實(shí)驗(yàn)四 基于混沌細(xì)胞自動(dòng)機(jī)數(shù)字水印實(shí)驗(yàn)

1、9實(shí)驗(yàn)四：基于混沌細(xì)胞自動(dòng)機(jī)數(shù)字水印實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)分：(設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn))【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?、掌握細(xì)胞自動(dòng)機(jī)生成水印的原理與方法，能夠編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)；2、運(yùn)用前幾次對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)與理解，實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的設(shè)計(jì)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】：（請(qǐng)將你實(shí)驗(yàn)完成的項(xiàng)目涂“”）實(shí)驗(yàn)完成形式： 用matlab函數(shù)實(shí)現(xiàn)水印的三大策略 用matlab命令行方式實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)水印的三大策略 其它：（請(qǐng)注明）實(shí)驗(yàn)效果和分析所使用的手段： 結(jié)合水印性能分析使用stirmark對(duì)水印進(jìn)行了攻擊 結(jié)合水印性能分析編寫(xiě)程序繪制了“攻擊-健壯性曲線” 結(jié)合水印性能分析編寫(xiě)程序繪制了“強(qiáng)度-不可見(jiàn)性曲線”對(duì)水印進(jìn)行了合謀攻擊并給出分析 其它：（請(qǐng)注明）

2、【實(shí)驗(yàn)工具及平臺(tái)】： windows+matlab 其它：（請(qǐng)注明） 【實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)步驟】：1、水印模板: 2、水印的嵌入: 3、水印的檢測(cè) 【實(shí)驗(yàn)效果】以下的圖像，水印嵌入位置為尺度3下小波系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)的分析均在尺度3的小波變換下進(jìn)行，以保證一定的魯棒性。圖1 512*512灰度圖，水印強(qiáng)度0.3，細(xì)胞自動(dòng)機(jī)迭代次數(shù)10圖2 256*256 rgb圖，水印強(qiáng)度0.3，細(xì)胞自動(dòng)機(jī)迭代次數(shù)40 【實(shí)驗(yàn)分析】：1、 水印強(qiáng)度參數(shù)對(duì)水印魯棒性的影響：（1）方法：針對(duì)本算法，水印的魯棒性體現(xiàn)為，當(dāng)含水印的載體受到一定的攻擊時(shí)，檢測(cè)出來(lái)的相關(guān)系數(shù)若仍然較大，則具有較好的魯棒性。取alpha的不同值進(jìn)行

3、實(shí)驗(yàn)與對(duì)比，其中迭代次數(shù)為10，對(duì)圖像進(jìn)行不同程度和不同種類的攻擊之后，通過(guò)常規(guī)檢測(cè)方法（余弦定理）和經(jīng)dct變換后的檢測(cè)方法得到的相關(guān)系數(shù)曲線（圖中a表示alpha值）： 圖1 alpha與jpeg壓縮后水印性能（灰度圖） 圖2 alpha與添加椒鹽噪聲后水印性能（灰度圖） 圖3 利用stirmark中旋轉(zhuǎn)攻擊后水印性能（rgb圖）圖4 alpha分別為0.5和0.01時(shí)，密鑰為919種子911912913914915916917918919920常規(guī)0.226070.12177-0.032978-0.044746-0.0866430.179840.0791890.0768740.91043

4、0.16996dct0.228340.12277-0.033845-0.044493-0.0863590.180620.0800390.077220.915730.17132種子921922923924925926927928929930常規(guī)0.0147690.0131060.0173740.0074454-0.00174550.0077239-0.00437540.0145260.0043760.0088687dct0.183830.144750.103340.0420980.021728-0.023929-0.129150.105990.146750.22898表1 圖4中alpha=0.

5、5相應(yīng)表（2）結(jié)論：1）由上面幾個(gè)攻擊強(qiáng)度-相關(guān)系數(shù)曲線可以看出，數(shù)字水印的檢測(cè)準(zhǔn)確度隨著攻擊強(qiáng)度的增大而下降；在相同的攻擊強(qiáng)度下，alpha值越大則檢測(cè)所得相關(guān)系數(shù)越大。這說(shuō)明alpha值越大，水印魯棒性越好，即使受到了較大的程度的攻擊，依然能夠以較高的相關(guān)系數(shù)檢測(cè)出水印的存在； 2）如圖1，對(duì)于jpeg壓縮，當(dāng)alpha越大，其相關(guān)系數(shù)的改善程度越小，但是，此時(shí)（相關(guān)系數(shù)在0.2以上）時(shí)，jpeg壓縮對(duì)圖像已經(jīng)不構(gòu)成威脅了，即使是壓縮強(qiáng)度達(dá)到10了依然能檢測(cè)出相當(dāng)高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明細(xì)胞自動(dòng)機(jī)在小波域的數(shù)字水印抗jpeg壓縮能力很好；3）如圖2，在不同強(qiáng)度的噪聲攻擊下，檢測(cè)結(jié)果大體趨勢(shì)如結(jié)論

6、1所述，與jpeg壓縮系數(shù)曲線相比，其檢測(cè)所得結(jié)果效果弱一些。由圖3和表1可知，對(duì)于alpha為0.01的圖像而言，閾值應(yīng)取0.25以上，但是在噪聲攻擊下，最好的情況下其系數(shù)值僅能達(dá)到0.2，故對(duì)于嵌入強(qiáng)度僅為0.01的圖像受到噪聲攻擊時(shí)難以檢測(cè)；當(dāng)alpha取0.5時(shí)，噪聲攻擊強(qiáng)度低于0.5，都能夠檢測(cè)出水??；4）如圖3，在不同角度的旋轉(zhuǎn)攻擊下，檢測(cè)結(jié)果大體趨勢(shì)如結(jié)論1所述，與jpeg壓縮系數(shù)曲線相比，其檢測(cè)所得結(jié)果效果弱一些，但與噪聲攻擊類似。對(duì)于alpha為0.01時(shí)，閾值應(yīng)取0.25以上，但是在旋轉(zhuǎn)攻擊下，最好情況的系數(shù)值僅能達(dá)到0.15，故對(duì)于嵌入強(qiáng)度僅為0.01的圖像受到旋轉(zhuǎn)攻擊時(shí)

7、難以檢測(cè)；當(dāng)alpha取0.5時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度少于2.5度，還是能夠檢測(cè)出水印的；5）有圖4可知，alpha取值有差距但檢測(cè)結(jié)果相近，所以alpha的取值對(duì)用不同種子進(jìn)行相關(guān)性的檢測(cè)的結(jié)果僅產(chǎn)生微小的影響。但是，根據(jù)以上攻擊圖表結(jié)合了閾值選取的分析，alpha的取值的選取應(yīng)該與不同攻擊以及檢測(cè)閾值相結(jié)合，這樣對(duì)于不同的攻擊才都具有較好魯棒性。2、水印強(qiáng)度參數(shù)對(duì)水印不可見(jiàn)性的影響：（1）方法：watson的感知質(zhì)量度量方法可以用來(lái)評(píng)估水印強(qiáng)度對(duì)水印不可見(jiàn)性的影響，只需將用此度量方法計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行比較。本實(shí)驗(yàn)在256*256的rgb圖和512*512的灰度圖中，按照不同的alpha值嵌入相同的水印

8、，其他參數(shù)均相同，其中迭代次數(shù)為10，密鑰為919，小波尺度為3，所得效果圖及所得watson質(zhì)量曲線如下：圖1 alpha=0.05 alpha=0.1 alpha=0.3 alpha=0.5 alpha=0.7圖2 alpha=0.01 alpha=0.05 alpha=0.1 alpha=0.3 alpha=0.5 圖3 圖4alpha0.010.050.10.30.50.70.9rgb圖256*2564.08729.317.7452.2480.534102.34124.24灰度圖 512*5125.664510.01813.54637.70963.21888.608113.44表1 圖

9、3與圖4的相應(yīng)watson質(zhì)量（2）結(jié)論：直觀的看，由圖1和圖2兩組圖可知，隨著alpha的值的增大，圖像的不可見(jiàn)性越來(lái)越差，那么在圖3和圖4和表中，相應(yīng)的waston質(zhì)量的值也越來(lái)越大。因?yàn)閣aston質(zhì)量的求解，是建立在原圖像和含水印圖像的差值的基礎(chǔ)上的，不可見(jiàn)性越差，差值就越大，相應(yīng)waston質(zhì)量就越大。所以我們可以利用對(duì)含水印圖像求waston質(zhì)量，來(lái)評(píng)估水印的不可見(jiàn)性；根據(jù)嵌入公式i = i*( 1 + *w)，水印強(qiáng)度實(shí)際上控制的就是嵌入量的大小，越大則最終的系數(shù)矩陣i就越大，小波變換后的系數(shù)值體現(xiàn)的是能量的大小，系數(shù)增大越多，逆變換后圖像變化就越明顯，所以不可見(jiàn)性就越差。綜上所

10、述，alpha值的大小和水印的魯棒性和不可見(jiàn)性都有關(guān)系，而魯棒性和不可見(jiàn)性之間是矛盾的，alpha越大，魯棒性越好但是不可見(jiàn)性越差，所以在設(shè)計(jì)水印選取alpha值時(shí)，要考慮制作水印的目標(biāo)是什么，是希望魯棒性好一些，還是不可見(jiàn)性好一些。一般是達(dá)到二者的平衡較好。3、迭代次數(shù)num對(duì)水印性能的影響： （1）方法：這里取alpha=0.2，再分別取num為2，6，8，15四個(gè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)圖像進(jìn)行jpeg壓縮攻擊之后，通過(guò)常規(guī)檢測(cè)方法（余弦定理）和經(jīng)dct變換后的檢測(cè)方法得到的相關(guān)系數(shù)曲線： 圖1 jpeg壓縮率-相關(guān)系數(shù)曲線 圖2 num=40密鑰為919水印檢測(cè) 圖3 num=6 密鑰為919水

11、印檢測(cè)（2）結(jié)論：由圖1可知，迭代次數(shù)越多，相同jpeg壓縮率下的相關(guān)系數(shù)值就越大，即水印的魯棒性就越好；但縱觀全圖，無(wú)論壓縮強(qiáng)度有多大，整體的相關(guān)系數(shù)值都在一個(gè)較高的位置，這與alpha的取值也有一定關(guān)系（這里alpha都為0.2）?？傊螖?shù)多的水印性能較好一些。由圖2和圖3的比較可知，迭代次數(shù)越大，不同種子產(chǎn)生的水印值之間的相關(guān)性越強(qiáng)，對(duì)檢測(cè)不利，如40次迭代的閾值需取0.5以上；若迭代次數(shù)小，如圖3，閾值取0.2即可，真正的種子的檢測(cè)值與其他的有較大距離，有利于檢測(cè)。綜上所述迭代次數(shù)的選取，也需要達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，不能太大也不能太小。4、合謀攻擊（1）方法：將嵌有不同水印的幾幅圖像進(jìn)行

12、小波變換，取出低頻系數(shù)矩陣，將這些矩陣相加后求平均值，得到合謀攻擊的平均低頻系數(shù)矩陣，再將此結(jié)果替換掉原低頻系數(shù)，小波逆變換，這樣就可以得到小波域下的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)數(shù)字水印的合謀攻擊結(jié)果。得到合謀結(jié)果后，將合謀結(jié)果分別用參與合謀的幾幅圖的種子進(jìn)行相關(guān)性檢測(cè)，便可得到“合謀攻擊”相關(guān)系數(shù)表。系數(shù)表和效果圖如下： seed=210 seed=310 seed=429 seed=919 平均后的圖像種子210310429919常規(guī)檢測(cè)相關(guān)值0.501350.368480.647210.54532dct檢測(cè)相關(guān)值0.508770.388770.655150.55691“合謀攻擊”相關(guān)系數(shù)表（2）結(jié)論： 不同的種子得到的是不同的水印模板，而將不同種子生成的模板進(jìn)行平均后，得到的就是一個(gè)新的含有其他模板部分特點(diǎn)的新水印模板。當(dāng)對(duì)這個(gè)新的水印模板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由最后的相關(guān)系數(shù)表，可以發(fā)現(xiàn)合謀結(jié)果和所有的合謀成員都有較為接近的、明顯降低的相關(guān)系數(shù)值，這樣（相關(guān)值不低）可以證明它有水印，但不是合謀者的真正水印，所以這個(gè)水印找不到主人，就是無(wú)法找到非法傳播者；另外，（相關(guān)值不高）也可利用合謀攻擊來(lái)去除水??；合謀攻擊得以成功，利用的是將不同的水印平均后，各自能量有一定的抵消（消去個(gè)性）從而得到原始作品的