CN114205616B - 一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。包括驱动激光器输出的激光经光反馈后产生混沌信号，并经相位调制器、色散模块作用后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器和两条光纤链路后分别注入到两个响应激光器使两个激光器实现混沌同步。每个响应激光器所产生的混沌信号经光纤分束器后分为两路，其中一路输入秘钥发生器产生秘钥，用于控制水印图像的嵌入与提取；另一路作为混沌载波用于对已嵌入水印的图像进行加密保障图像传输的安全性，从而实现水印的双重加密。本发明基于半导体激光器产生混沌信号的真随机性，其复杂度高，可使水印算法的安全性能够达到较高的水平且能够实现水印的安全通信。
Description
技术领域
本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。
背景技术
信息安全涉及国家政治、经济、国防等诸多领域，是维护国家安全和社会稳定的关键问题。作为信息安全的关键技术之一，水印技术已经受到了广泛的关注。由于混沌的遍历性，对初始条件和参数较敏感，且具有复杂的动态和确定性行为，混沌映射被广泛用于加密技术中，混沌水印技术应运而生。通常，将混沌引入水印算法中一般是利用混沌映射将载体图片或水印图片置乱，然后再完成水印算法的其他步骤。然而，在这些方法中，混沌映射的关键参数是人为设置且需要在两个用户之间进行交换，这无疑会增加系统的不安全性。此外，水印信息在传输过程中的安全性问题也是亟需解决的问题。因此，在实际的水印技术应用中，寻求真随机数用于控制水印图片的置乱并保证水印信息安全传输是当前水印技术真正应用需要解决的重要问题。
半导体激光器在光反馈、光注入、光电反馈等外部扰动下易输出混沌信号，这些混沌信号具有宽带宽、适合远距离传输等优点，且这类基于物理器件产生的混沌信号具有不可预测的特点，因而被广泛的用于真随机数产生。利用外部扰动下半导体激光器产生的真随机信号控制水印图片的置乱可大大提高水印算法的安全性。此外，两个混沌激光器在适当的条件下可产生同步的混沌信号，基于两个半导体激光器产生的混沌同步信号可实现信息的混沌保密传输。
基于上述分析，考虑到水印技术在信息领域的应用需求，并充分考虑到基于半导体激光器产生的混沌信号可用于水印图片的置乱及实现信息的混沌保密传输，探索安全性更高的水印算法及其保密传输技术显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，包括中心控制模块和用户模块。
所述中心控制模块包括驱动激光器、平面反射镜、可变衰减器、相位调制器、余弦信号发生器、色散模块、第一光纤分束器、余弦信号发生器；
驱动激光器输出的激光通过可变衰减器、平面反射镜后反馈回激光器，产生混沌信号，该混沌信号通过受余弦信号控制的相位调制器、色散模块后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器分为两路；
用户模块，包括两个响应激光器、两个秘钥发生器；
所得到低时延、大带宽的混沌信号其中一路经过第一偏振控制器、第一单模光纤、第一掺铒光纤放大器，注入第一响应激光器中；
第一响应激光器通过第二光纤分束器后分为A、B两路：
A路通过第三光电转换器、第一密钥发生器产生密钥控制水印算法的关键参数，将水印图像、lena图像处理，获得嵌入水印的lena图像；
B路的混沌信号作为载波用于加载已嵌入水印的图像，加载后的信号通过第三偏振控制器、第三单模光纤、第三掺铒光纤放大器、第一光电转换器后传输至另一端；
另一路经过第二偏振控制器、第二单模光纤、第二掺铒光纤放大器，注入第二响应激光器中；
第二响应激光器输出信号通过第三光纤分束器分为C、D两路：
C路通过第四偏振控制器、延迟光纤、第四掺铒光纤放大器、第二光电转换器对B路输出的信号进行解密得到传输后的图像(嵌入水印的传输图像)；
D路通过第四光电转换器、第二密钥发生器产生密钥完成水印的提取。
一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，包括：
步骤1.调节平面反射镜和可调衰减器，使中心控制模块中的驱动激光器产生混沌信号，该混沌信号经过相位调制器和色散模块后注入第二响应激光器，使两响应激光器进入同步状态；
步骤2.调节第一响应激光器的输出参数，使从第一响应激光器输出的一路信号转换为电信号进入第一秘钥发生器获取秘钥，用于控制水印嵌入算法中Arnold置乱的参数；另一路信号作为混沌载波，用于加载已嵌入水印的图像；
其中，第一秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
步骤(1).以固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列x；
步骤(2).另取一个空矩阵x1，令x1(1)＝0，如果x(i+1)>x(i)，x1(i+1)＝1；反之，x1(i+1)＝0，其中，x为混沌信号采样所得，x1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；
步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥；
其中，水印嵌入算法为：
步骤A.利用Arnold置乱将载体图像的像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算，a、b、n的参数从第一秘钥发生器产生的秘钥中随机选取；
步骤B.通过离散小波变换，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分，LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带，再通过离散余弦变换分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1，然后将这四个矩阵进行8*8分块；
步骤C.将水印图像分为四部分，选取得到的LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，用中心点周围四个点的平均值替换原始值，然后选择合适的嵌入参数，将水印图像的四个部分分别嵌入LL1、LH1、HL1和HH1；
步骤D.具体的嵌入方式为y＝x+a*b，x为步骤C中所计算出的平均值，a为嵌入强度，b为水印图像的像素值；
步骤E.对已嵌入水印图像的DCT系数进行逆离散余弦变换和逆离散小波变换得到已嵌入水印的置乱图像；
步骤F.对步骤E中得到的图像进行逆Arnold变换得到已嵌入水印的图像，具体的数学表达如下所示：
式中具体的符号意义和参数与步骤A中相同；
步骤3.调节第二响应激光器，使混沌信号通过第三光纤分束器分为两路，一路达到减法器，通过比较第一响应激光器和第二响应激光器传输到减法器的混沌信号，将信号进行解密；另一路通过第二秘钥发生器产生与第一秘钥发生器相同的秘钥，通过水印提取算法完成水印图像的提取。
进一步的，第二秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
步骤a.以与第一秘钥发生器产生秘钥步骤中相同的起始点和固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列y；
步骤b.另取一个空矩阵y1，令y1(1)＝0，如果y(i+1)>y(i)，y1(i+1)＝1；反之，y1(i+1)＝0其中，y为混沌信号采样所得，y1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；
步骤c.将步骤b中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥；
进一步的，具体的水印提取算法为：
步骤Ⅰ.利用Arnold置乱将获得的图像像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算，a、b、n的参数从第二秘钥发生器中选取，其值与第一秘钥发生器选取的参数一致；
步骤Ⅱ.通过离散小波变换，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分，LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带，再通过离散余弦变换分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1，然后将这四个矩阵进行8*8分块；
步骤Ⅲ.选取LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，计算周围四个点的平均值并与原始值相减，然后使用与水印嵌入算法步骤C中相同的嵌入参数，解出水印图像。
本发明的有益效果：
1.本发明包括双层加密：一是利用两个同步的响应激光器产生共享的秘钥对水印进行加密；二是利用两个响应激光器产生同步的混沌信号对已嵌入水印的图像再次进行加密，以确保信息的安全传输。
2.驱动激光器的输出经过相位调制器和色散模块后可获得低时延特征的宽带混沌信号，可满足高速率信息安全传输。
3.本发明采用一驱二的混沌同步技术，可使两个响应激光器获得低时延宽带混沌信号，并实现高质量的混沌同步，从而有利于保证信息传输的安全性。
4.本发明通过选取适当的注入强度和失谐频率使两个响应激光器均输出混沌信号，并对两个用户激光器同步输出的混沌时间序列进行取样、编码，获取共享的秘钥，可有效的提高系统的安全性。
5.用户模块采用的激光器混沌信号属于真随机信号，利用该信号产生的秘钥控制水印图像的置乱，并利用共享的秘钥进行水印图像恢复，有利于保证水印加密的有效性。
6.本发明选用激光器的工作波长为1550nm，可与现有光纤系统兼容，有利于这种水印加密技术的推广应用。
7.本发明的所有激光器采用商业化的驱动激光器，能有效降低系统的成本。
附图说明
图1为本发明的基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置的结构示意图；
图2为本发明的基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置的具体实施例示意图。
图中：1-驱动激光器；2-第一响应激光器；3-第二响应激光器、4-平面反射镜、5-可变衰减器、6-相位调制器、7-色散模块、8-第一光纤分束器、9-余弦信号发生器、10-第一偏振控制器、11-第二偏振控制器、12-第一单模光纤、13-第二单模光纤、14-第一掺铒光纤放大器、15-第二掺铒光纤放大器、16-第二光纤分束器、17-第三光电转换器、18-第三偏振控制器、19-第三单模光纤、20-第三掺铒光纤放大器、21-第四偏振控制器、22-延迟光纤、23-第四掺铒光纤放大器、24-第二光电转换器、25-第一光电转换器、26-第四光电转换器、27-第一密钥发生器、28-第二密钥发生器、29-第三光纤分束器、30-水印图像、31-lena图像、32-嵌入水印的lena图像、33-接收到的图像、34-被提取出的水印图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，包括中心控制模块和用户模块。
所述中心控制模块包括驱动激光器1、平面反射镜4、可变衰减器5、相位调制器6、色散模块7、第一光纤分束器8、余弦发生器9；
驱动激光器1输出的激光通过可变衰减器5、平面反射镜4反馈回驱动激光器1产生混沌信号，混沌信号通过与余弦发生器9相连接的相位调制器6(余弦发生器产生的余弦信号用于控制相位调制器6)、色散模块7后产生低延时，大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器8分为两路；
用户模块，包括两个响应激光器、两个秘钥发生器；
其中一路经过第一偏振控制器10、第一单模光纤12、第一掺铒光纤放大器14，注入第一响应激光器2中；
第一响应激光器2通过第二光纤分束器16后分为A、B两路：
A路通过第三光电转换器17、第一密钥发生器27产生密钥控制水印算法的关键参数，将水印图像30、lena图像31处理，获得嵌入水印的lena图像32；
B路的混沌信号作为载波用于加载已嵌入水印的图像，加载后的信号通过第三偏振控制器18、第三单模光纤19、第三掺铒光纤放大器20、第一光电转换器25传输至另一端。
另一路经过第二偏振控制器11、第二单模光纤13、第二掺铒光纤放大器15，注入第二响应激光器3中；
第二响应激光器3输出信号通过第三光纤分束器29分为C、D两路；
C路通过第四偏振控制器21、延迟光纤22、第四掺铒光纤放大器23、第二光电转换器24对B路输出的信号进行解密，得到带有水印的载体图像33；
D路通过第四光电转换器26、第二密钥发生器28产生密钥完成水印的提取得到被提取出的水印图像34。
一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，包括：
步骤1.调节平面反射镜4和可调衰减器5，使中心控制模块中的驱动激光器1产生混沌信号，该混沌信号通过相位调制器6和色散模块7后，产生大带宽、低延时的混沌信号，再通过第一光纤分束器8后分为两路，分别通过第一偏振器10、第一单模光纤12、第一掺铒光纤放大器14注入第一响应激光器2和通过注入第二偏振控制器11、第二单模光纤13、第二掺铒光纤放大器15注入第二响应激光器3，使两响应激光器进入同步状态；
步骤2.调节第一响应激光器2，使从第一响应激光器2输出的一路信号通过第二光纤分束器16、第三光电转换器17转换为电信号进入第一秘钥发生器，产生水印嵌入算法中Arnold置乱的参数，使另一路作为信息传播的载波，用于加载已嵌入水印的图像，然后依次经过第三偏振控制器18、第三单模光纤19、第三掺铒光纤放大器20、第一光电转换器25达到减法器；
其中，第一秘钥发生器27产生秘钥的步骤为：
步骤(1).以固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列x；
步骤(2).另取一个空矩阵x1，令x1(1)＝0，如果x(i+1)>x(i)，x1(i+1)＝1；反之，x1(i+1)＝0。其中，x为混沌信号采样所得序列，x1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置。
步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥。
其中，水印嵌入算法为：
步骤(1).利用Arnold置乱将载体图像的像素点进行置乱，并将水印图像嵌入到被置乱的图像中，这可以提供额外的安全性。Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算。a、b、n的参数从第一秘钥发生器产生秘钥的步骤中生成的十进制数随机选取。
步骤(2).通过离散小波变换(DWT)，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分。LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带。再通过离散余弦变换(DCT)分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1。然后将这四个矩阵进行8*8分块。
步骤(3).将水印图像分为四部分，选取LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，用点周围四个点的平均值替换原始值，然后选择合适的嵌入参数，将水印的各部分分别嵌入LL1、LH1、HL1和HH1。
步骤(4).具体的嵌入方式为y＝x+a*b，x为步骤(3)中所计算出的平均值，a为嵌入强度，b为水印图像的像素值。
步骤(5).对已嵌入水印图像的DCT系数进行逆离散余弦变换(IDCT)和逆离散小波变换(IDWT)变换得到已嵌入水印的置乱图像。
步骤(6).对步骤(5)中得到的图像进行逆Arnold变换得到已嵌入水印的图像，具体的数学表达如下所示：
式中具体的符号意义和参数与步骤(1)中相同。
步骤3.调节第二响应激光器3，使混沌信号通过第三光纤分束器29分为两路，一路经过延迟光纤22、第四掺铒光纤放大器23、第二光电转换器24达到减法器，通过比较第一响应激光器2和第二响应激光器3传输到减法器的混沌信号，将信号进行解密；
另一路通过第四光电转换器26转换为电信号进入第二秘钥发生器28产生与第一秘钥发生器27所产生的相同的参数。
进一步的，步骤3中第二秘钥发生器28的秘钥产生步骤为：
步骤(1).以与第一秘钥发生器27产生秘钥步骤中相同的起始点和固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列y。
步骤(2).另取一个空矩阵y1，令y1(1)＝0，如果y(i+1)>y(i)，y1(i+1)＝1；反之，y1(i+1)＝0。其中，y为混沌信号采样所得序列，y1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置。
步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥。
进一步的，水印提取算法为：
步骤(1).利用Arnold置乱将获得的图像像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算。a、b、n的参数从第二秘钥发生器秘钥中选取与第一秘钥发生器产生秘钥中相同的秘钥。
步骤(2).通过离散小波变换(DWT),将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分。LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带。再通过离散余弦变换(DCT)分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1。然后将这四个矩阵进行8*8分块。
步骤(3).选取LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，计算周围四个点的平均值并与原始值相减，然后使用与水印嵌入算法步骤(3)中相同的嵌入参数，解出水印图像。
实施例
如图2所示，一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，包括中心控制模块和用户模块。
中心控制模块由一个商业化的带光反馈的1550nmDFB及系列光学元件组成。通过可变衰减器NDF和平面反射镜M获得光反馈，使激光器输出混沌信号，混沌信号经过相位调制器PM和色散模块De，得到大宽带、低延时的混沌信号，再通过光纤分束器FC1后分为两路。
所述用户模块由两个参数基本一致的响应激光器构成，调节混沌信号的注入强度和失谐频率，获得大宽带、低延时的混沌信号，且两个响应激光器达到同步状态。一方面，大带宽的混沌信号可以满足信息的高速率传输；另一方面，低时延的混沌信号可以保证系统传输信息的安全性，使信息无法被非法窃取。从响应激光器输出的混沌信号一方面产生真随机码以控制水印算法中置乱映射的相关参数，另一方面作为载波使信息在用户之间安全传输。
从任一响应激光器输出的混沌信号分为两路，一路利用其趋势进行编码产生水印算法中图像进行Arnold置乱、逆Arnold置乱的相关参数，进而完成水印嵌入、提取的算法步骤；另一路则作为载波在混沌保密通信中实现信息的加密和解密。
具体方式为：
两路信号分别经过偏振控制器PC1、单模光纤F1、掺铒光纤放大器EDFA1注入第一响应激光器R-DFB1，另一路经过偏振控制器PC2、单模光纤F2、掺铒光纤放大器EDFA2后进入第二响应激光器R-DFB2。
所述的第一响应激光器R-DFB1输出的信号通过光纤分束器FC2分为两路，一路通过光电转换器PD3后在第一秘钥发生器处产生密钥以控制水印算法的关键参数，完成水印图像的嵌入；另一路作为混沌载波对已经嵌入水印的图像进行加载，然后通过偏振控制器PC3、单模光纤F3、掺铒光纤放大器EDFA3、PD1传输至另一端。
所述第二响应激光器R-DFB2输出的信号通过光纤放大器FC3分为两路，一部分通过偏振控制器PC4、延迟光纤DF、掺铒光纤放大器EDFA4、光电探测器PD2对接收到的信号进行混沌解密，得到嵌入水印的载体图像。另一路通过光电转换器PD4后在第二随机数发生器处产生密钥以提取水印图像。
利用从中心控制模块输入的混沌信号同时驱动两个响应激光器，两个响应激光器均可输出同步的混沌信号。
所述利用驱动激光器1的输出编码产生密钥的方案是基于两个响应激光器进入同步状态后，从相同的起始点进行采样，产生速率可控的01码并转化成控制水印算法所需要的参数。
本发明的基本原理是：
响应激光器在适当的光反馈下可呈现出复杂的混沌行为。利用驱动激光器产生的混沌信号经相位调制器和色散模块后获得低延时特征的宽带混沌信号，注入该混沌信号到两个参数匹配的响应激光器，调节注入光的注入强度和失谐频率，两个响应激光器可输出高质量的混沌信号且两信号之间能实现高质量的混沌同步，将两个响应激光器输出的混沌信号利用所述采样编码方法产生密钥，这样，利用两个响应激光器的同步输出即可获得两个响应激光器共享的密钥。本发明中，仅仅当两个响应激光器实现高质量混沌同步输出时才能获得对应的共享密钥，而其他窃听者很难与响应激光器实现高质量混沌同步，因而很难窃取算法所使用的密钥。此外，利用两个响应激光器获得高质量混沌同步，还可以进一步确保水印图像在传输过程中的安全性，从而进一步保证了水印图像安全传输。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，其特征在于：包括中心控制模块和用户模块；
所述中心控制模块包括驱动激光器、平面反射镜、可变衰减器、相位调制器、余弦信号发生器、色散模块、第一光纤分束器；
驱动激光器输出的激光通过可变衰减器、平面反射镜后反馈回驱动激光器，产生混沌信号，该混沌信号通过受余弦信号发生器发出的余弦信号控制的相位调制器、色散模块后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器分为两路；
用户模块，包括两个响应激光器、两个秘钥发生器；
其中一路混沌信号经过第一偏振控制器、第一单模光纤、第一掺铒光纤放大器，注入第一响应激光器中；
第一响应激光器输出的混沌信号通过第二光纤分束器后分为A、B两路：
A路的混沌信号通过第三光电转换器、第一密钥发生器产生密钥控制水印算法的关键参数，将水印图像、lena图像处理，获得嵌入水印的lena图像；
B路的混沌信号作为载波用于加载嵌入水印的lena图像，加载后的信号通过第三偏振控制器、第三单模光纤、第三掺铒光纤放大器、第一光电转换器后传输至另一端；
另一路混沌信号经过第二偏振控制器、第二单模光纤、第二掺铒光纤放大器，注入第二响应激光器中；
第二响应激光器输出混沌信号通过第三光纤分束器分为C、D两路：
C路混沌信号通过第四偏振控制器、延迟光纤、第四掺铒光纤放大器、第二光电转换器对B路输出的信号进行解密得到传输后的嵌入水印的传输图像；
D路混沌信号通过第四光电转换器、第二密钥发生器产生密钥完成水印的提取，得到被提取出的水印图像。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，其特征在于：驱动激光器工作波长为1550nm。
3.一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，其特征在于，包括：
步骤1.调节平面反射镜和可调衰减器，使中心控制模块中的驱动激光器产生混沌信号，该混沌信号经过相位调制器和色散模块后注入第二响应激光器，使两响应激光器进入同步状态；
步骤2.调节第一响应激光器的输出参数，使从第一响应激光器输出的一路信号转换为电信号进入第一秘钥发生器获取秘钥，用于控制水印嵌入算法中Arnold置乱的参数；另一路信号作为混沌载波，用于加载已嵌入水印的图像；
其中，第一秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
步骤(1).以固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列x；
步骤(2).另取一个空矩阵x1，令x1(1)＝0，如果x(i+1)>x(i)，x1(i+1)＝1；反之，x1(i+1)＝0，其中，x为混沌信号采样所得序列，x1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；
步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥；
其中，水印嵌入算法为：
步骤A.利用Arnold置乱将载体图像的像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算，a、b、n的参数从第一秘钥发生器产生的秘钥中随机选取；
步骤B.通过离散小波变换，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分，LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带，再通过离散余弦变换分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1，然后将这四个矩阵进行8*8分块；
步骤C.将水印图像分为四部分，选取得到的LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，用中心点周围四个点的平均值替换原始值，然后选择合适的嵌入参数，将水印图像的四个部分分别嵌入LL1、LH1、HL1和HH1；
步骤D.具体的嵌入方式为y＝x+a*b，x为步骤C中所计算出的平均值，a为嵌入强度，b为水印图像的像素值；
步骤E.对已嵌入水印图像的DCT系数进行逆离散余弦变换和逆离散小波变换得到已嵌入水印的置乱图像；
步骤F.对步骤E中得到的图像进行逆Arnold变换得到已嵌入水印的图像，具体的数学表达如下所示：
式中具体的符号意义和参数与步骤A中相同；
步骤3.调节第二响应激光器，使混沌信号通过第三光纤分束器分为两路，一路达到减法器，通过比较第一响应激光器和第二响应激光器传输到减法器的混沌信号，将信号进行解密；另一路通过第二秘钥发生器产生与第一秘钥发生器相同的秘钥，通过水印提取算法完成水印图像的提取。
4.根据权利要求3所述的基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，其特征在于，步骤3中第二秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
步骤a.以与第一秘钥发生器产生秘钥步骤中相同的起始点和固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列y；
步骤b.另取一个空矩阵y1，令y1(1)＝0，如果y(i+1)>y(i)，y1(i+1)＝1；反之，y1(i+1)＝0，其中，y为混沌信号采样所得序列，y1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；
步骤c.将步骤b中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥。
5.根据权利要求3所述的基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，步骤3中具体的水印提取算法为：
步骤Ⅰ.利用Arnold置乱将获得的图像像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
其中，xn、yn表示转换前灰色图像中的像素位置；xn+1，yn+1表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算，a、b、n的参数从第二秘钥发生器中选取，其值与第一秘钥发生器选取的参数一致；
步骤Ⅱ.通过离散小波变换，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分，LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带，再通过离散余弦变换分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1，然后将这四个矩阵进行8*8分块；
步骤Ⅲ.选取LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，计算周围四个点的平均值并与原始值相减，然后使用与水印嵌入算法步骤C中相同的嵌入参数，解出水印图像。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000138589A (ja) * | 1998-11-04 | 2000-05-16 | Atr Adaptive Communications Res Lab | 電子透かし情報伝送システム、電子透かし情報伝送方法、電子透かし情報伝送方法のプログラムを記録した記録媒体、電子透かし情報記録システム、電子透かし情報記録方法及び電子透かし情報記録方法のプログラムを記録した記録媒体 |
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| CN109088716A (zh) * | 2018-09-29 | 2018-12-25 | 杭州电子科技大学 | 一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统 |
| CN109672533A (zh) * | 2019-01-28 | 2019-04-23 | 西南大学 | 一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000138589A (ja) * | 1998-11-04 | 2000-05-16 | Atr Adaptive Communications Res Lab | 電子透かし情報伝送システム、電子透かし情報伝送方法、電子透かし情報伝送方法のプログラムを記録した記録媒体、電子透かし情報記録システム、電子透かし情報記録方法及び電子透かし情報記録方法のプログラムを記録した記録媒体 |
| CN106788964A (zh) * | 2017-02-17 | 2017-05-31 | 西南大学 | 一种基于wrc‑fpld和wdm‑pon组网的混沌保密通信装置与方法 |
| CN109088716A (zh) * | 2018-09-29 | 2018-12-25 | 杭州电子科技大学 | 一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统 |
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