一种基于倒差混沌映射的图像数字水印方法

1.本发明属于信息安全技术领域，涉及一种基于倒差混沌映射的图像数字水印方法。


背景技术：

2.采用传统的混沌系统如logistic映射、chebyshev映射、henon映射、三维混沌系统和超混沌系统等应用于图像数字水印时，会存在混沌序列分布不均匀、具有周期窗口或计算实现效率低等不足；而采用帐篷映射和分段线性混沌映射时，又存在“分段线性性”缺陷的问题；采用二次方根映射时，也有计算实现效率低的问题。
3.本人于2019年提出倒差混沌映射(专利号：cn201910603148.7)，它是一类新的一维非线性混沌映射，该映射同时具有迭代序列服从均匀分布、参数范围内全域混沌、非线性、足够大的lyapunov指数、足够大的参数集、计算实现速度快等优良特性。采用该映射设计实现的图像数字水印方法具有安全性高、密钥空间大、计算实现速度快的优势。而现有的采用传统的混沌系统如logistic映射、chebyshev映射等应用于图像数字水印时，会存在混沌序列分布不均匀、具有周期窗口、“分段线性性”缺陷、计算实现效率低等劣势。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于倒差混沌映射的图像数字水印方法，本发明所要解决的技术问题是如何利用人眼的视觉冗余特性，实现信息的隐藏和保护。
5.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于倒差混沌映射的图像数字水印方法，其特征在于，
6.基于倒差混沌映射的图像数字水印方法的嵌入过程包括如下五个步骤：
7.一、初始化：读取待嵌入图像p，设置倒差混沌映射的参数a、c、以及迭代初值x0，把它们三个参数作为密钥k，再进行t轮加密操作。初始时，加密轮数t＝1，即先进行第1轮加密操作。
8.带参数a、c和初值x0迭代倒差混沌映射为下式：
[0009][0010]
其中，参数a∈(-∞,-c)∪(0,+∞)，c,x∈(0,1)，
[0011]
二、图像置乱操作：用一定生成长度的倒差混沌映射迭代的浮点数序列x
t
，对该序列通过升序、或降序、或交替进行升序降序的方式进行排列操作，再对矩阵p进行重排操作，得到置乱后的矩阵c。
[0012]
三、图像置混操作：把浮点数序列x
t
转换为数值为0-1之间的整数序列x
t
，然后分别
与矩阵c进行异或
⊕
运算，得到矩阵p
′
完成置混操作。
[0013]
四、进行下一轮加密操作：t＝t+1，若t《t，则p＝p
′
，转向步骤二，继续进行下一轮即t+1轮加密操作。
[0014]
五、嵌入水印图像：全部t轮加密操作完成，再把得到的密文水印图像按照最低有效位的方法嵌入到原始图像中，即把8位灰度值的最后几位替换为水印图像的几个比特位，得到嵌入了水印的lena图像。
[0015]
由于人眼的视觉冗余特性，当图像中最低有效位的像素值发生改变时人眼几乎是察觉不到，因此最低有效位的方法结合基于倒差混沌映射加密的方法使得嵌入的水印图像效果很好，实现了信息隐藏，不易被察觉。而且，提取出水印后又可以用于防伪、版权保护等领域。
[0016]
水印图像的提取过程为嵌入过程的逆过程，即先提取出密文水印图像，再从第t轮、第t-1轮到最后第1轮进行解密操作，每轮中先进行逆置混操作，再进行逆置乱操作。正确使用密钥k解密时，还原得到原始图像；而当用错误密钥解密时，即使仅仅相差10-14
(比如参数a＝2.12345678901234变化为2.12345678901235)，也无法还原出任何信息。
附图说明
[0017]
图1为原始lena图像；
[0018]
图2为待嵌入的水印图像；
[0019]
图3为加密后的密文水印图像；
[0020]
图4位嵌入了水印的图像；
[0021]
图5位提取出来的密文水印图像；
[0022]
图6位解密还原的水印图像。
具体实施方式
[0023]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0024]
基于倒差混沌映射的图像数字水印方法的嵌入过程包括如下五个步骤：
[0025]
一、初始化：读取水印图像p，如大小为480*480，则像素点总数n＝480
×
480＝230400。设置倒差混沌映射的参数a＝2.12345678901234,参数c＝0.52345678901234,以及迭代初值x0＝0.12345678901234，把它们三个参数作为密钥k，再进行t轮加密操作(比如设置t＝3)。初始时，加密轮数t＝1，即先进行第1轮加密操作。
[0026]
带参数a、c和初值x0迭代倒差混沌映射为下式：
[0027][0028]
其中，参数a∈(-∞,-c)∪(0,+∞)，c,x∈(0,1)，
[0029]
二、图像置乱操作：用倒差混沌映射迭代生成长度为n＝230400的浮点数序列x
t
，对该序列进行升序(或降序，或交替进行升序降序)排列操作，再对矩阵p进行重排操作，得
到置乱后的矩阵c。
[0030]
三、图像置混操作：把浮点数序列x
t
转换为数值为0-1之间的整数序列x
t
，然后分别与矩阵c进行异或
⊕
运算，得到矩阵p
′
完成置混操作。
[0031]
四、进行下一轮加密操作：t＝t+1，若t《t，则p＝p
′
，转向步骤2，继续进行下一轮即t+1轮加密操作。
[0032]
五、嵌入水印图像：全部t轮加密操作完成，再把得到的密文水印图像按照最低有效位的方法嵌入到原始图像中，即把8位灰度值的最后几位替换为水印图像的几个比特位，比如这里把大小为480*480的二值水印图像的一个比特位嵌入到同样大小的原始lena图像中，也就是修改最后一位为水印图像的像素点值，这样就得到嵌入了水印的lena图像。由于人眼的视觉冗余特性，当图像中最低有效位的像素值发生改变时人眼几乎是察觉不到，因此最低有效位的方法结合基于倒差混沌映射加密的方法使得嵌入的水印图像效果很好，实现了信息隐藏，不易被察觉。而且，提取出水印后又可以用于防伪、版权保护等领域。
[0033]
水印图像的提取过程为嵌入过程的逆过程，即先提取出密文水印图像，再从第t轮、第t-1轮到最后第1轮进行解密操作，每轮中先进行逆置混操作，再进行逆置乱操作。正确使用密钥k解密时，还原得到原始图像；而当用错误密钥解密时，即使仅仅相差10-14
(比如参数a＝2.12345678901234变化为2.12345678901235)，也无法还原出任何信息。
[0034]
图1为原始lena图像，图2为待嵌入的水印图像，图3为加密后的密文水印图像，图4位嵌入了水印的图像，图5位提取出来的密文水印图像，图6位解密还原的水印图像。
[0035]
从图中可以看出，原始水印图像加密后的密文是杂乱无章的；嵌入了水印的图像与原始lena看不出分别来，很好地实现了信息隐藏；能够从嵌入了水印的图像中正确地提取出密文水印图像，再成功地解密还原，识别出水印图像，能够应用于版权保护、票证防伪、篡改提示等领域。
[0036]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。