健壮的安全的彩色图像水印使用四维超混沌系统,DWT, HbD,失落和基于改进奇异值分解算法

文摘

在最近的过去,一组不同的水印算法,获得彩色图像已经开发利用变换,分解和优化技术对水印的嵌入和提取。在本文中,我们提出一个优化和鲁棒水印算法加上四维超混沌系统,及其性能进行了分析通过扩展和区分现有的工作。我们的贡献提出了工作是水印,保证优化算法,利用彩色图像的转换技术,如离散小波变换(DWT)和分解技术,如Hessenberg分解(HbD)和奇异值分解(圣)加上四维超混沌系统,在优化进行了改进进化果蝇优化算法(IEFOA)。基于不同的攻击类型的实验结果(过滤攻击、噪声攻击、裁剪攻击,JPEG压缩、运动模糊、锐化、和旋转),密钥敏感性,归一化相关,峰值信噪比,和结构相似度指数测量完成测量算法的性能对不可见性和鲁棒性。实验结果表明,该方案具有良好的不可见性和保持良好的不可见性和鲁棒性之间的权衡。实验结果表明,该方法优于以前的方法。

1。介绍

云计算时代的计算,数据的安全传感器的数据或云的数据是否已经成为当今时代的迫切需要获得它从恶意攻击。同样,侵犯版权问题和非法销售和修改而经常通过互联网传播信息可能出现(1,2]。因此,现有超混沌加密水印加上可以应对侵犯版权的新兴挑战,水印攻击,和安全问题。在水印,标志或秘密信息隐藏在宿主图像传输方面在这个标志或提取秘密信息在接收端为了判断数字接收的数据的所有权。计算的发展如DNA和量子基础计算,突破目前高概率获得水印也可能增加。HbD等技术、DWT和圣言已经被研究者广泛使用在各种水印灰度和彩色图像水印方法。不可见性和鲁棒性之间的平衡一直是一个具有挑战性的问题和需要优化水印方法。

最近,一些算法如萤火虫算法(3),人工蜂群(ABC) [4),和粒子群和果蝇优化算法(5,6)是用来优化水印技术。的问题委托云服务提供商的水印是在(7]中,作者提出以下贡献:(1)现代公钥密码体制是用来避免相关的安全危害和密钥交换的实现成本也认为,(2)可逆水印技术兼容同态密码机制进行了研究,(3)存储效率研究通过加密长序列的比特,(4)数据预处理加密之前不是必需的,和(5)离线和在线content-adaptive预测开发各种操作要求。提出的方案实现非凡的忠诚之间的平衡和可逆性在给定的约束能力。此外,它很大程度上减少了加密数据的大小和提高空间效率。大多数现有的水印技术受到某些水印攻击,不优化,加上超混沌映射。一些研究已经发表在现有超混沌加密水印紧随其后的是(8]。为此,一种新的数字水印技术通过利用组间相关系数嵌入水印的是提出的9),混乱和Arnold变换用于改善安全。修改完成的图像处理和几何攻击是拒绝。此外,它是证实基于DWT水印具有一定的优势,如良好的压缩和细微;然而,DWT-based水印方案不太健壮的几何攻击10]。因此,为了使方案更加健壮的图像处理和几何攻击,如奇异值分解和矩阵分解HbD是常用的。SVD-based方案改变了宿主图像分解为三个向量 。可以嵌入数字水印或或 。的矩阵主要是用于水印嵌入由于其强劲的自然攻击(11]。此外,有点奇异值的变化不影响宿主图像的视觉质量。在另一个注意,FPP奇异值用于水印嵌入时出现。的矩阵和可以被攻击者的理想矩阵的提取水印(从未插入)承认错误的所有权。计算机科学研究者提出的帮助下奇异值的变化比例因子来控制数字水印嵌入的强度,部分所示4.2和4.3(Eq。(13)和算法3)。比例因子可以通过使用不同的算法(如进一步优化粒子群和改进果蝇优化算法和bioinspired计算算法(5,6,12]。FPP可以解决通过加密计算组件通过使用超混沌系统或通过使用单向散列函数(13,14]。超混沌加密由于良好的安全业绩是强大的安全的主要来源;也就是说,the FPP can be solved. For example, the author in [15)验证了更好的混乱和扩散通过使用5 d超混沌映射创建密钥进行加密和解密。5 d超混沌的初始参数调谐通过使用双重基于本地搜索多目标优化,和加密体系结构是基于两个级别的排列和扩散。同样,作者在16- - - - - -18)以一种新颖的方法还使用了超混沌映射加密图像,获得更好的结果。

具体地说,在这篇文章中,一种新的数字水印方法组成的DWT, HbD,和基于超混沌加密计算,测量功能 ,和改进的进化果蝇算法(IEFOA)。具体地说,女朋友会怂恿IEFOA找到最优比例因子α细微和鲁棒性之间平衡取舍,而超混沌加密的水印利用奇异值分解和混沌加密前的圣言组件解决了FPP有效减少计算成本。本文的主要贡献包括以下几点:(1)计划已经显示出很好的平衡的取舍甚至多个水印大小,(2)鲁棒性得到改善通过HbD系数修正,(3)加密的水印颜色由四维超混沌系统在计算过程和混沌加密计算组件的应用也使方案更安全,和(4)女朋友IEFOA用来帮助找到最优比例因子。

拟议的工作组织如下。部分2给出了相关工作,部分3强调了预赛,部分4介绍了方案,部分5包含实验结果和分析。结论部分给出了未来的发展方向6。

2。相关工作

本节涉及的早期研究工作设计彩色水印嵌入和提取方案。缩写的列表在这项研究中的应用是表所示1。听不清和鲁棒数字水印方案可能是一个潜在的解决方案等敏感信息的隐私和安全的患者电子病历(epr)。为此,结合快速曲波变换和奇异值分解嵌入水印后(EPR)编码为病人的健康和患病的光学相干断层扫描(OCT)扫描(19];这项计划表明高水平的细微,健壮性和安全性的epr相比现有的水印方案。提出的数字水印协议(20.)解决假阳性问题通过使用混乱的kb引力搜索算法在两个域,即。、奇异值分解和DCT。一个有效的数字水印方案无法感知,提出的安全性和鲁棒性(21Charlier-Meixner)嵌入水印的分数的时刻。该方法由[22)实现鲁棒性与几何和过滤攻击和显示了更好的鲁棒性之间的权衡和失真比最先进的方法。该水印方案在10)使用一种基于分数傅里叶变换的双重加密方法和DCT混合小波域。作者在这个计划使用多参数获得优化的粒子群优化(MP-PSO)嵌入因素,揭示了高安全性和隐形和几何攻击具有很好的鲁棒性。一个健壮、安全的数字水印方案,提高医学图像的管理提出了(23]。在这个方案中,无形的和零水印技术避免了脱离医学图像和epr之间为病人的识别提供了真实性。另一个数字水印方案包括六个模块(水平转移,混合调制信号相关性,正交修复,失真补偿,和迭代调节),压倒现有SVD-based水印方案的不足,同时提高健壮性和细微24]。为了提供版权保护和数字数据的所有权,作者在25]提出一种自适应和鲁棒水印方案的颜色相同的主机和水印图像大小通过阿诺德炒混乱的地图。然后,近似部分波段产生redundant-DWT经过计算产生的主要组件。炒宿主图像的主成分然后用炒嵌入水印利用优化人工蜂群(ABC)自适应多尺度因子。使用redundant-DWT给予较高的嵌入容量而自适应多尺度因子提高了鲁棒性,安全,和视觉透明度。另一个方案基于小波变换的其次是最佳适合方程和布谷鸟搜索算法(CS)是健壮的常见攻击,水印是听不清,人眼(26]。另一方面,融合多种水印技术如DCT、DFT,圣言,和轻型改善了安全、健壮性、细微,假阳性问题在很大程度上,但作者并没有执行比例因子优化(27]。圣言会和三级小波变换与全局优化方案基于西城方法(28保持更好的鲁棒性之间的平衡和细微和获得更好的嵌入系数。一个彩色水印方案中给出29日)转换RGB YIQ空间,将亮度分量Y,并使用圣言,Arnold变换,和DWT DE算法嵌入提取和优化标量的因素。选择亮度分量Y的原因是人眼不敏感组件;因此,将水印信息嵌入到该组件将给隐形的力量。水印加密然后嵌入宿主图像中提出的(8dpm)利用FrMT,圣言,提供增强的安全由于非线性变换,并保持在某种程度上不可见性和鲁棒性之间的平衡。结合IWT DWT, contourlet变换,和3 d Henon地图嵌入和提取水印具有良好的细微和可接受的鲁棒性30.]。作者在本方案建议Henon映射产生的混沌序列可以作为伪随机数发生器在NIST测试后,顽固,ENT测试套件。执行水印,作者在31日]算法分为四个阶段称为图像缩放、DCT块分离的特征向量计算,水印识别区域,消息转换、水印嵌入、IDCT和消息恢复后跟一个优化与最有利的鲸鱼FCM聚类优化算法水印方案和获得有效的结果的鲁棒性和不可见性。一个替换RGB图像水印方案提出了基于傅里叶变换(32]。在这种方法中,几个变种的傅里叶变换应用于R, G, B组成部分单独一个图像,水印嵌入到中频乐队基于奇偶校验系数相结合,结果是令人满意的平均PSNR值大于40分贝融入一个变种的傅里叶变换系数。另一个盲图像水印方案在变换域,没有需要水印和宿主图像中提取水印的,给好细微和健壮性较低计算成本(33]。在这个方案中,宿主图像分为不重叠的每个小块的大小 ,和每一块的DCT系数计算;然后,创建了两个数据集(d1和d2)从选定的块,和d1和d2 DCT系数与前缀阈值(k1和k2)如下:如果水印比特值是1,那么相应的d1和d2系数值被修改和设置价值;其他相应的d1和d2系数值设置为0。

3所示。预赛

Hessenberg分解(HbD)是一个转换的方阵到酉矩阵和Hessenberg矩阵这样 ,计算家庭矩阵,和艾滋病在提高水印不可见性34]。为此,基于R级DWT水印,HbD,圣言,物流地图,失落和优化基于通过客观评价函数表现出良好的鲁棒性之间的平衡和隐形(13]。这个方案可以进一步提高使用改进的失落。

虽然基本[失落6)优势包括更少的参数,简单的原则,但局部优化等缺点,缺乏鲁棒性和收敛速度慢,可以克服IEFOA [35]。包含两个参数称为一步控制用与进化/消除控制(ec)在IEFOA使它不同的失落和提供了一个优势基础。在基础,失落的迭代次数算法需要找到一个最优解是主要的缺点。在早期的迭代和广阔的领域,一个小的搜索半径(搜索步骤)使弱失落基本接近最优解。在迭代的最后阶段群位置接近最优的解决方案,一个非常小的范围是一个更好的选择对于微调解决方案向量。因此,搜索半径大的小(BS)功能可以克服这个缺点。(BS)特性意味着一个大的搜索步骤早期可以改进的全局搜索能力和一个小的搜索步骤最终阶段可以细化局部搜索能力通过确定步骤为每个果蝇灵活的规模。步控制参数提供了(BS)功能,可以表示为 在哪里在每个迭代搜索半径,而 , ,和Iter是最小半径、最大半径,分别和迭代数。果蝇被一个更大的搜索步骤,从而逃避陷入局部最优值,而在以后的迭代中,减少低于线性减少。

第二个参数称为消除参数ev,亚群的消除和主导群保存。的可以表示为 在语言学校是消除系数,可以被定义为 在语言学校的_最小值等行业_马克斯Iter, Iter_马克斯最低消除系数、最大消除系数迭代数,和最大迭代数。许多糟糕的性能成群被作为搜索的开始和其余先进飞成群将产生一个新的种群。群消除的重复的过程会导致只有少数成群的保护。消除过程提供的优势让IEFOA跳出局部极值(一个极端点有最大值或最小值)找到一个更好的全球最佳。IEFOA的美妙之处在于它不仅采用的事实还将使用ec下成群。

的主要过程IEFOA可以说明如下:步骤1。随机生成多个成群的中心位置。步骤2。生成N新群;每个群代表了PSF人口规模的更新规则嗅觉觅食阶段。步骤3。选择最优果蝇在每个群作为一个新的中心位置的视觉觅食阶段根据适应度函数值(fval)。步骤4。中心位置的新群都是根据他们的fval按升序排序。第5步。一定数量的劣质成群被淘汰;其余主要成群成为下一个迭代群中心位置根据复杂形状系数和群的数量目前位置。步骤6。重复步骤2到5,直到满足终止条件。全球最佳时才获得优化的过程就结束了。

4所示。提出了方案

介绍了水印加密算法部分4.1和嵌入算法中引入部分4.2,同时提取和解密算法中引入部分4.3和4.4。提出的水印方法的优化实现部分中给出了不可见性和鲁棒性之间的权衡4.5。图中给出了该方案的流程图1。

4.1。水印加密

多个大小的彩色水印 ,在哪里= 2、4、8、16、32、128、256、512是水印加密算法的输入。基于DNA序列的初始条件计算从NCBI数据集。外键xK提取的DNA序列从NCBI数据库。例如,我们下载一些动物的DNA序列长度为183015。使用水印图像的平均亮度值作为起始索引来减少DNA序列从这个位置有一个长度为128。切割后的DNA序列长度为128,每个核苷酸基础转换为字节的二进制相当于根据DNA映射规则(36),见表2,满足沃森克里克补充规则。通过这种方式,一个256位的二进制关键架子。为了创建初始条件 四维超混沌系统,我们把架子分成32组,每个子群由8位,表示如下:

现在,使用架子的初始条件计算如下:

初始条件和控制参数( )输入到四维超混沌系统(方程(1))。该四维超混沌在任何给定的初始条件和控制参数( )行为系统,生成一个超混沌密钥称为hyp-K用于加密水印。

基于hyp-K加密水印图像加密步骤如下(算法1)。

在算法1,C_o是一个常数数量从0到255,新电子战的平均强度值在步骤3中产生。

4.2。水印嵌入

水印嵌入算法的输入是电子战的大小 和宿主图像嗨的大小 。和输出是有水印的宿主图像WHI的大小 。嵌入步骤如下(算法2)。

4.3。水印的提取

水印提取以WHI作为输入和输出是XW,类似于原始彩色水印。WHI的大小 和XW的大小 。提取步骤如下(算法3)。

4.4。水印解密

水印解密算法所示4。

4.5。算法优化使用IEFOA

在这一部分中,一种改进的进化果蝇优化算法(IEFOA)部分中讨论3用于查找最优比例因子来解决不可见性和鲁棒性之间的权衡问题。流程图找出最优比例因子图所示2。隐身是衡量PSNR和SSIM而健壮性是衡量标准化相关(NC)。给出了寻找最优比例因子的步骤如下。步骤1。初始化参数 和 。等S1的参数体重因素和吗 是直接的量化系数反映了比例的不可见性和鲁棒性。等S2的参数 代表群的数量,果蝇的人口规模,最大搜索半径,搜索半径最小,最大迭代次数,最大限度消除系数,分别和最低消除系数。集合S1与不同比例的因素将用于评估函数(GF),是基于客观评价函数(OEF) [13),是由 在DW_我是解密水印,即。,解密从extracted watermark EW_我下我_th攻击。比例因子数组用 ,在哪里n是指数最大数量。计算中使用的比例因素PSNR, SSIM,数控。例如,比例因子数组用于嵌入水印产生水印图像,然后呢我_th攻击是应用于有水印的图像产生攻击有水印的图像。之后,封面和攻击之间的PSNR和SSIM计算有水印的图片。同样,数控与原始水印计算进行解密。S2将用于IEFOA相关工作中提到的部分。步骤2。每个位置的女朋友值嗅觉判断计算根据方程(7)。步骤3。为了得到最优比例因子,应用IEFOA节中讨论3。唯一的修改将IEFOA是使用IEFOA GF在步骤3中,重复步骤2到5的IEFOA更新果蝇人口位置时,迭代气味浓度优于之前的气味浓度。

5。实验结果和分析

该方案的不可见性和鲁棒性进行了分析。计算最优比例因子5.1,不可见性和鲁棒性分析是进行的部分5.2,在部分假阳性问题5.3与相关工作时,比较数据可用在部分5.4。英特尔(R) core i3 4010 CPU@1.7 GHz 4.0 GB RAM和MATLAB版本R2015a上安装Windows 7, 64位操作系统,用于实验的目的。除了其他图像,标准彩色宿主图像莉娜和胡椒每个尺寸512512年,彩色水印图像大小为256×256,128×128、64×64如图3用于实验。的初始人口规模50和200年的最大迭代数经验选择的实验。除了上述参数,其他参数设置根据改进的果蝇优化算法(IFFO) [35,37];也就是说, , ,和= 0.05。

5.1。寻找最优比例因子

最优状态性能的特征是一个最佳的比例因子。根据节4.5,一个最优n是决定测量的输入函数(方程(7)找到最优比例因子。归一化相关(NC)通常是用来评估水印算法的鲁棒性和被定义为13]

原始水印之间的nc ( )和extracted-decrypted DW水印在各种攻击和缩放因子图所示4。模拟中使用的攻击如表所示3。数控值不同的范围(0:0.06)并获得稳定的范围在很大程度上(0.09:0.2);因此,可以设置为初始值 。同样,曲线的PSNR和SSIM也如图5和6。类似地,可以设置为起始值PSNR 的PSNR值有负相关性的范围内 ,SSIM,它可以设置为 在这个范围内作为SSIM值几乎不变。和n可以计算为 ,在哪里= 0.2,n_年代是一组包含所有的元素n₁这也属于n₂和n₃,米_我最小间隔。的价值n 然后用在女朋友获取最优比例因子。表4显示了更好的nc在某些攻击的比例因子 。

5.2。不可见性和鲁棒性分析

莉娜的隐身性能,我们使用彩色图像和胡椒的宿主图像和彩色商标Islamia巴哈瓦尔布尔大学,巴基斯坦作为水印,用不同的维度。除了可视化表示,我们也使用三个指标,PSNR, SSIM,数控,量化隐形。该算法在任何攻击的隐身性能,如图7,反映出优秀的隐形。鲁棒性需要评估时隐身是可以接受的。在鲁棒性,水印提取的质量检查在某些攻击。数情况下攻击莉娜彩色图像(512×512)嵌入水印(128×128)如图8。就从攻击中提取水印图像的提取算法和解密的解密算法。相应的数控extracted-decrypted水印的值在图所示9。数控的值(图9中位数)是可以接受的,高斯噪声,盐和胡椒,散斑噪声、JPEG压缩。此外,数控extracted-decrypted水印的值在不同参数下遭受多次袭击也显示在图10。

5.3。假阳性问题分析

数字水印所有权保护和认证水印方案的一个重要应用;也就是说,only the actual owner should be able to extract the embedded digital watermark from the images correctly. FPP problems are very common and become a challenging issue in digital watermarking schemes, where an attacker claims false ownership of the watermark by embedding and extracting the forged watermarks. This state is a serious security matter that creates a barrier in confirming the real ownership of digital media [25]。有两种方法在计算域嵌入水印:(i)计算水印和封面图像的奇异值,然后将水印的奇异值嵌入到封面图像的奇异值或(ii)直接嵌入水印比特封面图像的奇异值。一般来说,SVD-based水印方案满足不可见性和鲁棒性的标准,但可能暴露在FPP的概率增加。

为了解决FPP的问题,我们在研究中实现了两种解决方案。首先,我们进行加密和组件通过使用逻辑映射。其次,四维超混沌系统是用于加密水印在嵌入前封面图片。这给对FPP一个额外的安全层。因此,它将再次强制解密后的水印提取。FPP的实验装置,选择水印(64×64)如图(11日)。与正确的解密水印参数有数控= 1.0000图所示11 (b),而图11 (c)提取的水印(数控= 0.62)使用不正确的参数是不能辨认。

5.4。性能比较

在本节中,提出的水印方案相比,一些最近出版计划。鲁棒性比较基于数控值应用一些袭击后如表所示5。很明显,在一些攻击,我们的研究结果与最近出版方案相比更好。改进的结果写在大胆的格式。中列出的细微对比表6基于平均数控、PSNR和SSIM之间盖,有水印的图像。很明显,无法感知的结果比一些最近出版的作品相比,在大多数情况下。计算时间组成的水印嵌入、水印提取时间,水印加密和解密时间在表7。计算时间是验证了使用五个测试主机图像尺寸的512×512从USC-SIPI图像数据库,而三RGB图像数据2(c) -2(e)的尺寸256×256,128×128、64×64作为水印。改进的水印嵌入和提取时间等结果写粗体格式。

6。结论和未来的发展方向

本文试图开发一种听不清,安全,和健壮水印的程序框架基于IEFOA比例因子优化解决问题的认证、完整性和FPP。可以用彩色水印嵌入宿主图像的多个维度效率。嵌入过程前,彩色水印加密通过使用一个超混沌系统的初始参数发现DNA序列从NCBI数据库。加密水印图像的RGB分量后,嵌入过程组成的logarithmic-based DWT, HbD,圣言是用来获得有水印的图像。宿主图像嵌入水印显示平均PSNR值大于35岁,被认为是可接受的,使水印不可见人的视觉系统。这个计划也完成了出色的细微但结果可比的鲁棒性。此外,双重加密(圣言之前和之后计算使它更安全的应对安全问题。圣言的微小修改参数或超混沌键使提取的水印完全认不出来。

在未来,我们打算扩展方案以DICOM图像如超声波、x射线和磁共振成像。我们也想让它更强大的攻击并不强劲。此外,我们打算采用这个方案与其他频率变换结合它与高维超混沌系统实现高效的批处理。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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