实验四基于混沌细胞自动机数字水印实验

信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日1实验四：基于混沌细胞自动机数字水印实验(设计型实验)【实验目的】：1、掌握细胞自动机生成水印的原理与方法，能够编写代码实现；2、运用前几次对实验的学习与实践的经验与理解，实现数字水印的设计。【实验内容】：（请将你实验完成的项目涂“■”）实验完成形式：■用MATLAB函数实现水印的三大策略□用MATLAB命令行方式实现实现水印的三大策略□其它：（请注明）实验效果和分析所使用的手段：■结合水印性能分析使用StirMark对水印进行了攻击■结合水印性能分析编写程序绘制了“攻击-健壮性曲线”■结合水印性能分析编写程序绘制了“强度-不可见性曲线”■对水印进行了合谋攻击并给出分析□其它：（请注明）【实验工具及平台】：■Windows+Matlab□其它：（请注明）【实验方法及实验步骤】：1、水印模板:2、水印的嵌入:3、水印的检测开始对原图像小波变换取尺度3下的低频系数矩阵L生成水印矩阵w自适应嵌入水印M=L*(1+a*w)小波逆变换保存含水印图像显示效果图结束开始读入原始图Io和待测图I’Io+key=原始含水印图I小波变换I和I’取低频系数L和L’生成两种水印：原始W=I-L；待测W’=I’-L计算常规相关性值DCT变换计算DCT变换相关性值综合评分：开始生成row*col的随机数矩阵mtx将mtx二值化细胞自动机处理迭代num次平滑处理(均值滤波)处理num次结束信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日2【实验效果】以下的图像，水印嵌入位置为尺度3下小波系数，本实验的分析均在尺度3的小波变换下进行，以保证一定的鲁棒性。图1512*512灰度图，水印强度0.3，细胞自动机迭代次数10图2256*256RGB图，水印强度0.3，细胞自动机迭代次数40信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日3【实验分析】：1、水印强度参数α对水印鲁棒性的影响：（1）方法：针对本算法，水印的鲁棒性体现为，当含水印的载体受到一定的攻击时，检测出来的相关系数若仍然较大，则具有较好的鲁棒性。取alpha的不同值进行实验与对比，其中迭代次数为10，对图像进行不同程度和不同种类的攻击之后，通过常规检测方法（余弦定理）和经DCT变换后的检测方法得到的相关系数曲线（图中a表示alpha值）：图1alpha与JPEG压缩后水印性能（灰度图）图2alpha与添加椒盐噪声后水印性能（灰度图）信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日4图3利用Stirmark中旋转攻击后水印性能（RGB图）图4alpha分别为0.5和0.01时，密钥为919种子911912913914915916917918919920常规0.226070.12177-0.032978-0.044746-0.0866430.179840.0791890.0768740.910430.16996DCT0.228340.12277-0.033845-0.044493-0.0863590.180620.0800390.077220.915730.17132种子921922923924925926927928929930常规0.0147690.0131060.0173740.0074454-0.00174550.0077239-0.00437540.0145260.0043760.0088687DCT0.183830.144750.103340.0420980.021728-0.023929-0.129150.105990.146750.22898表1图4中alpha=0.5相应表信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日5（2）结论：1）由上面几个攻击强度-相关系数曲线可以看出，数字水印的检测准确度随着攻击强度的增大而下降；在相同的攻击强度下，alpha值越大则检测所得相关系数越大。这说明alpha值越大，水印鲁棒性越好，即使受到了较大的程度的攻击，依然能够以较高的相关系数检测出水印的存在；2）如图1，对于JPEG压缩，当alpha越大，其相关系数的改善程度越小，但是，此时（相关系数在0.2以上）时，JPEG压缩对图像已经不构成威胁了，即使是压缩强度达到10了依然能检测出相当高的相关系数，说明细胞自动机在小波域的数字水印抗JPEG压缩能力很好；3）如图2，在不同强度的噪声攻击下，检测结果大体趋势如结论1所述，与JPEG压缩系数曲线相比，其检测所得结果效果弱一些。由图3和表1可知，对于alpha为0.01的图像而言，阈值应取0.25以上，但是在噪声攻击下，最好的情况下其系数值仅能达到0.2，故对于嵌入强度仅为0.01的图像受到噪声攻击时难以检测；当alpha取0.5时，噪声攻击强度低于0.5，都能够检测出水印；4）如图3，在不同角度的旋转攻击下，检测结果大体趋势如结论1所述，与JPEG压缩系数曲线相比，其检测所得结果效果弱一些，但与噪声攻击类似。对于alpha为0.01时，阈值应取0.25以上，但是在旋转攻击下，最好情况的系数值仅能达到0.15，故对于嵌入强度仅为0.01的图像受到旋转攻击时难以检测；当alpha取0.5时，旋转角度少于2.5度，还是能够检测出水印的；5）有图4可知，alpha取值有差距但检测结果相近，所以alpha的取值对用不同种子进行相关性的检测的结果仅产生微小的影响。但是，根据以上攻击图表结合了阈值选取的分析，alpha的取值的选取应该与不同攻击以及检测阈值相结合，这样对于不同的攻击才都具有较好鲁棒性。2、水印强度参数α对水印不可见性的影响：（1）方法：Watson的感知质量度量方法可以用来评估水印强度对水印不可见性的影响，只需将用此度量方法计算所得的结果进行比较。本实验在256*256的RGB图和512*512的灰度图中，按照不同的alpha值嵌入相同的水印，其他参数均相同，其中迭代次数为10，密钥为919，小波尺度为3，所得效果图及所得Watson质量曲线如下：图1alpha=0.05alpha=0.1alpha=0.3alpha=0.5alpha=0.7图2alpha=0.01alpha=0.05alpha=0.1alpha=0.3alpha=0.5信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日6图3图4alpha0.010.050.10.30.50.70.9RGB图256*2564.08729.317.7452.2480.534102.34124.24灰度图512*5125.664510.01813.54637.70963.21888.608113.44表1图3与图4的相应Watson质量（2）结论：直观的看，由图1和图2两组图可知，随着alpha的值的增大，图像的不可见性越来越差，那么在图3和图4和表中，相应的Waston质量的值也越来越大。因为Waston质量的求解，是建立在原图像和含水印图像的差值的基础上的，不可见性越差，差值就越大，相应Waston质量就越大。所以我们可以利用对含水印图像求Waston质量，来评估水印的不可见性；根据嵌入公式I’=I*(1+α*w)，水印强度α实际上控制的就是嵌入量的大小，α越大则最终的系数矩阵I就越大，小波变换后的系数值体现的是能量的大小，系数增大越多，逆变换后图像变化就越明显，所以不可见性就越差。综上所述，alpha值的大小和水印的鲁棒性和不可见性都有关系，而鲁棒性和不可见性之间是矛盾的，alpha越大，鲁棒性越好但是不可见性越差，所以在设计水印选取alpha值时，要考虑制作水印的目标是什么，是希望鲁棒性好一些，还是不可见性好一些。一般是达到二者的平衡较好。信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日73、迭代次数num对水印性能的影响：（1）方法：这里取alpha=0.2，再分别取num为2，6，8，15四个值进行实验，对图像进行JPEG压缩攻击之后，通过常规检测方法（余弦定理）和经DCT变换后的检测方法得到的相关系数曲线：图1JPEG压缩率-相关系数曲线图2num=40密钥为919水印检测图3num=6密钥为919水印检测（2）结论：由图1可知，迭代次数越多，相同JPEG压缩率下的相关系数值就越大，即水印的鲁棒性就越好；但纵观全图，无论压缩强度有多大，整体的相关系数值都在一个较高的位置，这与alpha的取值也有一定关系（这里alpha都为0.2）。总之迭代次数多的水印性能较好一些。由图2和图3的比较可知，迭代次数越大，不同种子产生的水印值之间的相关性越强，对检测不利，如40次迭代的阈值需取0.5以上；若迭代次数小，如图3，阈值取0.2即可，真正的种子的检测值与其他的有较大距离，有利于检测。综上所述迭代次数的选取，也需要达到一个平衡点，不能太大也不能太小。信息隐藏实验报告学号：200632530068姓名：庞哲维报告时间：2008年11月23日84、合谋攻击（1）方法：将嵌有不同水印的几幅图像进行小波变换，取出低频系数矩阵，将这些矩阵相加后求平均值，得到合谋攻击的平均低频系数矩阵，再将此结果替换掉原低频系数，小波逆变换，这样就可以得到小波域下的细胞自动机数字水印的合谋攻击结果。得到合谋结果后，将合谋结果分别用参与合谋的几幅图的种子进行相关性检测，便可得到“合谋攻击”相关系数表。系数表和效果图如下：seed=210seed=310seed=429seed=919平均后的图像种子210310429919常规检测相关值0.501350.368480.647210.54532DCT检测相关值0.508770.388770.655150.55691“合谋攻击”相关系数表（2）结论：不同的种子得到的是不同的水印模板，而将不同种子生成的模板进行平均后，得到的就是一个新的含有其他模板部分特点的新水印模板。当对这个新的水印模板进行检测时，由最后的相关系数表，可以发现合谋结果和所有的合谋成员都有较为接近的、明显降低的相关系数值，这样（相关值不低）可以证明它有水印，但不是合谋者的真正水印，所以这个水印找不到主人，就是无法找到非法传播者；另外，（相关值不高）也可利用合谋攻击来去除水印；合谋攻击得以成功，利用的是将不同的水印平均后，各自能量有一定的抵消（消去个性）从而得到原始作品的近似，或者得到无法指认的含水印图像。抵抗合谋攻击的方法有一下两种。方法一，嵌入比特位数足够大的水印，这样伪造出来的合谋结果与合法水印的相似度仍然较小，求得的相关系数就不会很大；方法二，在水印生成部分引入随机密钥进行加密，采用随机密钥的加密，合谋者只知道自己的密钥但不知道水印生成的随机密钥，无法伪造相似水印，所以合谋结果所求的相关系数也不会很大。当检测时无法得到求解大相关系数的水印时，攻击也就不成功了。