤B通过算法控制密钥K_A产生由1和0组成的算法控制随机序列B，算法控制随机序列B的长度＝数字水印信息的位数×嵌入次数；其中数字水印信息是由版权保护信息或是数字指纹信息S与加密密钥K_W加密的伪随机序列P扩频后形成，因此数字水印信息的位数就是版权保护信息或是数字指纹信息S扩频后的位数。嵌入次数可以根据版权所有者的数量确定，例如有三位版权者即嵌入三次；当然也可以根据需要自行设定嵌入次数。

步骤C将水印信息嵌入至通过步骤A变换后的载体中。该步骤中使用了两种密钥：由加密密钥K_W加密嵌入的数字水印信息，并通过算法控制密钥K_A控制嵌入过程中的采用两种不同的加性嵌入规则，具体的嵌入公式如下：

$y_i=x_i+\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(x_i\right)}^{b_{\mathrm{ij}}}{s}_t{w}_{\mathrm{ij}}$

其中，w_ij∈P表示由加密密钥K_W加密的伪随机序列，该伪随机序列符合均匀分布；K表示数字水印嵌入的次数；x_i∈X表示原始载体的变换系数；y_i∈Y表示含有水印载体的变换系数；α_ij∈α表示数字水印的嵌入强度；s_t∈S表示取值为0或1的版权信息；b_ij∈B表示由算法控制密钥K_A产生的算法控制序列。由于B是取值为0或1的随机算法控制序列，当b_ij取值为1时，即是符号加性嵌入规则；当b_ij取值为0时，即是常规加性嵌入规则。

上述方法在算法控制密钥K_A的控制下对两种不同的加性规则进行控制，将由加密密钥K_W加密的数字水印信息嵌入到输入的原始载体中，从而得到输出的含水印载体。

相应的，本发明还提供了一种基于云环境的混合加性多次水印解码方法，包括如下步骤：

步骤A首先接收利用基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法嵌入水印的图像；

步骤B采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对图像进行变换，由于前述水印嵌入方法中的变换方法使用离散小波变换方法，因此解码时我们也同样采用离散小波变换方法。

步骤C采用检测算法为水印解码，公式如下：

$\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i|y_i{|}^{(c_i-1)}{\mathrm{\&beta;}}^{c_i}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(y_i\right)}^{(b_{\mathrm{ij}}+1)}{w}_{\mathrm{ij}};$

其中，

L是版权信息的扩频维数，c_i是广义高斯分布的形状参数，载体的不同会导致c的不同σ是广义高斯分布函数的标准方差，是伽马函数，。步骤D步骤C中公式解码为如下公式：

$s_t=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)>0\\ 0,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)<0\end{array}\right..$

解码方法通过算法控制密钥K_A，并利用检测器与加密密钥K_W加密的数字水印信息W相结合，以对接收到的载体进行水印解码，从而判断载体中是否含有版权信息S。

为了阐明本发明的优势，我们分别采用传统的一般加性水印嵌入方法以及本发明提供的混合加性多次水印嵌入方法和针对相同的载体（如图3所示）进行水印嵌入操作，并分别采用相对应的解码器（即通过一般加性水印嵌入方法嵌入水印的载体采用一般加性水印解码方法进行解码，通过混合加性多次水印嵌入方法嵌入水印的载体采用混合加性多次水印解码方法进行解码）进行水印解码，针对解码结果进行鲁棒性比较（如图4所示）和安全性对比（如图5所示）。很明显，采用本发明方法进行水印嵌入的安全性高、鲁棒性好，明显优于传统方法。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对原始载体进行变换；

步骤B通过算法控制密钥K_A产生由1和0组成的算法控制随机序列B，算法控制随机序列B的长度＝数字水印信息的位数×嵌入次数；

步骤C通过以下公式将水印信息嵌入至通过步骤A变换后的载体中：

$y_i=x_i+\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(x_i\right)}^{b_{\mathrm{ij}}}{s}_t{w}_{\mathrm{ij}}$

其中，w_ij∈P表示由加密密钥K_W加密的伪随机序列，b_ij∈B表示由算法控制密钥K_A产生的算法控制序列，K表示数字水印嵌入的次数，x_i∈X表示原始载体的变换系数，y_i∈Y表示含有水印载体的变换系数，α_ij∈α表示数字水印的嵌入强度，s_t∈S表示版权信息。

2.根据权利要求1所述的基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法，其特征在于：所述步骤A中的变换方法为离散小波变换方法。

3.一种基于云环境的混合加性多次水印解码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A接收权利要求1或2所述的利用基于云环境的混合加性多次水印嵌入方法嵌入水印的图像；

步骤B采用变换系数满足广义高斯分布的变换方法对图像进行变换，所述变换方法与水印嵌入方法中采用的变换方法相同；

步骤C采用如下公式为水印解码：

$\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i|y_i{|}^{(c_i-1)}{\mathrm{\&beta;}}^{c_i}{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}{\left(y_i\right)}^{(b_{\mathrm{ij}}+1)}{w}_{\mathrm{ij}};$

其中，

L是版权信息的扩频维数，c_i是广义高斯分布的形状参数，σ是广义高斯分布函数的标准方差，Γ(x)为伽马函数；

步骤D步骤C中公式解码为如下公式：

$s_t=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)>0\\ 0,\mathrm{\&Lambda;}\left(y\right)<0\end{array}\right..$

4.根据权利要求3所述的基于云环境的混合加性多次水印解码方法，其特征在于：所述变换方法为离散小波变换方法。

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