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《湖南大学》 2010年
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鲁棒自适应多媒体数字水印技术

Abdulfetah.Abdulahi Ahmed  
【摘要】:随着互联网和多媒体技术在全球范围内得到了迅速发展,经由互联网与计算机进行数字作品的存储、编辑、复制与传播变得非常容易,这给人们的生活带来了极大的便利。但同时也暴露出了越来越严重的安全问题,如何保护数字媒体知识产权已成为一个亟待解决的问题。传统的加密技术已不能完全解决这个问题。首先,私钥加密体制因其密钥量大而难以实用,因此目前网络中广泛采用的是公钥加密体制;而公钥加密体制利用了“计算安全性”原理,一旦计算机的性能大幅度提高则会对其构成威胁。其次,密码技术在数据被接收或解密后,信息就暴露无遗,原创作者或版权所有者就再也无法保护自己的作品了。此外。密码术着眼于隐藏信息的内容,把有意义的信息加密为随机的乱码,这等于明确地告诉非法用户密文中包含重要信息,有助于窃听者截取机要信息或阻止合法接收者获取机要信息。信息隐藏不同于传统的密码学,它不仅隐藏了信息的内容,也隐藏了信息的存在,它主要研究如何在不破坏原始公开信息商用价值和使用价值的前提下,将一机密信息隐藏于另一公开的载体信息中。它充分利用载体本身所具有的迷惑性,来达到伪装保密信息,从而逃避可能的检测者,以达到秘密信息的传递。非法攻击者不知道这个普通信息中是否隐藏了其他重要信息,而且即使知道,也难以提取或去除隐藏的信息。 作为信息隐藏的一个重要分支,近年来,数字水印技术作为一种解决数字产品版权保护问题的潜在的有效手段,得到了广泛关注,并逐渐成为了当今国际信息安全领域的一个研究热点。数字水印技术就是通过将某些包含创作者或版权所有者特征的信息直接嵌入到原始信息中以达到保护版权或跟踪非法复制等目的,同时这种嵌入是不可察觉的,水印的嵌入不会影响原始信息的商用价值或使用价值。首先,一个设计优良的水印系统应能为版权保护提供可信证据。其次,好的水印算法在确保水印透明性的同时,应对通常的信号处理操作具有较高的鲁棒性(如滤波、压缩、裁剪、旋转等)。目前版权保护是数字水印最主要的应用,其目的是嵌入数据的来源信息以及比较有代表性的版权所有者信息,从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。一个以版权保护为目的的水印系统应具有较高的鲁棒性,同时必须能够作为法庭上有效证明归属的、合法的、可靠的证据,遗憾的是,目前提出的数字水印系统还无法满足所有这些条件,因而尚未成为真正实用的版权保护工具。为设计有效的针对版权保护的数字水印系统,获得数字水印透明性与鲁棒性之间的综合平衡,本文在充分挖掘多媒体人类视觉系统特性的基础上,研究与设计多媒体自适应的鲁棒数字水印算法。全文组织如下: 在第1章,本文首先介绍了一下数字水印技术的发展历史、基本概念、数字水印基本属性与需求,及其应用领域。最后给出了本文主要创新点与论文结构。 第2章,系统地论述了数字水印技术的分类、典型的数字水印系统、水印系统通用框架、常见的图像数字水印与视频水印算法、数字水印技术攻击方法及其分类。 第3章,通过利用DCT(discrete cosine transform)域与DWT(discrete wavelet transform)视觉感知模型提出两种图像自适应的鲁棒数字水印算法。第一种算法首先将载体图像分成8*8分块,并进行DWT变换;然后生成一伪随机序列对二值水印图像进行调制以提高算法安全性;然后充分分析载体图像纹理与亮度视觉特性,建立DWT域视觉模型,进而导出DWT域JND掩蔽矩阵以用于DWT域水印自适应嵌入。最后通过修改图像分块小波域水平与垂直细节子带中频系数以嵌入水印信息,水印提取不需原图像参加。第二种算法首先将原始载体图像分成不重叠子块,并分块DCT变换;然后利用密钥生成伪随机序列作为水印信息;最后利用Waston视觉模型(临界可容忍噪声JND)确定水印嵌入强度,通过控制JND强度将水印信号自适应在嵌入到图像分块DCT系数中去。水印嵌入前经由用户密钥进行预处理,非授权用户无法正确提取水印信息。广泛实验表明这两种图像自适应水印算法均具有好的透明性与鲁棒性,对通常的信号处理攻击与轻微的几何攻击是鲁棒的。与同类算法相比,嵌入水印具有更高的鲁棒性。 第4章,结合离散余弦变换(DCT)与奇异值分解(SVD)设计出一种图像自适应公开水印算法,算法充分考虑到DCT与SVD优点。首先将载体图像进行8*8分块,并进行分块DCT变换;然后计算出自适应量化步长;再对DCT分块作SVD分解;最后利用量化索引调制技术,将水印嵌入DCT域图像分块最大奇异值上。水印嵌入时较好地考虑了载体图像分块感知特性以避免隐秘图像降质过大。实验表明该算法对多种不同类型攻击具有较高的鲁棒性,此外性能比较实验进一步说明算法相对一些同类算法的优越性,提出算法具有更高的透明性与鲁棒性。 第5章,提出一种媒体自适应的鲁棒视频水印方案,该方案较好地利用了DWT视觉模型,水印提取无需原始视频参与。首先将原始视频帧由RGB模式转换为YUV模式,对Y分量作8*8分块,并进行DWT变换;然后,为增强算法安全性,水印嵌入前,利用Arnold变换对水印图像进行置乱处理;再充分利用载体亮度、纹理与空间熵屏蔽特性,计算出水印嵌入JND矩阵;最后将水印自适应地嵌入到载体小波水平与垂直细节子带中。实验表明了算法的有效性,确保好的透明性同时,对滤波、噪声迭加、JPEG压缩、裁剪、直方图均衡等攻击操作是鲁棒的.最后是全文工作总结与未来工作展望。总的来说,通过较好地分析载体视觉特性,本文提出了3种有效的鲁棒图像水印算法和1种应用于版权保护的视频水印算法。本文研究将为鲁棒数字水印算法提供新方法与关键技术,研究成果将为互联网数字媒体版权保护提供技术保障,有助于推动数字媒体产业的健康有序发展。人类视觉系统特性的复杂性,今后,我们将进一步开展多媒体视觉特性的可计算模型研究,设计更为有效的鲁棒自适应数字水印算法,保障互联网环境数字多媒体版权
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP309.7

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【引证文献】
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