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收稿日期:20180924;修回日期:20181116 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61401185)
作者简介:肖振久(1968),男,内蒙古宁城人,副教授,硕导,主要研究方向为网络与信息安全、图像与视觉信息计算、数字水印(xiaozhenjiu@
lntu.edu.cn);宁秋莹(1993),女,硕士研究生,主要研究方向为网络信息安全与数字水印;张晗(1992),女,硕士,主要研究方向为网络信息安全
与数字水印;唐晓亮(1980),男,讲师,博士,主要研究方向为机器学习;陈虹(1967),女,副教授,硕士,主要研究方向为信息安全.
NMF和增强奇异值分解的自适应零水印算法
肖振久,宁秋莹,张 晗,唐晓亮,陈 虹
(辽宁工程技术大学 软件学院,辽宁 葫芦岛 125105)
摘 要:针对奇异值分解水印算法导致虚警率高、稳健性不强的问题,提出一种基于分块非负矩阵分解(NMF)
和增强奇异值 分解 (BNSVD)相结 合的 自适 应零 水印 算法。首 先将 原始 灰度 图像 进行二 级离散 小波变 换
(DWT),对变换后的二级低频子带(LL2)进行不重叠分块,并对每一个子块进行秩为 r的 NMF分解;然后对
NMF分解得到的特征矩阵采用增强奇异值分解,依据每一个块矩阵的最大奇异值与整体最大奇异值均值的大
小关系构成特征向量;利用生成的特征向量与经过 Arnold变换与混沌映射双重置乱加密水印图像作异或运算生
成零水印,并利用天牛须优化算法(
BAS)自适应确定增强奇异值分解中最抗攻击缩放比例的参数
β
。实验结果
表明,在虚警问题上 NC值达到 0.4以下,JPEG压缩、噪声、滤波、旋转、剪切以及混合攻击下,提取水印图像与原
水印图像的归一化系数 NC值均可达到 99%以上,该方案高效地解决了虚警问题,具有较强的稳健性,能够有效
地抵抗各种攻击。
关键词:非负矩阵分解;增强奇异值分解;Arnold变换;logistic映射;天牛须优化算法
中图分类号:TP309.2 文献标志码:A 文章编号:10013695(2020)04040114405
doi:10.19734/j.issn.10013695.2018.09.0751
AdaptivezerowatermarkingalgorithmbasedonblockNMFand
boostnormedsingularvaluedecomposition
XiaoZhenjiu,NingQiuying,ZhangHan,TangXiaoliang,ChenHong
(CollegeofSoftware,LiaoningTechnicalUniversity,HuludaoLiaoning125105,China)
Abstract:Fortheproblemofthesingularvaluedecomposition(SVD)watermarkingalgorithm causedhighfalsealarmrate
andlowrobustness,thispaperproposedanadaptivezerowatermarkingalgorithm,whichwasbasedonblockNMFandboost
normedsingularvaluedecomposition.First,ittransformedtheoriginalgrayimageintotwolevelsofDWTtransform,thendi
videdafterthetransformationoftheLL2subbandsintononoverlappingblocks,andbrokedowneachsubblockintoNMFwith
rank
r,thenusedboostnormedsingularvaluedecompositionforeigenmatrixderivedfromNMFdecomposition.Accordingto
therelationshipbetweenthemaximumsingularvalueofeachblockmatrixandthemeanvalueoftheglobalmaximumsingular
value,itconstructedfeaturevector.Finally,thegeneratedfeaturevectorwasxoroperationwiththerandomencryptedwater
markimageofArnoldandthelogisticmaptogenerateazerowatermark.Theparameter
β
inthesingularvaluematrixmustbe
determinedadaptivelybytheBASoptimizationalgorithm,andfoundoutthescalingratioofthemostresistantattack.Theex
perimentalresultsshowthat,inthefalsealarmproblem,theNCvalueisbelow0.4.UndertheconditionofJPEGcompres
sion,noise,filtering,rotation,shearingandmixedattack,thenormalizedcoefficientNCoftheextractedwatermarkimageand
theoriginalwatermarkimagecanreachmorethan99%.Themethodcansolvethefalsepositiveerrorsefficientlyandhas
strongrobustness.Itcanresistallkindsofattackseffectively.
Keywords:nonnegativematrixfactorization(NMF);boostnormedsingularvaluedecomposition(BNSVD);Arnoldtrans
form
;logisticmap;beetleantennaesearchalgorithm
0 引言
近二十年来,数据压缩性能的提高和互联网带宽的不断增
加,使得数字图像、视频和音频更容易被播放、复制与窜改。越
来越多的人想要分享他们赋有创造性的数字作品。因此,所有
数字作品的版权保护和所有权申报都变得非常重要。为了保
护数字作品免受盗版,数字水印提供了一种潜在的解决方案,
因其在数字版权管理和保护中的重要应用,在很大程度上推动
了数字水印研究的不断深入。
数字水印
[1,2]
是指将信息(水印)潜移默化地嵌入到数字
文档中以提供内容保护或内容认证的过程。按照嵌入式算法
分类,主要可分为两种即空间域水印算法和变换域水印算法。
空间域水印通常是直接修改图像的灰度值来实现效果。变换
域水印则是通过修改载体图像频域系数来达到嵌入目的。两
者相比,变换域水印更鲁棒。小波域水印大多将水印嵌在中频
域。文献[3]提出一种基于小波变换和 NMF的数字图像水印
算法,原始图像进行二级离散小波变换,选择图像中频区域进
行嵌入,对
LH2作 NMF分解,将经过 Arnold变换后的水印以
嵌入强度
α
嵌入到分解后的特征矩阵中。文献[4]在文献[3]
算法上进行了改进,将宿主图像进行三级小波变换,选择低频
近似分量进行嵌入,最后通过量化系数矩阵得到表示原始图像
的特征向量,然后通过计算水印和特征向量嵌入版权信息。引
入离散小波变换后的算法,水印的不可见性得到提高。对一些
图像退化过程和 JPEG压缩的鲁棒性有所提升。因单一的小
第 37卷第 4期
2020年 4月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol.37No.4
Apr.2020