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基于DCT域的数字水印算法研究

金喜子  
【摘要】:随着Internet的迅速发展,多媒体信息交流变得越来越方便,但由于数字媒体很容易被非法复制,因此信息安全保护问题日益突出,如何有效地防止数据被非法复制及鉴别多媒体产品的知识产权,已成为一个亟需解决的问题。数字水印技术在这种背景下应运而生,它在信息安全和版权保护方面起着重要的作用。 数字水印技术是在多媒体载体中隐藏一些标志性信息,但载体本身内容的价值和使用却不受到任何影响,且人的感知系统也不能察觉这些信息,以便在版权纠纷中用来证明版权归属(侵权行为)以及认证数字产品内容的完整性。数字水印技术作为一种数字媒体版权保护、数据认证、数据隐藏等方面的有效办法,得到了国内外学者的广泛关注。 本文主要研究了数字水印技术在数字图像方面的应用,首先介绍了数字水印技术的研究背景和发展现状,进而对数字水印的原理、分类、典型算法、应用领域及评价标准做出了简要分析,然后以静止图像为研究对象,通过对DCT域数字水印技术的特点进行深入的研究和探讨,提出了几种基于DCT域的数字水印算法。主要研究内容如下: 1.提出一种新的多比特水印嵌入方案,用多个伪随机序列负载更多比特的水印信息。本方案将载体灰度图像做8×8的分块DCT变换,变换后每一块中的不同系数代表载体不同频率分量。将每一小块中(4,4)频率位置的DCT系数提出构成一个数据块,并将这个数据块以一定的方式置乱为一个一维向量X,长度设为N。然后根据密钥伪随机地产生N个长度为N的正交序列,并选择其中的M个序列(L比特,LM)以一定强度迭加到一维向量X上,选择的方法由嵌入的水印信息来决定。由于这种方案是利用载体数据与伪随机序列相关系数的大小关系负载水印信息的,因此嵌入的比特数L大于迭加的伪随机序列数M,提高了水印性能,特别是当N较大时,L更是远大于M。本方案将水印信息嵌入在中频分量上,兼顾了稳健性和隐蔽性。本方案还对不同参数进行了隐蔽性和稳健性的测试,实验结果表明稳健性主要与系统参数A有关, M的变化对稳健性影响不大;而嵌入量L则取决于参数M;隐蔽性则与参数A和M都有密切关系,实际应用中,可以根据不同情况调整这两个系统参数。 2.JPEG是一种常见的图像格式,在JPEG图像中进行准确的篡改定位具有重要意义。JPEG编码过程中,首先将图像分成8×8的小块,在每个小块内进行DCT变换,然后将不同位置的DCT系数按照不同的步长量化为整数。为了减少水印信息量,本文方法并不是将每个小块的Hash直接嵌入载体图像中,而是先求出每个小块主要内容的Hash,然后将Hash比特重新分组并作模2和,并将这些模2和的结果作为真正的水印信息。水印比特数与JPEG图像的小块数一致,因此在每个小块中仅需嵌入1比特水印,保证了良好的隐蔽性。认证时根据待认证图像内容计算水印信息,并与从待认证图像中提取的水印信息进行比较,根据整体匹配情况估计篡改率,再根据每个小块对应的水印信息的被破坏程度判别该小块是否曾被篡改。当篡改区域小于1%时,本文方法可以准确定位所有篡改小块。如果对含水印图像进行不同质量因子或不同量化矩阵的重新编码、或在含水印图像中迭加较强的噪声,这相当于对含水印图像进行大范围的篡改操作,因此不能定位篡改位置。理论分析准确的篡改定位能力极限并设计可准确定位更大篡改区域的脆弱水印方法将是下一步研究内容。 3.提出一种基于DCT变换和DWT变换的抗JPEG压缩的半脆弱数字水印方案。本方案首先对原始图像进行量化和反量化处理后得到载体图像,并利用载体图像经DWT变换得到的LL3子带图作为原始水印图像,且只选取水印图像的高四位作为水印信息。然后对载体图像进行8×8的分块DCT变换,并充分融合水印嵌入和JPEG压缩过程,根据密钥选择在载体图像DCT系数的低频分量上嵌入水印信息。提取水印时,只需根据相应位置DCT系数的奇偶性即可提取出水印的高四位信息。由于在水印检测时,不需要使用原始图像就可实现水印的检测,因而是一种完全盲数字水印算法。实验结果表明,当质量因子为50时,提取出的水印图像的质量非常清晰,与原始水印图像几乎相同,并且当质量因子为40时也能成功提取出水印图像,说明本方案对JPEG压缩具有良好的鲁棒性。另外,本方案对噪声攻击和裁剪攻击也具有较好的鲁棒性,并能进行一定程度的篡改定位。


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