基于混沌加密的QR码彩色图像复合水印算法_马婷.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.223 No.2 2023.04印刷与数字媒体技术研究 2023年第2期（总第223期）RESEARCH PAPERS研究论文基于混沌加密的QR码彩色图像复合水印算法马 婷*，李 佳(中国民用航空飞行学院 计算机学院,广汉 618307)摘要 本研究提出了一种基于NSCT-DWT-SVD复合的QR码混沌加密彩色图像水印算法。首先将“飞行学院”四字组成的水印图像通过编码器进行QR编码生成QR码水印信息，再对水印进行Logistic混沌映射加密，将RGB颜色模型的原载体图像转换成YUV颜色模型图像，对转换后的模型Y分量进行提取，将其进行NSCT生成低频分量，随后进行小波变换及SVD奇异值分解获得奇异值，最后将加密的QR码通过加性原理叠加到分解后的奇异值上。通过实验证明，该算法得到的峰值PSNR为52.15dB，保证了嵌入水印的信息量及隐蔽性，对椒盐噪音、JPEG压缩攻击NC值都为1，尤其是由于加入NSCT保证了图像的平移不变性，SVD更是提高了算法抵抗旋转攻击的能力。关键词 QR码；Logistic混沌映射加密；YUV；NSCT；DWT；SVD；多重数字水印算法；彩色图像中图分类号 TS801.3;TN911.73;TP391.41文献标识码 A文章编号 2097-9474(2023)02-50-07DOI 10.19370/10-1886/ts.2023.02.006Compound Watermarking Algorithm of the Color Image Based on Chaotic Encryption and QR CodeMA Ting*,LI Jia(School of Computer Science,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)Abstract In this study,a color image watermarking algorithm based on NSCT-DWT-SVD composite QR code chaotic encryption was proposed.Firstly,the watermark image composed of the four characters“Flight Academy”was QR coded by the encoder to generate the QR code watermark information.The watermark was encrypted with Logistic chaotic map.The original carrier image in RGB color space was converted into YUV color space.The component Y of the converted model was extracted.The component Y was performed the NSCT to generate the low frequency components.Then,the wavelet transform and SVD singular value decomposition were performed to obtain singular values.Finally,the encrypted QR code was superimposed on the decomposed singular value through the additive principle.The experiments showed that the peak PSNR obtained by the algorithm is 52.15dB,which guarantees the amount of information and concealment of the embedded watermark.The salt,pepper noise and the JPEG 收稿日期：2022-09-07 修回日期：2022-10-08 *为通讯作者项目来源：国家自然科学基金项目(No.60472127)；中国民用航空飞行学院面上项目(No.J2021-059)本文引用格式：马婷，李佳.基于混沌加密的QR码彩色图像复合水印算法J.印刷与数字媒体技术研究，2023，(2)：50-56，82.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 502023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 502023/3/27 16:05:382023/3/27 16:05:3851研究论文马 婷等：基于混沌加密的QR码彩色图像复合水印算法0 引言近年来，在互联网中传播的数字产物越来越多，随着安全意识的增强，数字水印技术可以对网上传播的信息起到保护版权的作用，因而越来越受到关注。随着对水印算法研究的进一步深入，出现了基于Contourlet变换（CT）、非下采样Contourlet变换（Nonsubsampled Contourlet Transform，NSCT）等算法。2005年，Do和Cunha1-2提出的NSCT，它在CT的基础上，又增加了平移不变性，特性比CT更为丰富，所以在算法中采用NSCT对二维图形的描述更为准确。QR码（Quick Response Code，快速响应二维码）作为现在被广泛使用的二维码，安全性也显得尤为重要。QR码具有较好的纠错性和存储容量大的优点，所以在水印算法中研究的重要性显而易见，并且在彩色图像领域的应用研究比灰度图像更具实用价值。文献3-6均是研究基于DCT(Discrete Cosine Transform，离散余弦变换)-SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)或DWT（Discrete Wavelet Transform，离散小波变换）-SVD的QR码水印算法。DCT、DWT水印算法研究相对比较成熟，可对抗一般的攻击，保持较为稳定的鲁棒性，但在方向捕捉上存在不足。其中，徐江峰等3提出将加密的QR码嵌入到DWT-DCT变换后的矩阵中，该方法在噪声、JPEG压缩等中表现较好的抗攻击性；王治国4提出将QR码作为密钥嵌入到对载体图形进行DCT后的DC分量中，算法对嵌入强度也进行了优化，计算速度及水印的隐蔽性优于传统算法；陈星娥等5提出将QR码嵌入到DCT-SVD变换后的奇异值中，SVD是一种数字矩阵变换方法，由于奇异值所具有的特性，因此在水印算法中加入SVD，使得算法对几何攻击起到了很好的抵抗作用，鲁棒性较高。陈青等6提出在图形平滑区进行DWT-SVD变换，在几何攻击方面的鲁棒性得到提高。文献7-11 是将关于QR码的水印算法应用到彩色图像中。其中，沈艳冰等7-8提出的混沌加密的QR码水印通过DWT-DCT-SVD联合算法嵌入到YCb Cr彩色模型图像中，算法效果较好；薛宏飞9提出基于DCT-SVD、NSST的水印算法，将加密后的多个QR码嵌入到SVD的奇异值矩阵中，算法的鲁棒性有所提高；文献10-12是基于QR码和Schur分解的彩色图像水印算法，在抗打印扫描方面有很好的效果，Schur分解与SVD分解相比时间复杂度低，但抵抗几何攻击性比Schur分解更强。文献13-15是基于混沌加密和AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）加密的算法，算法的安全性得到了提高。本研究提出一种基于混沌加密的NSCT-DWT-SVD复合的QR码彩色图像水印算法，该算法利用了NSCT的多方向性和平移不变性，弥补了DWT、DCT在方向上的不足，并且嵌入信息量相对增大；通过SVD分解提高算法的抗几何攻击性；同时通过Logistic混沌映射加密，加强了算法的安全性。最后，实验也表明该算法在抵抗攻击尤其是几何攻击时，表现出了很好的鲁棒性。1 基本理论1.1 Logsitic混沌映射Logistic映射15-16的公式如式(1)：（1）其中，的取值是01之间，v的取值为04之间，当映射的参数取值范围在3.569945v4之间，Logistic映射是混沌状态，混沌状态的混沌点compression attack have an NC value of 1.Especially since the addition of NSCT ensures the translation invariance of the image,SVD improves the algorithms ability to resist rotation attacks.Key words QR code;Logistic chaotic mapping encryption;YUV;NSCT;DWT;SVD;Multiple digital watermarking algorithm;Color image2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 512023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 512023/3/27 16:05:382023/3/27 16:05:3852印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）主要分布在(0,1)上，映射具有初值敏感性，初始条件为：（2）其中，表示第i个位置字母或数字的二进制位，i=1,2,32。初值对混沌映射有一定的影响，非相关、长度任意的较多的随机信号随之产生。根据Logistic混沌映射的特性，将其应用到水印算法中，算法不仅简单而且对水印的安全性会起到很好的保护作用。1.2 YUV颜色模型在水印算法中经常采用的颜色模型有RGB、YUV、YCbCr等，YUV颜色模型是一种欧洲的颜色编码方式，被采用到电视颜色系统中。YUV颜色模型有三个分量：亮度分量Y、色度分量U、色度分量V，对于彩色系统信号传输进行优化，对黑白信号传输也兼容，并且传输过程中YUV颜色模型占用的带宽比RGB颜色模型要少很多。YUV颜色模型与RGB颜色模型是可以互相转化的，通过转化，YUV三分量可以还原出R（红）、G（绿）、B（蓝）三分量。YUV颜色模型的重要特征是它的Y、U和V三个分量是相互独立的，亮度分量Y用来区分彩色图像和灰度图像，如果亮度分量Y是单独存在的，那这样的图像则是灰度图像。YUV与RGB是可以相互转换的，RGB转换成YUV，如公式(3)。（3）YUV转换成RGB，如公式(4)。（4）1.3 非下采样Contourlet变换非下采样Contourlet变换有两部分，一部分是非采样塔式滤波器（Nonsubsampled Pyramid Filter Bank，NSPFB），它可以对载体图像进行更多尺度的分解，一部分是非采样方向滤波器（Nonsubsampled Directional Filter Bank，NSDFB），它对塔式滤波器分解后的低频分量进行移除，不对低频分量进行下采样，而对高频分量进行多方向分解，因此NSCT比CT具有更强的多尺度性和方向异性。NSCT的NSPFB部分是一个双通道滤波器组合，移除了低频部分，不对其进行下采样而对其进行卷积，同时对非下采样双通道滤波器进行插值，对图像进行分解，NSDFB同样不进行下采样，进行上采样，可以确保图像的平移不变。图1为NSCT分解框架示意图。带通方向子带带通方向子带Image图1 NSCT变换Fig.1 NSCT transform对Lena图像进行2层的非下采样Contourlet，如图2所示，得到的分量图和原始Lena图一样大小，非下采样Contourlet所包含的信息量较大，避免方向子