信息安全課程設(shè)計

1、基于Matlab的數(shù)字圖像加密水印嵌入與提取 田學(xué)成【摘 要】數(shù)字圖像加密解密技術(shù)是隨著信息安全與保密被重視而發(fā)展起來的。良好的數(shù)字圖像加密算法一方面可以達(dá)到使非法使用者無法破譯圖像內(nèi)容的目的，數(shù)字水印和簽名技術(shù)也是加強(qiáng)信息安全的重要措施?！娟P(guān)鍵詞】信息安全；數(shù)字圖像；數(shù)字加密解密；數(shù)字水印Matlab-based digital image encryption watermark signature analysisTian XuechengAbstractDecrypt the digital image encryption technology is developed with t

2、he information security and confidentiality are considered. Good digital image encryption algorithm on the one hand, can achieve the purpose of making illegal users unable to decipher the image content, signature and digital watermarking technology is an important measure to strengthen information s

3、ecuritykey wordsdigital image encryption; watermarking technology一、引言圖像加密技術(shù)在信息安全領(lǐng)域應(yīng)用越來越重要，本文主要就目前圖像加密技術(shù)和圖像數(shù)字水印技術(shù)的算法進(jìn)行討論，通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了圖像加密和圖像水印提取的理論實(shí)現(xiàn)。二、數(shù)字圖像加密技術(shù)本章探討圖像加密算法包括像素點(diǎn)隨機(jī)打亂、圖像行列隨機(jī)亂序、色彩飽和度混亂重置等，并給出了三種算法。 圖1-1 混沌散列加密流程Matlab里的imread函數(shù)可用于讀取圖片文件中的數(shù)據(jù)。讀進(jìn)去的數(shù)據(jù)為一個三層的矩陣，矩陣的行或列表示圖像每一個像素點(diǎn)的位置。矩陣的第一層、

4、第二層、第三層分別代表紅、綠、藍(lán)三種像素（RGB色域）。對此，可設(shè)計以下幾種加密方法：隨機(jī)打亂各層的行或列。隨機(jī)打亂像素點(diǎn)像素點(diǎn)RGB值的縮放，打亂矩陣行或列的方法運(yùn)算步驟少、運(yùn)算速度快，可對較大圖像文件進(jìn)行加密，缺點(diǎn)是對于一些特殊的圖像無法進(jìn)行加密。圖1-2 圖像處理應(yīng)用程序界面（一）圖像行列加密用imread函數(shù)將圖像讀入矩陣RGB中,假設(shè)RGB是一個m行n列3層的矩陣。randsample可產(chǎn)生隨機(jī)向量，用此函數(shù)產(chǎn)生一個與圖像矩陣RGB的行數(shù)m相等的整數(shù)隨機(jī)數(shù)列并返回到r中。這樣就可以將原圖像矩陣的行隨機(jī)打亂，將打亂后的矩陣返回至RGBS中。用find函數(shù)找出向量r內(nèi)從1到m的元素的位置

5、并返回到向量f。至此就可以將打亂的圖像還原。圖1-3 圖像行列加密（二）圖像像素點(diǎn)加密每個像素都有各自的顏色值，可采三原色顯示，因而又分成紅、綠、藍(lán)三種子像素（RGB色域），或者青、品紅、黃和黑（CMYK色域，印刷行業(yè)以及打印機(jī)中常見）。像素點(diǎn)隨機(jī)打亂算法即將圖像文件的每一個像素點(diǎn)隨機(jī)打亂。這種算法的加密效果非常好，加密用的隨機(jī)數(shù)列更提高了這種算法的加密性，但是由于真彩圖像的矩陣元素非常多，這種加密算法運(yùn)算速度較慢。 用imread函數(shù)將圖像讀入矩陣RGB中,假設(shè)RGB是一個m行n列3層的矩陣。randsample可產(chǎn)生隨機(jī)向量，用此函數(shù)產(chǎn)生一個值為從1到m*n*3的行向量并返回到r

6、中。這樣就可以將原圖像矩陣的所有像素點(diǎn)隨機(jī)打亂，將打亂后的矩陣返回至RGBS中，在用reshape函數(shù)將RGBS中的所有元素重置為新的的矩陣并返回到RGBSS中。用find函數(shù)找出向量r內(nèi)從1到m的元素的位置并返回到向量f。至此就可以將打亂的圖像還原。圖14 圖像像素點(diǎn)加密（三）像素點(diǎn)RGB值的縮放 每個像素都有各自的顏色值，其顏色值按一定倍數(shù)縮放，將其原數(shù)值進(jìn)行覆蓋，便產(chǎn)生了與原圖像不同的圖像，起到了加密的作用。這種加密方法加密效果會隨倍數(shù)的增加其效果會更好，但由于過于簡單，易被解密。 用imread函數(shù)將圖像讀入矩陣RGB中,假設(shè)RGB是一個m行n列3層的矩陣。Rand

7、函數(shù)產(chǎn)生一個m行n列3層的由隨機(jī)數(shù)組成的矩陣，并返回到r中，再返回時可以數(shù)乘一個數(shù)改變其縮放倍數(shù)。用矩陣的點(diǎn)運(yùn)算，通過點(diǎn)乘、點(diǎn)除，可得到加密解密圖像。本文簡單討論了三種對數(shù)字圖像加密解密的方法及原理，以及其matlab實(shí)現(xiàn)方法和加密效果。這三種方法只適用于加密后立刻解密，要廣泛應(yīng)用應(yīng)選擇一個具體的固定的算法進(jìn)行加密解密。從以上分析可知，不同的加密方法適用于不同的場合，而加密算法的不同也使得圖像加密效果和運(yùn)算速度有所不同。圖像加密解密技術(shù)隨著信息安全的要求而越來越被重視，所以完善和改進(jìn)圖像加密算法將是今后要解決的一個重要問題。圖1-5圖像RGB像素點(diǎn)加密三、數(shù)字圖像水印技術(shù)數(shù)字水?。―igita

8、l Watermark）技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。嵌入數(shù)字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數(shù)字水?。?、隱蔽性：在數(shù)字作品中嵌入數(shù)字水印不會引起明顯的降質(zhì)，并且不易被察覺。 2、隱藏位置的安全性：水印信息隱藏于數(shù)據(jù)而非文件頭中，文件格式的變換不應(yīng)導(dǎo)致水印數(shù)據(jù)的丟失。 3、魯棒性：所謂魯棒性是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘柼幚磉^程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺

9、度變化以及有損壓縮編碼等。（一）離散余弦變換水印嵌入算法數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行8×8的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入，具體方法如下：首先讀取原始圖像和黑白水印圖像到二維數(shù)組M與N，然后將原始圖像M分割為互不覆蓋的圖像塊block(x,y)，1<x,y<8，對block(x,y)進(jìn)行DCT變換，得到block_dct(x,y)，繼續(xù)取黑白水印圖像中的一個元素W(p,q)嵌入原始圖像塊的低頻系數(shù)中，對嵌入水印信息后的圖像塊block_dct(x,y

10、)進(jìn)行逆DCT變換，最后合并圖像塊，得到嵌入黑白水印后的圖像。圖2-1圖像水印嵌入圖2-2圖像水印嵌入（二）數(shù)字水印提取算法實(shí)現(xiàn)首先讀取嵌入黑白水印化的圖像，并對圖像進(jìn)行分塊，對每一圖像塊進(jìn)行逆DCT變換，得到嵌入水印后的圖像塊block_dct(x,y)，從每一圖像block_dct(x,y)提取出黑白水印元素W(p,q)，進(jìn)行DCT變換合并圖像塊，得到原來的黑白水印圖像,如圖5-2所示按水印所附載的媒體劃分按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印

11、技術(shù)。隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間。圖2-3 圖像水印提取流程圖2-4 數(shù)字水印分離四、總結(jié)從整體上來看，本次課程設(shè)計中，在MATLAB軟件上基于以前圖像處理的基礎(chǔ)啊上提出了信息安全的圖像加密技術(shù)，和數(shù)字圖像水印技術(shù)，基于dct的數(shù)字圖像水印的提取與嵌入，以及其性能的檢測有著一定的可取性。其對傳輸過程中的噪聲的影響有著一定的抵抗能力。而且對于高斯濾波攻擊等一些非刻意的攻擊具備較強(qiáng)的抵抗能力。然而其也具有一定的缺陷，例如物理性攻擊如旋轉(zhuǎn)，縮放等易造成嵌入水印的提取不出來，水印嚴(yán)重失真。對于剪切的攻擊，我們可以通過提取的圖像來確定其原始含水印圖像的剪切修改的位置。本實(shí)驗(yàn)采用的仿真軟件是MATLAB72014。 整體來說，嵌入的水印圖像還是比較清