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《复旦大学》 2011年
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认证与恢复统一的自嵌入水印算法及其拓展应用研究

李国波  
【摘要】:近年来,随着计算机网络和多媒体技术的迅猛发展,数字多媒体已深入到社会生活的各个领域。这些数字作品在传播与使用过程中很容易被拦截、复制、篡改、伪造和删除等,这些行为破坏了多媒体信息的私有性、完整性、可信性和可用性,因此对多媒体作品实施有效的保护已成为一个急迫而又现实的问题。传统的密码技术和数字签名技术对数字作品的内容保护具有一定的局限性,而新兴的数字水印技术,特别是自嵌入水印技术,不仅能够认证数字作品的真实性与完整性,还可以区分恶意篡改与合法处理,并能对作品的篡改进行定位及恢复,为数字作品的认证提供了一个有效的解决方案,成为近年来信息安全领域的一个研究热点。 数字多媒体作品主要包括文本、图形、图像、音频和视频等。本论文以数字图像为主要研究对象,重点研究了当前数字水印领域的一个热点:自嵌入水印,并就现有的自嵌入水印算法面临的矛盾以及自嵌入水印算法与基于信息隐藏(水印)的多媒体错误检测和掩盖算法在实现原理上的异同进行了较为深入的分析、研究。主要包括以下内容和创新点: (1)分析了现有的自嵌入水印算法的特点:认证与恢复相分离。在这类自嵌入水印算法中,认证信息和恢复信息独立生成又独立使用。通过研究自嵌入水印算法中性能评价要素间的相互约束关系,揭示了这种认证与恢复分离的自嵌入水印算法更加凸显了各性能评价要素间的矛盾,特别是水印容量与透明性、恢复效果、安全性、鲁棒性和定位精度之间的矛盾,进而提出了认证与恢复相统一的自嵌入水印算法的全新设计思想和理念。 (2)围绕将认证信息和恢复信息相统一,减轻水印容量压力这个目标,提出了一个基于图像块间DCT系数关系的自嵌入水印算法。算法通过把图像块间的DCT系数的对应关系即关系系数作为水印信号,实现了将认证信息和恢复信息的合二为一。算法不但能对恶意篡改和非恶意操作进行有效甄别、对篡改区域进行较精确恢复,而且通过将实系数作为水印信号,拓展了传统的二值水印概念,为各类水印算法设计在水印信号的表示上提供了新的思路。 (3)鉴于现有的自嵌入水印算法的安全性大多依靠实验统计获得,缺乏可定量估计、分析的手段这一不足,在认证和恢复相统一算法设计思想的指导下,提出了一个基于图像特征聚类的自嵌入水印算法。算法通过将表征图像特征的DCT变换的直流系数和低频系数按块聚类,把块聚类号引入块索引后的码字作为水印信息分别嵌入到本块及其后继块的中频系数中,通过这些块聚类号之间的一致性比较实现篡改和恶意操作的检测,利用遭篡改块的原始类的中心点数据,替换该遭篡改图像块以恢复其概貌。理论分析和实验结果证明了该算法相较于现有的DCT域实现的自嵌入水印算法具有更好的篡改区域图像恢复质量和更强的抗攻击能力,同时实现了算法的安全性可定量估计的目标。 (4)针对现有的基于分块的自嵌入水印算法抗几何攻击的能力都较弱这一状况,在空间域提出了一个用于对几何攻击类型进行估计和恢复的辅助水印算法,借助辅水印能对常见的几何攻击类型进行较精确的估计和恢复,结合主水印能对各种几何与非几何的组合攻击进行有效的检测和恢复,进一步强化了算法抗攻击的能力。 (5)针对现有的多媒体错误掩盖算法大多缺乏错误检测能力这一现状,通过分析、研究自嵌入水印算法与基于信息隐藏的多媒体错误检测和掩盖算法在实现原理上的相通性,结合错误检测和掩盖算法的特性,在空间域和变换域提出了两个基于特征聚类并结合信息隐藏技术的错误检测和掩盖的算法,成功地将这种认证与恢复相统一的自嵌入水印算法拓展到了多媒体错误检测和掩盖领域。算法不但突破了传统的基于内容相关性进行错误估计掩盖的束缚,同时也打破了那些基于信息隐藏的多媒体错误掩盖算法中将用于错误掩盖的原始图像的各种低分辨率版本作为隐藏信息直接进行嵌入的思维定式。理论分析和实验结果都证明了这两个算法不但具备了错误检测能力,而且对隐写图像的质量影响较小,同时又可以获得可比较的恢复图像质量,为图像在有噪信道中进行压缩传输提供了一个有效的错误检测和掩盖方法。 总之,本文的自嵌入水印算法的理论分析和实验结果都验证了认证与恢复相统一的自嵌入水印算法设计思想的可行性和有效性。这一思想不但对自嵌入水印算法的设计具有一定的指导意义,同时也为基于信息隐藏的多媒体错误检测和掩盖算法设计提供了一个新的思路。
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