CN102185843B - 一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法 - Google Patents

一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法 Download PDF

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CN102185843B CN 201110103815 CN201110103815A CN102185843B CN 102185843 B CN102185843 B CN 102185843B CN 201110103815 CN201110103815 CN 201110103815 CN 201110103815 A CN201110103815 A CN 201110103815A CN 102185843 B CN102185843 B CN 102185843B
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Abstract

本发明涉及一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法，无缝结合密码技术及数字水印技术为多媒体数据提供更深层次的全面保护。该方法借助通信领域中码分复用的原理，通过正交变换域内的正交码划分，分离密码和水印操作，从而实现密码和水印操作间的相互交换；与此同时，通过正交码的控制，将密码和水印操作结果叠加至同一数据域中呈现给用户，实现密码与水印操作域相融合。此外，其对所涉及密码操作、数字水印操作并无特殊要求，在进行具体算法设计时具有较大空间。本发明在相同操作域上实现了交换密码水印技术，能够方便地进行密码与水印同时操作，并且具有较高的安全性及普适性。

Description

一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法
技术领域  
本发明属于多媒体信息安全保护技术领域，特别是涉及结合加密技术与数字水印技术，在相同操作域上实现交换密码水印的方法。
背景技术  
在数字化、网络化高度发展的当今社会，多媒体信息的安全问题受到了越来越多的重视，密码技术和数字水印技术从两个不同角度为多媒体信息安全提供了保障。密码技术通过将保护数据转换为不可读乱码主动防止信息泄露，其可在传输、存储等过程中保护多媒体信息不受非法用户侵害，但在授权用户解密后，密码技术的保护性就不复存在。数字水印技术则在保护数据受到攻击后通过提取嵌入信息实施被动保护，用于多媒体信息版权保护、完整性验证等，但被保护多媒体数据内容完全暴露在外。可见，单一密码技术或者单一数字水印技术都不能满足为多媒体信息安全提供全面保护的需求。由此，结合密码技术和数字水印技术，为多媒体信息安全提供全面保护非常必要。
交换密码水印技术（Commutative Encryption and Watermarking, CEW）能够实现密码技术与数字水印技术相结合，为多媒体信息内容提供更深层次的全面保护，在音像制品、广播电视、电子商务、遥感数据、军事安全等领域都具有广阔的运用前景。现在已提出的交换密码水印技术大致可以分为两大类：基于操作域独立的方法和基于操作机理独立的方法。前者通过将加密和水印操作分别施加于相互独立的数据对象达到操作域正交实现交换密码水印技术，一般基于选择性加密（实现加密和水印相互操作的多媒体数据内容和版权保护方法。廉士国，戴跃伟等。专利申请号CN200610161339）。后者则通过选择操作机理上不相干扰或者干扰甚微的密码技术和数字水印技术进行结合实现密码技术与数字水印技术相互交换（一种结合加密和水印的多媒体信息安全保障办法。周东敏，黄继武。专利申请号CN200910192270.6）。
基于操作域独立的交换密码水印技术，其核心为密码操作和水印操作相对不同数据进行，实际上是一种不完全的结合，且通常数字水印操作域数据完全透明，大大降低被保护载体安全性。基于操作机理独立的交换密码水印技术，虽然针对相同操作域避免了操作域独立交换密码水印技术的缺点，但其只有针对特定密码算法（空间置乱、流加密等）和相应数字水印算法配合才能实现交换密码水印技术，其安全性和通用性都有限。若交换密码水印技术能够在相同操作域上实现密码操作及数字水印操作间的相互交换，且对常用密码算法和数字水印算法均具有良好适应性，这将使交换密码水印技术真正实用化成为可能。但是，目前还没有相应的交换密码水印技术实现技术。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的基于正交变换的相同操作域交换密码水印技术实现方法，能够在相同操作域上结合常用密码算法及数字水印算法，有效解决现有操作域独立交换密码水印技术安全性不高及操作机理独立交换密码水印技术普适性不强的缺点，真正实现多媒体数据内容加密及数字水印嵌入在时空上的无缝结合而在操作上的相互独立。
针对该目的，本发明提出一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法，该解决方案为：
    多媒体数据的加密和水印信息嵌入，包括对多媒体数据进行分组预处理得到原始数据矩阵，通过正交变换将原始数据矩阵映射至正交空间，根据不同正交码获取相互正交的密码操作数据集和水印操作数据集，对密码操作数据集进行加密操作得到密码操作数据集密文，对水印操作数据集执行数字水印嵌入操作得到水印操作数据集水印数据，将密码操作数据集密文、水印操作数据集水印数据及其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，然后通过分组逆排列获取多媒体数据水印密文；
    多媒体数据的解密，包括对多媒体数据水印密文进行分组预处理获取多媒体数据密文矩阵，经正交变换及正交码分配提取密码操作数据集密文，将密码操作数据集密文进行解密操作并与其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，通过分组逆排列获取多媒体数据明文；
    多媒体数据的水印信息提取，包括对多媒体数据水印密文或多媒体数据水印明文进行分组预处理，然后经正交变换及正交码分配获取水印操作数据集水印数据，并进行水印信息提取操作，获取嵌入水印信息。
而且，所述多媒体数据的加密和水印信息嵌入，具体实现步骤如下，
步骤a1，将多媒体数据                                                
Figure 581638DEST_PATH_IMAGE001
进行分组排列，获取相应的原始数据矩阵
Figure 338242DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤a2，选取正交变换基对原始数据矩阵
Figure 553585DEST_PATH_IMAGE002
进行正交变换映射至正交空间，并通过不同正交码获取相互正交的密码操作数据集
Figure 598901DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 56427DEST_PATH_IMAGE004
，正交变换结果中除去密码操作数据集
Figure 667537DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 755579DEST_PATH_IMAGE004
以外的其他数据记为
Figure 84929DEST_PATH_IMAGE005
，正交变换基和正交码保存为变换密钥
Figure 847611DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤a3，在加密密钥
Figure 250910DEST_PATH_IMAGE007
控制下，对密码操作数据集
Figure 572170DEST_PATH_IMAGE003
进行加密操作
Figure 388817DEST_PATH_IMAGE008
得到密码操作数据集密文
Figure 125829DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤a4，在水印嵌入密钥
Figure 711531DEST_PATH_IMAGE010
控制下，对水印操作数据集
Figure 529375DEST_PATH_IMAGE011
进行数字水印嵌入操作
Figure 567739DEST_PATH_IMAGE012
得到水印操作数据集水印数据
Figure 108441DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤a5，根据变换密钥，通过正交码叠加将密码操作数据集密文
Figure 211712DEST_PATH_IMAGE014
、水印操作数据集水印数据
Figure 940634DEST_PATH_IMAGE015
和其他数据合成为变换域水印密文矩阵
Figure 143525DEST_PATH_IMAGE016
，将变换域水印密文矩阵
Figure 649592DEST_PATH_IMAGE016
经正交逆变换映射至原数据空间，获取处理后的多媒体数据水印密文矩阵
Figure 928127DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤a6，通过与步骤a1所述分组排列相应的逆分组排列，从多媒体数据水印密文矩阵
Figure 872949DEST_PATH_IMAGE017
获取多媒体数据水印密文。
    而且，步骤a4进行数字水印嵌入操作时采用广义数字水印算法，包括狭义数字水印算法及数字指纹算法。
    而且，所述多媒体数据的解密，具体实现步骤如下，
步骤b1，将多媒体数据水印密文
Figure 731763DEST_PATH_IMAGE018
进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure 232014DEST_PATH_IMAGE017
，分组排列方式与步骤a1一致；
步骤b2，根据变换密钥
Figure 652632DEST_PATH_IMAGE006
，对多媒体数据水印密文矩阵
Figure 187518DEST_PATH_IMAGE017
进行正交变换，并根据相应正交码从正交变换结果中提取出密码操作数据集密文
Figure 97705DEST_PATH_IMAGE014
，正交变换结果中除去密码操作数据集密文
Figure 22936DEST_PATH_IMAGE014
以外的其他数据记为
Figure 811026DEST_PATH_IMAGE019
；
步骤b3，根据加密密钥
Figure 200419DEST_PATH_IMAGE007
，对密码操作数据集密文
Figure 484769DEST_PATH_IMAGE014
进行解密操作
Figure 959613DEST_PATH_IMAGE020
，获取密码操作数据集解密明文
Figure 784350DEST_PATH_IMAGE021
，其中解密操作
Figure 965932DEST_PATH_IMAGE022
为步骤a3中加密操作
Figure 984966DEST_PATH_IMAGE008
的逆操作；
步骤b4，将密码操作数据集解密明文
Figure 947106DEST_PATH_IMAGE021
与其他数据
Figure 513216DEST_PATH_IMAGE019
相结合，然后通过正交逆变换映射至原数据空间，获取多媒体数据水印明文矩阵
Figure 611623DEST_PATH_IMAGE023
；
步骤b5，通过逆分组排列，从多媒体数据水印明文矩阵
Figure 300093DEST_PATH_IMAGE023
获取多媒体数据水印明文
Figure 687212DEST_PATH_IMAGE024
，逆分组排列方式与步骤a6一致。
而且，所述多媒体数据的水印信息提取，具体实现步骤如下，
步骤c1，将多媒体数据水印密文
Figure 355216DEST_PATH_IMAGE018
或多媒体数据水印明文
Figure 573708DEST_PATH_IMAGE024
进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure 370762DEST_PATH_IMAGE017
或多媒体数据水印明文矩阵
Figure 41915DEST_PATH_IMAGE023
，分组排列方式与步骤a1一致；
步骤c2，根据变换密钥
Figure 277724DEST_PATH_IMAGE006
，将多媒体数据水印密文矩阵
Figure 852187DEST_PATH_IMAGE017
或多媒体数据水印明文矩阵
Figure 820143DEST_PATH_IMAGE023
进行正交变换并提取出水印操作数据集水印数据
Figure 978592DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤c3，根据水印嵌入密钥
Figure 486934DEST_PATH_IMAGE010
，对水印操作数据集水印数据
Figure 680018DEST_PATH_IMAGE015
进行水印提取操作
Figure 382657DEST_PATH_IMAGE025
获取嵌入水印信息，其中水印提取操作
Figure 278118DEST_PATH_IMAGE027
为步骤a4中水印嵌入操作
Figure 325708DEST_PATH_IMAGE012
的逆操作。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：该方法借助通信领域中使用的码分复用原理，通过正交变换域内正交码划分，将需要保护的数据划分为加密域和水印域，使得加密和水印操作在一组正交码的控制下能够独立地进行操作而互相不受影响，以实现密码和水印的交换能力，而操作结果又通过正交码的控制叠加在同一数据域中呈现在最终用户面前，以达到无缝融合的效果。基于这样一个原理，加密与数字水印所操作的数据对象是完全相同的且操作结果也体现在完全相同的数据里；而在一组正交码的控制下通过正交变换的处理，加密操作与数字水印操作互相独立不产生影响。可以说真正实现了所谓的在时空上无缝融合且在操作上相对独立，避免了数字水印操作数据暴露在外，提高了被保护载体安全性，使得交换密码水印技术走向实用成为可能。进一步的，该方法并没有对密码操作或者水印操作做太多特别限制，从而使得在做算法设计时进行加密和水印处理算法选择时具有较大空间，具有良好的普适性。
附图说明
图1是本发明的总体方案框图。
图2是本发明的密码操作与数字水印操作交换示意框图。
图3是本发明实施例在JPEG编码基础上实现图像正交变换相同操作域交换密码水印算法框图。
图4是本发明实施例的图像JPEG编码数据分组排列方式示意图。
具体实施方式
本发明基于正交变换实现相同操作域交换密码水印技术，包括原始多媒体数据加密及数字水印嵌入、多媒体数据水印密文解密，以及多媒体数据的水印信息提取这三部分设计：
    多媒体数据的加密和水印信息嵌入，包括对多媒体数据进行分组预处理得到原始数据矩阵，通过正交变换将原始数据矩阵映射至正交空间，根据不同正交码获取相互正交的密码操作数据集和水印操作数据集，对密码操作数据集进行加密操作得到密码操作数据集密文，对水印操作数据集执行数字水印嵌入操作得到水印操作数据集水印数据，将密码操作数据集密文、水印操作数据集水印数据及其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，然后通过分组逆排列获取多媒体数据水印密文；
    多媒体数据的解密，包括对多媒体数据水印密文进行分组预处理获取多媒体数据密文矩阵，经正交变换及正交码分配提取密码操作数据集密文，将密码操作数据集密文进行解密操作并与其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，通过分组逆排列获取多媒体数据明文；
多媒体数据的水印信息提取，包括对多媒体数据水印密文或多媒体数据水印明文进行分组预处理，然后经正交变换及正交码分配获取水印操作数据集水印数据，并进行水印信息提取操作，获取嵌入水印信息。有时需要对多媒体数据水印密文进行水印提取，如第三方验证时需要在不暴露内容的前提下提取水印。但在密文解密后，仍然需要通过水印技术来对载体提供保护，这时则是对多媒体数据水印明文进行水印提取。
以下结合附图1，详细说明本发明以供实施参考。
一、多媒体数据加密及数字水印嵌入的具体步骤如下：
步骤a1， 对原始的多媒体数据
Figure 697784DEST_PATH_IMAGE001
进行分组排列，将不规则的多媒体数据排列为所需矩阵形式（包括向量，向量可以看作1×n或n×1的矩阵），从而得到原始数据矩阵
Figure 768508DEST_PATH_IMAGE002
。
该步骤中，多媒体数据
Figure 373977DEST_PATH_IMAGE001
指需进行相关处理的数据，可为时空域数据，也可为DCT、DWT等变换域数据，且可选取全部载体数据，也可选取部分数据进行操作；对分组排列方法无特殊规定，仅需根据正交变换基排列为相应格式矩阵。
步骤a2，选取正交变换基对原始数据矩阵
Figure 276074DEST_PATH_IMAGE002
进行正交变换映射至正交空间，并通过不同正交码获取相互正交的密码操作数据集
Figure 756734DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 111492DEST_PATH_IMAGE004
，正交变换结果中除去密码操作数据集
Figure 30907DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 725193DEST_PATH_IMAGE004
以外的其他数据记为，正交变换基和正交码保存为变换密钥
Figure 48169DEST_PATH_IMAGE006
。
该步骤中，两个不同正交码在相应正交码空间中随机选取即可，但如果用户对加密操作或者水印操作有各自的特殊要求，如某些特定系数用于加密，某些特定系数用于水印嵌入，则要根据这些要求选取。在进行正交码分配时，必要时需注意，平衡加密操作的安全性及数字水印的不可见性、鲁棒性。与密码操作数据集
Figure 443379DEST_PATH_IMAGE003
相应的正交码记为正交码Ⅰ，与水印操作数据集相应的正交码记为正交码Ⅱ。正交变换基将保存为密钥，因此其选择与一般密钥选择一样，可随机指定，但需与
Figure 204847DEST_PATH_IMAGE002
格式相符。在加密及水印嵌入时，用户选取正交变换基及正交码作为密钥；在解密或水印提取时，则由该密钥获取变换基及正交码。
步骤a3，在加密密钥
Figure 471880DEST_PATH_IMAGE007
控制下，对密码操作数据集进行加密操作，得到密码操作数据集密文
Figure 700179DEST_PATH_IMAGE009
。
Figure 959122DEST_PATH_IMAGE008
标识本步骤加密操作，该步骤中对加密算法的选取并无特殊要求，可根据需要选取各常用加密算法，如：DES、AES、置乱、流加密等。
步骤a4，在水印嵌入密钥
Figure 510189DEST_PATH_IMAGE010
控制下，对水印操作数据集进行数字水印嵌入操作，得到水印操作数据集水印数据
Figure 98482DEST_PATH_IMAGE028
。
水印操作数据集
Figure 826529DEST_PATH_IMAGE004
之前为未嵌入数字水印状态，此步骤得到水印操作数据集中嵌入数字水印后结果数据
Figure 130471DEST_PATH_IMAGE029
。
Figure 671174DEST_PATH_IMAGE012
标识本步骤水印嵌入操作，该步骤中对水印嵌入算法也无特殊要求，同样可根据需要选取各常用数字水印嵌入算法，如：加\乘性嵌入，抖动调制，关系嵌入等。但需注意，由于
Figure 111383DEST_PATH_IMAGE030
在后续处理中需要映射至原多媒体数据域，则在进行水印修改嵌入时嵌入强度需与正交变换相协调，保证嵌入水印在正交逆变换后不被泯灭。所述数字水印嵌入算法为广义数字水印算法，包括狭义数字水印算法及数字指纹算法。两种技术区别在于：数字水印技术将版权等信息嵌入载体进行版权保护、完整性验证等，重点在于嵌入方法研究；指纹技术通过指纹编码使得嵌入的水印信息具有唯一性从而实现追踪功能，其重点在于编码研究。但俩者嵌入方法都是相同的。
步骤a5，根据变换密钥
Figure 774445DEST_PATH_IMAGE006
，通过正交码叠加将密码操作数据集密文
Figure 237788DEST_PATH_IMAGE014
、水印操作数据集水印数据
Figure 145963DEST_PATH_IMAGE015
和其他数据合成为变换域水印密文矩阵，将变换域水印密文矩阵
Figure 490860DEST_PATH_IMAGE016
经正交逆变换映射至原数据空间，获取处理后的多媒体数据水印密文矩阵
Figure 435682DEST_PATH_IMAGE017
在该步骤中，在进行正交逆变换时，变换后数据由于变换域中进行的加密、水印嵌入等操作发生改变，若有必要需对进行数据修改，使得变换结果符合原始数据域要求，如：若原始数据空间为整数空间，经过正交变换域加密、数字水印嵌入等操作后，操作数据映射至原始数据空间时，很有可能为实数，此时须进行相应调整，使得处理后数据满足原始数据空间需求。
步骤a6，通过与步骤a1所述分组排列相应的逆分组排列，从多媒体数据水印密文矩阵
Figure 28916DEST_PATH_IMAGE017
获取多媒体数据水印密文。
该步骤为步骤a1的逆操作，将处理后所得多媒体数据水印密文矩阵
Figure 277681DEST_PATH_IMAGE017
经逆分组排列归置入原位置，即可获取多媒体数据水印密文
Figure 484672DEST_PATH_IMAGE018
。
二、多媒体数据水印密文解密操作具体步骤如下：
步骤b1，将多媒体数据水印密文
Figure 660438DEST_PATH_IMAGE018
进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵，分组排列方式与步骤a1一致。
步骤b2，根据变换密钥，对多媒体数据水印密文矩阵
Figure 763151DEST_PATH_IMAGE017
进行正交变换，并根据相应正交码从正交变换结果中提取出密码操作数据集密文
Figure 109819DEST_PATH_IMAGE014
，正交变换结果中除去密码操作数据集密文
Figure 256767DEST_PATH_IMAGE014
以外的其他数据记为
Figure 347082DEST_PATH_IMAGE019
。
具体是根据
Figure 92447DEST_PATH_IMAGE006
中的正交变换基进行正交变换，根据
Figure 547699DEST_PATH_IMAGE006
中的正交码Ⅰ提取出密码操作数据集密文
Figure 509839DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤b3，根据加密密钥
Figure 138266DEST_PATH_IMAGE007
，对密码操作数据集密文
Figure 174355DEST_PATH_IMAGE014
进行解密操作
Figure 862826DEST_PATH_IMAGE020
，获取密码操作数据集解密明文
Figure 559866DEST_PATH_IMAGE021
，其中解密操作
Figure 991984DEST_PATH_IMAGE022
为步骤a3中加密操作
Figure 210476DEST_PATH_IMAGE008
的逆操作。
步骤b4，将密码操作数据集解密明文
Figure 69847DEST_PATH_IMAGE021
与其他数据
Figure 678683DEST_PATH_IMAGE019
相结合，然后通过正交逆变换映射至原数据空间，获取多媒体数据水印明文矩阵
Figure 150378DEST_PATH_IMAGE023
。该步骤实现方式与步骤a5一致。
步骤b5，通过逆分组排列，从多媒体数据水印明文矩阵
Figure 223376DEST_PATH_IMAGE023
获取多媒体数据水印明文，逆分组排列方式与步骤a6一致，也就是步骤a1的分组排列逆操作。
三、多媒体数据的水印信息提取，不但能从多媒体数据水印密文中提取出嵌入水印信息，而且可从解密后所得多媒体数据水印明文中提取出嵌入水印信息，具体实现步骤如下，
步骤c1，将多媒体数据水印密文
Figure 349781DEST_PATH_IMAGE018
或多媒体数据水印明文
Figure 123702DEST_PATH_IMAGE024
进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure 818251DEST_PATH_IMAGE017
或多媒体数据水印明文矩阵
Figure 19425DEST_PATH_IMAGE023
，分组排列方式与步骤a1一致；
步骤c2，根据变换密钥
Figure 337274DEST_PATH_IMAGE006
，将多媒体数据水印密文矩阵
Figure 914886DEST_PATH_IMAGE017
或多媒体数据水印明文矩阵
Figure 526258DEST_PATH_IMAGE023
进行正交变换并提取出水印操作数据集水印数据
Figure 898334DEST_PATH_IMAGE015
，具体是根据
Figure 765796DEST_PATH_IMAGE006
中的正交变换基进行正交变换，根据
Figure 819202DEST_PATH_IMAGE006
中的正交码Ⅱ提取出水印操作数据集水印数据
Figure 721299DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤c3，根据水印嵌入密钥
Figure 765741DEST_PATH_IMAGE010
，对水印操作数据集水印数据
Figure 323761DEST_PATH_IMAGE015
进行水印提取操作
Figure 977596DEST_PATH_IMAGE025
获取嵌入水印信息
Figure 999779DEST_PATH_IMAGE026
，其中水印提取操作
Figure 651340DEST_PATH_IMAGE027
为步骤a4中水印嵌入操作
Figure 493394DEST_PATH_IMAGE012
的逆操作。
参见图2，对多媒体原始数据矩阵
Figure 452385DEST_PATH_IMAGE002
进行正交变换后，先根据正交码I提取出密码操作数据集
Figure 266757DEST_PATH_IMAGE003
进行加密操作获取密码操作数据集密文
Figure 151537DEST_PATH_IMAGE014
，再根据正交码II提取出水印操作数据集
Figure 480887DEST_PATH_IMAGE004
进行水印嵌入操作获取水印操作数据集水印数据
Figure 679787DEST_PATH_IMAGE029
，将
Figure 410983DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 968128DEST_PATH_IMAGE029
及其他数据结合并通过正交逆变换获取多媒体数据水印密文矩阵；对多媒体原始数据矩阵进行正交变换后，先根据正交码II提取出水印操作数据集
Figure 373068DEST_PATH_IMAGE004
进行水印嵌入操作获取水印操作数据集水印数据
Figure 537333DEST_PATH_IMAGE029
，再根据正交码I提取出密码操作数据集
Figure 467374DEST_PATH_IMAGE003
进行加密操作获取密码操作数据集密文
Figure 70394DEST_PATH_IMAGE014
，将
Figure 510602DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 111348DEST_PATH_IMAGE014
及其他数据结合并通过正交逆变换同样能够获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure 126753DEST_PATH_IMAGE031
。在本发明基于正交变换实现相同操作域交换密码水印技术中，通过正交变换域中不同正交码分配划分密码及数字水印数据集，实现密码操作及数字水印操作间的相互交换。即步骤a3的加密操作与步骤a4的数字水印嵌入操作不分顺序先后，可先进行步骤a3再进行步骤a4，也可先进行步骤a4再进行步骤a3，效果是等同的。
本发明实施例是在JPEG编码基础上基于正交变换实现相同操作域图像交换密码水印。参见图3，基于图像JPEG编码，本发明基于正交变换实现相同操作域交换密码水印的过程如下。
一、JPEG图像加密及数字水印嵌入
（1）图像数据在进行8×8宏块DCT变换及量化操作后，对作为原始数据的DCT量化系数
Figure 533464DEST_PATH_IMAGE001
进行分组排列。如图4给出的一种分组排列方式：以8×8宏块为单位将图像分成4×4区域，每个区域包含
Figure 765862DEST_PATH_IMAGE032
个8×8宏块，当图像数据的长
Figure 599826DEST_PATH_IMAGE033
或宽
Figure 612781DEST_PATH_IMAGE034
不为8×4的整数倍时，取包含于该图像的最大(8×4×
Figure 495286DEST_PATH_IMAGE035
)×(8×4×)子图像进行操作，每区域相同位置8×8宏块指定DCT量化系数组成一4×4整数矩阵，即原始数据矩阵
Figure 416417DEST_PATH_IMAGE002
。也就是，
Figure 916669DEST_PATH_IMAGE035
=floor（
Figure 665182DEST_PATH_IMAGE033
/32），
Figure 872172DEST_PATH_IMAGE036
=floor（
Figure 549404DEST_PATH_IMAGE034
/32），floor表示向下取整。根据DCT变换特性，为了平衡嵌入水印不可见性及鲁棒性，选择DCT中低频AC系数进行操作。
（2）对4×4整数矩阵进行正交变换及变换域正交码分配，获取密码操作数据集
Figure 761259DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 150652DEST_PATH_IMAGE011
。由于原始数据空间为整数空间（
Figure 231741DEST_PATH_IMAGE002
为整数矩阵），为了减小操作结果由于取整引入误差，正交变换选取二维整数变换，即：
Figure 644267DEST_PATH_IMAGE037
式中，为n×n原始数据，
Figure 479948DEST_PATH_IMAGE038
为n×n变换数据，
Figure 935200DEST_PATH_IMAGE039
为n×n整数正交变换矩阵，
Figure 631760DEST_PATH_IMAGE040
为
Figure 260188DEST_PATH_IMAGE039
的转置，
Figure 561856DEST_PATH_IMAGE041
表示矩阵对应位置数据相乘，
Figure 751791DEST_PATH_IMAGE042
及
Figure 935648DEST_PATH_IMAGE043
分别表示密码操作数据集
Figure 367766DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 523941DEST_PATH_IMAGE011
的对应正交码。正交变换结果中除去密码操作数据集
Figure 383313DEST_PATH_IMAGE003
及水印操作数据集
Figure 555930DEST_PATH_IMAGE004
以外的其他数据记为
Figure 526160DEST_PATH_IMAGE044
。正交变换基
Figure 536842DEST_PATH_IMAGE039
和正交码
Figure 567114DEST_PATH_IMAGE042
及保存为变换密钥。
实际上，二维整数变换公式如下：
Figure 949DEST_PATH_IMAGE045
其中
Figure 866137DEST_PATH_IMAGE046
为n×n整数变换补偿矩阵（
Figure 67311DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 713056DEST_PATH_IMAGE048
表示第
Figure 290668DEST_PATH_IMAGE048
行，表示第
Figure 883903DEST_PATH_IMAGE049
列）。以4阶Walsh矩阵为例，
Figure 16944DEST_PATH_IMAGE050
，。根据补偿操作（
Figure 972447DEST_PATH_IMAGE052
）特性有：
其中
Figure 73444DEST_PATH_IMAGE054
表示矩阵
Figure 240463DEST_PATH_IMAGE046
中元素进行各自平方操作。由于补偿操作（），对变换域数据的修改有可能使得修改数据经逆变换后不为整数，而DCT量化系数空间为整数空间。为了减小取整操作引入误差，本发明利用补偿操作（）特性，在进行加密及水印嵌入时，不进行补偿操作，将加密及水印嵌入操作补偿移至解密或水印提取操作中。但此时，由于数据取值范围增大，码流长度将有所增加，但由于操作数据所占比例不大（每8×8宏块中取1-4个系数），增加不致太大。即以码流增加来换取较小图像误差。
在进行密码操作域和水印操作域正交码分配时，可从任一正交码空间选取两个相互正交的码组进行分配，以4×4矩阵空间为例，
Figure 213787DEST_PATH_IMAGE055
与
Figure 28160DEST_PATH_IMAGE056
即为两个相互正交码，此时，根据正交码I提取出的密码操作域为4×4变换矩阵的第一列，根据正交码II提取出的水印操作域为4×4变换矩阵的第二列，而其他数据则为4×4变换矩阵的三、四列。此处仅列举了操作域提取中极为简单的一种情况，在实际使用时，可选取其他更具普遍性的正交码空间进行操作。需要指出，可将变换数据仅分为密码操作域与水印操作域，此时，其他数据将为空。
（3）在加密密钥
Figure 942654DEST_PATH_IMAGE057
控制下，对密码操作数据集
Figure 673850DEST_PATH_IMAGE003
进行AES加密操作，获取密码操作数据集密文
Figure 483860DEST_PATH_IMAGE059
。
（4）根据水印嵌入密钥
Figure 784653DEST_PATH_IMAGE060
，在水印操作数据集
Figure 370356DEST_PATH_IMAGE004
中进行DCT系数抖动调制嵌入水印，获取水印操作数据集水印数据
Figure 800200DEST_PATH_IMAGE028
。根据水印嵌入密钥决定水印嵌入位及嵌入强度，按照DCT系数抖动调制嵌入对应水印信息。设嵌入水印信息
Figure 441583DEST_PATH_IMAGE061
，且水印信息位
Figure 711152DEST_PATH_IMAGE062
。则水印嵌入位
Figure 108636DEST_PATH_IMAGE063
表示为：
1）若
Figure 837557DEST_PATH_IMAGE064
，则
2）若
Figure 40448DEST_PATH_IMAGE066
，则
Figure 812095DEST_PATH_IMAGE067
式中，表示任意整数，嵌入量化步长
Figure DEST_PATH_IMAGE069
与整数变换补偿矩阵相应位置步长有关，为了保证嵌入水印在整数逆变换中不被取整操作泯灭，则有
Figure 769872DEST_PATH_IMAGE070
。可根据实际调整水印容量，若需嵌入较多水印信息，则可选择多个DCT中低频系数进行操作嵌入，也可通过扩大数据量来增加水印容量。
（5）根据变换密钥
Figure 691003DEST_PATH_IMAGE006
，将密码操作数据集密文
Figure 128938DEST_PATH_IMAGE014
、水印操作数据集水印数据
Figure 611871DEST_PATH_IMAGE030
和其他数据
Figure 146758DEST_PATH_IMAGE005
合成向量
Figure 260208DEST_PATH_IMAGE071
经整数正交逆变换映射至多媒体数据原始空间，获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure 247755DEST_PATH_IMAGE017
。如步骤（2）所述，该步骤中所进行的整数正交逆变换并不进行补偿操作而是将相应的补偿操作（）移至解密、水印提取操作中，其公式如下：
（6）将多媒体数据水印密文矩阵
Figure 444009DEST_PATH_IMAGE017
经逆分组排列归置入原位置，获取图像水印密文DCT量化系数
Figure 918853DEST_PATH_IMAGE018
（即多媒体数据水印密文），经后续熵编码等操作获取图像水印密文JPEG码流。
对于图4所示分组排列方式，其逆分组排列为，将4×4整数矩阵
Figure 946852DEST_PATH_IMAGE002
中各元素，按照其在
Figure 190751DEST_PATH_IMAGE002
中的位置返回至图像相应子区域的8×8宏块中替换指定DCT量化系数。
二、JPEG图像水印密文解密
   由于信道噪声，接收端信息与发送端信息存在误差，以下相应接收端符号均加上上标′以示区别。
    （1）从图像水印密文JPEG码流中接收获取DCT量化系数
Figure 944206DEST_PATH_IMAGE074
，经分组排列获取相应4×4整数矩阵，即多媒体数据水印密文矩阵
Figure 844029DEST_PATH_IMAGE075
。执行分组排列时，仍然如图4给出的分组排列方式。
（2）根据变换密钥
Figure 472456DEST_PATH_IMAGE006
，对4×4整数矩阵
Figure 836442DEST_PATH_IMAGE075
进行正交变换及加密域提取，获取密码操作数据集密文
Figure 259333DEST_PATH_IMAGE076
及其他数据
Figure 646452DEST_PATH_IMAGE019
。该步骤在进行正交变换时，需进行补偿操作，其公式为：
Figure 568316DEST_PATH_IMAGE077
（3）在加密密钥
Figure 521229DEST_PATH_IMAGE057
控制下，对密码操作数据集密文
Figure 380600DEST_PATH_IMAGE076
进行AES解密，获取密码操作数据集解密明文
Figure 989436DEST_PATH_IMAGE078
。
（4）根据变换密钥
Figure 225245DEST_PATH_IMAGE006
，将密码操作数据集解密明文
Figure 799709DEST_PATH_IMAGE021
与其他数据
Figure 829981DEST_PATH_IMAGE019
相结合并进行正交逆变换，获取DCT量化系数矩阵
Figure 926113DEST_PATH_IMAGE023
，即多媒体数据水印明文矩阵。由于补偿操作，使得整数正交逆变换结果为实数，然而变换结果为DCT量化系数必须为整数，则需要对整数正交逆变换结果进行取整操作，该步骤中整数正交逆变换公式为：
Figure 700034DEST_PATH_IMAGE079
（5）将DCT量化系数矩阵
Figure 627539DEST_PATH_IMAGE023
经逆分组排列归置入原位置，获取图像水印明文DCT量化系数
Figure 330178DEST_PATH_IMAGE024
（即多媒体数据水印明文），经后续熵编码等操作获取图像水印明文JPEG码流。
三、JPEG图像水印明文（密文）信息提取
（1）从JPEG图像水印明文（密文）数据流中获取DCT量化系数
Figure 975923DEST_PATH_IMAGE024
（
Figure 225639DEST_PATH_IMAGE018
），经分组排列获取操作数据矩阵
Figure 273229DEST_PATH_IMAGE023
（
Figure 645305DEST_PATH_IMAGE017
）。执行分组排列时，仍然如图4给出的分组排列方式。
（2）根据变换密钥
Figure 716029DEST_PATH_IMAGE006
，对4×4整数矩阵（）进行正交变换及数字水印操作域提取，获取数字水印操作域向量
Figure 715974DEST_PATH_IMAGE030
及其他数据
Figure 70732DEST_PATH_IMAGE080
。该步骤在进行正交变换时，同样需进行补偿操作，其变换公式为：
（3）在水印嵌入密钥
Figure 684433DEST_PATH_IMAGE060
控制下，判断水印嵌入位
Figure 899776DEST_PATH_IMAGE082
的奇偶性提取嵌入水印信息：若
Figure 7409DEST_PATH_IMAGE082
为奇数则嵌入的水印信息
Figure 402619DEST_PATH_IMAGE083
，反之
Figure 13729DEST_PATH_IMAGE084
。
本发明实施例在图像JPEG编码基础上实现的交换密码水印算法，仅对水印嵌入位进行了加密操作，为了进一步加强图像的安全，还可以对图像JPEG码流中的其他重要数据（DC系数、非水印嵌入位AC系数）进行加密操作。值得注意的是，为了不过多增加码流长度，此时的加密操作针对Huffman编码数据且为等长加密。在根据对一幅256×256图像的实验结果比较原始图像、图像水印密文、图像解密明文，可知此方法不但满足密码操作安全性需求（密文几乎未包含可视信息，峰值信噪比PSNR=27.428dB）、数字水印操作具有良好不可见性（水印图像峰值信噪比PSNR=45.222dB），而且从密文及解密明文中均能提取出水印信息（相关值CV=1）。
以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种在相同操作域上实现交换密码水印的方法，其特征在于：
多媒体数据的加密和水印信息嵌入，包括对多媒体数据进行分组预处理得到原始数据矩阵，通过正交变换将原始数据矩阵映射至正交空间，根据不同正交码获取相互正交的密码操作数据集和水印操作数据集，对密码操作数据集进行加密操作得到密码操作数据集密文，对水印操作数据集执行数字水印嵌入操作得到水印操作数据集水印数据，将密码操作数据集密文、水印操作数据集水印数据及其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，然后通过分组逆排列获取多媒体数据水印密文；所述多媒体数据的加密和水印信息嵌入，具体实现步骤如下，
步骤a1，将多媒体数据x进行分组排列，获取相应的原始数据矩阵X；
步骤a2，选取正交变换基对原始数据矩阵X进行正交变换映射至正交空间，并通过不同正交码获取相互正交的密码操作数据集Y1及水印操作数据集Y2，正交变换结果中除去密码操作数据集Y1及水印操作数据集Y2以外的其他数据记为Z1，正交变换基和正交码保存为变换密钥K1；
步骤a3，在加密密钥K2控制下，对密码操作数据集Y1进行加密操作E(·)得到密码操作数据集密文 Y ^ 1 = E ( Y 1 , K 2 ) ;
步骤a4，在水印嵌入密钥K3控制下，对水印操作数据集Y2进行数字水印嵌入操作W(·)得到水印操作数据集水印数据Y2w＝W(Y2,w)；
步骤a5，根据变换密钥K1，通过正交码叠加将密码操作数据集密文
Figure FDA00003303759700012
、水印操作数据集水印数据Y2w和其他数据Z1合成为变换域水印密文矩阵，将变换域水印密文矩阵
Figure FDA00003303759700014
经正交逆变换映射至原数据空间，获取处理后的多媒体数据水印密文矩阵
Figure FDA00003303759700015
步骤a6，通过与步骤a1所述分组排列相应的逆分组排列，从多媒体数据水印密文矩阵
Figure FDA00003303759700016
获取多媒体数据水印密文
Figure FDA00003303759700017
多媒体数据的解密，包括对多媒体数据水印密文进行分组预处理获取多媒体数据密文矩阵，经正交变换及正交码分配提取密码操作数据集密文，将密码操作数据集密文进行解密操作并与其他数据合成，经正交逆变换将合成结果返回原数据空间，通过分组逆排列获取多媒体数据明文；
多媒体数据的水印信息提取，包括对多媒体数据水印密文或多媒体数据水印明文进行分组预处理，然后经正交变换及正交码分配获取水印操作数据集水印数据，并进行水印信息提取操作，获取嵌入水印信息。
2.根据权利要求1所述在相同操作域上实现交换密码水印的方法，其特征在于：步骤a4进行数字水印嵌入操作时采用广义数字水印算法，包括狭义数字水印算法及数字指纹算法。
3.根据权利要求1或2所述在相同操作域上实现交换密码水印技术的方法，其特征在于：所述多媒体数据的解密，具体实现步骤如下，
步骤b1，将多媒体数据水印密文
Figure FDA00003303759700021
进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵分组排列方式与步骤a1一致；
步骤b2，根据变换密钥K1，对多媒体数据水印密文矩阵进行正交变换，并根据相应正交码从正交变换结果中提取出密码操作数据集密文
Figure FDA00003303759700024
正交变换结果中除去密码操作数据集密文
Figure FDA00003303759700025
以外的其他数据记为Z2；
步骤b3，根据加密密钥K2，对密码操作数据集密文
Figure FDA00003303759700026
进行解密操作获取密码操作数据集解密明文Y1′，其中解密操作D(·)为步骤a3中加密操作E(·)的逆操作；
步骤b4，将密码操作数据集解密明文Y1′与其他数据Z2相结合，然后通过正交逆变换映射至原数据空间，获取多媒体数据水印明文矩阵X′w；
步骤b5，通过逆分组排列，从多媒体数据水印明文矩阵X′w获取多媒体数据水印明文x′w，逆分组排列方式与步骤a6一致。
4.根据权利要求3所述在相同操作域上实现交换密码水印技术的方法，其特征在于：所述多媒体数据的水印信息提取，具体实现步骤如下，
步骤c1，将多媒体数据水印密文
Figure FDA00003303759700028
或多媒体数据水印明文x′w进行分组排列，获取多媒体数据水印密文矩阵
Figure FDA00003303759700029
或多媒体数据水印明文矩阵X′w，分组排列方式与步骤a1一致；
步骤c2，根据变换密钥K1，将多媒体数据水印密文矩阵或多媒体数据水印明文矩阵X′w进行正交变换并提取出水印操作数据集水印数据Y2w；
步骤c3，根据水印嵌入密钥K3，对水印操作数据集水印数据Y2w进行水印提取操作w′＝V(Y2w)获取嵌入水印信息w′，其中水印提取操作V(·)为步骤a4中水印嵌入操作W(·)的逆操作。
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