為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)密碼技術(shù)的不足，我們依據(jù)新型的版權(quán)保護(hù)技術(shù)——數(shù)字水印，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于空域的圖像水印算法，提出了一種基于空域LSB算法的數(shù)字圖像加密算法，該加密算法對不同的值對應(yīng)的圖像點(diǎn)像素進(jìn)行不同的加密，然后根據(jù)給定的隨機(jī)整數(shù)尋找加密結(jié)果的存放位置。

一、數(shù)字水印的基本理論

1、數(shù)字水印技術(shù)的定義和基本框架

數(shù)字水?。―igital Watermark）技術(shù)是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的使用價值，并不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者，或者是否真實(shí)完整。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。

圖l展示了水印的嵌入過程，該系統(tǒng)的輸入是水印信息W、原始載體數(shù)據(jù)I和一個可選的私鑰／公鑰K。其中水印信息可以是任何形式的數(shù)據(jù)，如隨機(jī)序列或偽隨機(jī)序列；字符或柵格；二值圖像、灰度圖像或彩色圖像；3D圖像等等。水印生成算法G應(yīng)保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。

2、數(shù)字水印的分類

隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，水印算法的分類方法繁多。

1）按水印發(fā)展來看，可分為第1代水印和第2代水??；

2）按嵌入的水印信號形式來分，可以分為一維水印和多維水印；

3）按嵌入方法可以分為可逆水印和不可逆水?。?/p>

4）按水印檢測方法，可以分為盲水印和非盲水印；

5）按魯棒性來分，可分為易脆水印、半易脆水印和魯棒水??；

6）從外觀上分類，可分為可見水印和不可見水??；

7）按載體分類，可分為圖像水印、視頻水印、音頻水印和文檔水??；

8）從水印的嵌入域來分，可分為空間域水印和變換域水印。

3、水印的攻擊方法和對策

從數(shù)字水印的應(yīng)用中可以看出，數(shù)字水印在認(rèn)證、防盜版方面有重要的應(yīng)用。然而，水印技術(shù)與密碼術(shù)一樣，是在不停的“攻”與“防”中不斷發(fā)展的，因此，研究數(shù)字水印的攻擊方法對于數(shù)字水印的發(fā)展有著重要的作用。按照攻擊原理可以將攻擊分為4類：簡單攻擊、同步攻擊、削去攻擊和混淆攻擊。

二、水印嵌入算法

數(shù)字水印技術(shù)的學(xué)科特點(diǎn)在于它橫跨圖像處理、多媒體技術(shù)、模式識別、密碼學(xué)、數(shù)字通信等多學(xué)科領(lǐng)域，以這些領(lǐng)域的算法、思想和概念為基礎(chǔ)。一個數(shù)字水印方案一般總是綜合利用這些領(lǐng)域的最新進(jìn)展，各學(xué)科的學(xué)者們也提出了不盡相同的算法。針對靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG，在離散余弦變換基礎(chǔ)上植入數(shù)字水印的研究成為熱點(diǎn)；針對目前流行的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG、H．263，Dittmann等提出了2種適用于空域和頻域的算法例；1995年，Cox等在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了擴(kuò)頻水印的概念。這種方法較好地利用了人類視覺系統(tǒng)的特性，水印信息經(jīng)過一定的調(diào)制過程隱藏于數(shù)字圖像感知比較重要的頻譜部分，從而可以抵抗有損壓縮和其它數(shù)字圖像處理操作；Xia，Zeng等做了基于離散小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究；Zhu等在DWT技術(shù)上，從編碼角度做了一些研究；Pitas等在統(tǒng)計學(xué)和混沌的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的算法；Wolfgang，schyndel等在其定義的m-序列基礎(chǔ)上，提出了可以有效抵抗線性和非線性濾波以及JPEG有損壓縮的數(shù)字水印植入算法；QU等以圖形著色問題為基礎(chǔ)，提出了2種有趣的數(shù)字水印技術(shù)；Kankanhalli等研究了基于圖像內(nèi)容的數(shù)字水印技術(shù)H1，這與計算機(jī)視覺的發(fā)展是密不可分的；在計算機(jī)圖形學(xué)研究領(lǐng)域，1999年的SIGGRAPH大會上，Praun等提出了在造型的三維網(wǎng)格上植人數(shù)字水印的方法，Ohbuchi也做了類似的工作；Maes等提出了基于幾何變形的方法；Paute等從分形壓縮的角度提出了方法。此外，很多學(xué)者還提出了一些對數(shù)字水印進(jìn)行攻擊的方法，非常有助于魯棒性要求很高的數(shù)字水印技術(shù)的研究。

1、空域算法

該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素（LSB：least significantbits）上，這可保證嵌入的水印是不可見的，但是由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞．另外一個常用方法是利用像素的統(tǒng)計特征將信息嵌人像素的亮度值中。

2、變換域算法

基于變換域的數(shù)字水印技術(shù)往往采用類似于擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來隱藏水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換（基于局部或是全局的變換），這些變換包括離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)、傅氏變換（DFT或FFT）、傅立葉一梅林(Fourie-Mellin)變換以及哈達(dá)馬變換（Hadamard transform）等等。

三、數(shù)字圖像加密算法之空域LSB

1、LSB算法介紹

采用直接改變圖像中像素的最后4位bit值來嵌入秘密文件。由秘密文件的傳輸過程，可相應(yīng)地分為3個階段：嵌入過程、傳播過程、抽取過程，就整體設(shè)計方案而言，可以用模型來概括。

待檢測的載體信號( Signal)提取出的秘密信息提取秘密信息，秘密信息指要傳送的要隱藏的信息，像、聲音、文字等。

這是一種典型的空間域數(shù)據(jù)隱藏方法，L．F．Tumer與R．G．Van Schyndel等先后利用此方法將特定的標(biāo)記隱藏于數(shù)字音頻和數(shù)字圖像內(nèi)。以圖像數(shù)據(jù)而言，一幅圖像的每個像素是以多比特的方式構(gòu)成的，在灰度圖像中，每個像素通常為8位；在真彩色圖像（RGB方式）中，每個像素為24比特，其中RGB三色各為8位，每一位的取值為0或1。在數(shù)字圖像中，每個像素的各個位對圖像的貢獻(xiàn)是不同的。對于8位的灰度圖像，每個像素的數(shù)字g可用公式表示為：

其中：i代表像素的第幾位；幺表示第f位的取值，bi∈{o，l}。

這樣，把整個圖像分解為8個位平面，從LSB(最低有效位O)到MSB（最高有效位7）。從位平面的分布來看，隨著位平面從低位到高位（即從位平面0到位平面7），位平面圖像的特征逐漸變得復(fù)雜，細(xì)節(jié)不斷增加。到了比較低的位平面時，單純從一幅位平面上已經(jīng)逐漸不能看出測試圖像的信息了。由于低位所代表的能量很少，改變低位對圖像的質(zhì)量沒有太大的影響。LSB方法正是利用這一點(diǎn)在圖像低位隱藏入水印信息。

2、加密算法的實(shí)現(xiàn)

（1）利用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了在一個400x 533大小的灰度圖“grayl.bmp”中隱藏了一個文本文件“gray2.bmp”，事實(shí)上，在該大小的位圖中最大可隱藏的字符數(shù)為256x 256/8=8 192個，約漢字4000多個。由此可見，隱藏信息的容量非常大。加密算法具體如下：

1)嵌入秘密信息

第1步：讀人載體文件，并顯示它。

original_carrier-1 mread(’grayl.bmp‘);

carner=original_carrier;

subplot(2，3，1)，imshow（carrier），title（’原始的載體圖像’）

第2步：決定載體的LSB及嵌入的位數(shù)，采用嵌入圖像中所有像素的最后4位；對載體圖像做預(yù)處理，置其低4位相位為O；

carrierl=bitand(carner,254);

subplot(2，3，2)，imshow（carrierl），title(‘載體圖像低1位是0‘，見圖4)

carrier2=bitand(carner,252);

subplot(2，3，3)，imshow（carner/），title（’載體圖像低2位是O‘，見圖5）

camer3=bitand(carner,248);

subplot(2，3，4)，imshow(carrier3)，title（’載體圖像低3位是O’，見圖6）

carrier4=bitand(carrier, 240);

subplot(2，3，5)，imshow（carrier4），title（‘載體圖像低4位是0‘，見圖7）

第3步：將秘密圖像讀人，并存儲；并對秘密圖像做預(yù)處理。

original_secret=imread(‘gray2.bmp‘);

secret =original_sec ret ;

subplot(2，3，3)，imshow(secret)，title（’原始的秘密圖像’，見圖8）

secret=bitand(secret, 240);

subplot(2，3，4)，imshow（sec ret），title(’低4位為O的秘密圖像‘，見圖9)

secret=bitshift(secret,-4);

第4步：將處理后的秘密圖像嵌入到載體中，并且顯示隱藏后的最終結(jié)果。

carrier=bitor(carrier, secret) ;

subplot (2,3，5)，imshow (carrier)，title（’隱藏后的載體圖像’）

imwrite (carrier, 'd: \l_imagehide.bmp') 。

(2)讀取秘密信息

第1步：讀人含有秘密文件的圖像；

carner=imread(’d:\l_imagehide.bmp’);

第2步：輸出隱藏后的文件，并提取秘密圖像；將秘密圖像像位左移4位，顯示提取后的秘密圖像見圖11。

A=bitand（carner，15）；

A=bitshift (A，4)；

subplot(2，3，6)!imshow (A)，title(’提取的隱藏圖像’)。

2）實(shí)驗(yàn)2利用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了在一個400x 533大小的彩色圖“rgbl．jpg"中隱藏了一個文本文件“gray2.bmp"，將秘密信息隱藏到JPG彩色圖像的B層中。并成功提取隱藏的信息，完成信息隱藏。

第1步讀入載體文件，并顯示它。

original_carrier=imread ( 'rgbl.jpg' )

original_secret-imread 'gray2.bmp')

data=original_carrier;

carrier=original_carrier;

subplot (3,3，1)，imshow (carrier)，title（‘原始的載體圖像’）

secret=originaLsecret;

第2步讀取RGB圖像的B層，顯示B層的載體圖像，置載體圖像低4位是O，并顯示它。

carner=carrier(： ， ： ，3);

subplot(3，3，2)，imshow（carner），title（’B層的載體圖像’）

carrier=bitand(carner,240);

subplot(3，3，3)，imshow（carrier），title（’置低4位為O的載體圖像‘）

第3步顯示原始的秘密圖像，置秘密圖像低4位是O，并顯示它，再把秘密圖像高4位右移。

subplot(3，3，4)，imshow(secret)，title（’原始的秘密圖像’）

secret=bitand (secret, 240);

subplot(3，3，5)，imshow(secret)，title（‘置低4位為0的秘密圖像‘）

secret=bitshift(secret, -4);

第4步將秘密信息隱藏到載體的B層，并顯示隱藏后的圖片。

carrier=bitor(carrier,secret);

subplot (3，3，6)，imshow（carner），title（‘隱藏在B層的載體圖像’）

data(： ， ： ， 3) =carrier;

subplot(3，3，7)，imshow(data)，title（’隱藏后的載體圖像’）

第5步讀人隱藏后的圖片，并提取秘密信息。

A=imread(’d:\2_imagehide.bmp');

subplot (3,3，8)，imshow (A)，title（’讀人隱藏后的載體圖像‘）

row, col, rgbl=size (A);

A=A(：，：，3)；

A=bitand (A. 15)；

secret=bitshift (A, 4);

subplot (3,3，9)，imshow(secret)，title（’提取之后的隱藏圖像’）

figure, imshow (original_carrier)，title（’原始的載體圖像’）

figure, imshow (data)，title（’隱藏后的載體圖像‘）

3、評價

LSB算法，就是通常把信息隱藏在圖像像素的最后幾位，這時信息通常是文本。把文本化成二進(jìn)制代碼，然后把它嵌人到圖像像素的最后幾位，這樣做的好處是對圖片的損耗很小，肉眼幾乎無法分辨，該算法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，且不可見性好，而且抵抗剪切和JPEG壓縮的能力較強(qiáng)，算法的時間復(fù)雜度較低，加密效果較好，安全性較高；但魯棒性差，輕微的噪音和壓縮就有可能破壞水印，而且算法一旦被發(fā)現(xiàn)，敵手就可以輕易改變水印信息。

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