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《吉林大学》 2004年
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数字水印技术的研究

朱晓冬  
【摘要】:数字水印技术是用信号处理的方法在声音,图像或视频等数字化多媒体数据中嵌入隐蔽信息的行为。通过隐藏在多媒体内容中的信息,可以达到确认内容创建者,购买者或判断内容是否真实完整的目的。是保护数字媒体信息安全的有效方法。关于数字水印的研究开始于二十世纪九十年代中期,随着网络和多媒体技术的发展,数字水印技术也得到了人们越来越多的关注。但是目前数字水印技术仍有许多尚未明确和亟待解决的问题。本论文在数字水印技术的基础理论、应用基础、应用研究三个层面上均进行了一些探讨。主要内容如下: (一)、在基础理论方面,在总结前人的研究成果基础上结合自己的研究实际,对数字水印系统设计的一些重要基础理论问题进行了较全面的阐述。从数学的观点上看,水印系统可以从高维空间和不同空间的关系、状态、行为和转化来考察。综合目前的研究结果,作者提出一种新的鲁棒性水印系统的理论模型表述,描述了模型下水印系统活动的状态转换,研究了水印系统研究面对的重点,并从该模型入手给出水印系统的信息负载应由检测器输出的由感觉系统可感知的数据信息熵加上由检测器检测的标志空间的信息量组成的结论。 (二)、讨论了水印信号的通常所具有的形式,给出了无意义水印中零比特水印的伪随机序列、均匀分布序列、随机二进序列生成方法;多比特水印的直接信息编码方法和多符号编码的原则;有意义水印的调制。 (三)、水印的标志空间选取对水印算法是至关重要的,许多嵌入算法取决于宿主信号到标志空间转换后的统计假设,因此,在考虑水印标志空间的设计时,充分注意它与原始载体的关系。对可能的水印标志空间的分布特性有最基本的了解。我们对常用的水印各标志空间(空间域、Fourier域、DCT域、DWT域、广义二维离散变换域)生成、分布特性进行了探讨,并给出了标志空间的几种度量模型设计、性质的讨论。 WP=142 (四)、数字水印技术的使用是多媒体技术和网络技术的发展的需要。对于攻击的鲁棒性是水印设计的一个主要要求。因为数字水印不但要面对多媒体数据使用时的正常的处理;而且也有人研究破坏、伪造数字水印的方法以期获取非法利益。对水印攻击方法的研究是有积极作用的。根据现在掌握资料的分析和总结,对数字水印系统可能遭受的攻击进行了分类和原理上进行了分析;并针对各种攻击的原理提出了相应的抵抗对策。 (五)、目前已有很多的水印方法被提出,然而由于对它们进行测试时使用的评价方法、攻击和图像各不相同,很难对这些水印方法进行比较,这是不利于数字水印技术的发展的。因此除了设计水印方法之外,一个重要的问题是建立对水印的评价基准。本文讨论了设计水印系统应考虑的原则要求和特性,对水印系统的评价方式进行了探讨,提出水印系统的评价必须从两方面进行:首先认识水印的特性和要求,对水印系统的实现方案在对它自身要求的满足程度上的进行评判;其次,是针对应用目的来考察水印系统的实现方案与其他方案间的不同。即评价应当从绝对和相对两种角度来进行,应区分水印应用中的条件,按应用目的和条件的不同选择不同的评价指标。设定不同的标准,在其特性之间作出权衡,对每一种应用所具有的特性进行分析,建立对各种特性的评价方法和准则。 (六)、目前的数字媒体(如:图像等)品质度量方法通常是基于主观的和统计性的。例如,ITU-R Rec.500品质等级度量就定义了图像的品质量度和削弱量度,并被一些研究者建议用于评价图像水印的品质。由于类似的主观品质评价方法在水印应用中使用很不方便,我们建议使用客观的计算方法来进行度量,这样会在效率上有很大提高。并给出了小波包分解子频带加权能量总和方法及基于高阶统计量的评价这两种具体方法。在数字水印透明性的评价方面,文章针对水印系统定义中的感知距离函数集D1的具体实现作了详细讨论,讨论了频域中加权的均方误差方法、基于DCT视觉模型的感知距离度量、基于小波视觉门限的感知度量,自主实现了基于空域JND的感知度量。在水印系统鲁棒性评价方面讨论了信息内容错误和误识率的考察,对攻击抵抗的评价也给出了具体方法 (七)、本文对水印的另一个重要的应用“内容认证”作了详细讨论, WP=143 对使用水印技术帮助保持和验证作品的完整性的要求进行了描述。从应用方面讨论了用于认证的水印技术应该面对的问题。对内容的精确认证即脆弱水印方面给出了一个用于完成静态灰度图像内容精确认证的“SVD-MHC精确认证水印算法”。对内容的选择认证即半脆弱水印的研究上从两个方面入手进行了研究。一方面是从满足条件的水印植入的角度探讨了基于各种标志空间中可感知阈值的量化类半脆弱水印框架,给出了一种基于空域JND方法的灰度图像量化半脆弱水印算法。另一方面从水印植入方程逆问题的扰动现象入手,通过求得数据被篡改情况下的反向扰动的数据值增长情况和扰动的区域来研究篡改的程度和篡改的轮廓。并在这一研究的基础上引入自适应半脆弱水印嵌入算法。 (八)、在应用基础方面,论文探讨了水印嵌入算法的实现原则和检测方法。给出了数字水印系统应用服务的实现模型。 (九)、在应用研究方面,论文给出
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