数字图像水印与量化音频水印的若干关键技术研究

【摘要】： 近年来,随着计算机通信和网络技术的迅猛发展,多媒体数据的处理、存储、传输等变得相当的方便、快捷,这极大地丰富和便捷了人们的生活。与此同时,各种非法的复制、分发、篡改等,也严重侵害了多媒体数据版权所有者的利益。有证据表明：各种各样的盗版行为业已成为数字产业健康发展的重大障碍。在这样的时代背景下,数字水印技术作为多媒体数据版权保护和内容认证等的有效手段,逐渐成为国内外信息安全领域的一个新的研究热点。 本论文围绕鲁棒性水印和脆弱性水印两种数字水印技术,以图像和音频数据为载体,设计了多种水印算法。具体工作如下： 1.分析了现有能区分图像内容和水印篡改的脆弱水印算法存在对某些篡改失效的问题。利用混沌映射良好的随机性和对初值的极端敏感性,设计了一种能有效区分图像内容和水印篡改的脆弱水印算法。理论分析和实验结果表明：该算法不可见性好,而且具有篡改检测、篡改定位、篡改区分和篡改恢复的功能。 2.提出了增强基于奇异值分解图像水印算法的不可见性和鲁棒性的两条规则,以指导水印的嵌入。规则1指出U分量和V分量中只有第一列元素最稳定,适合于嵌入水印信息；规则2指出可以采用补偿操作来提高水印的不可见性。理论分析和实验仿真结果表明：利用提出的两条规则,设计基于奇异值分解的水印算法,能有效改善水印信息的不可见性和鲁棒性。 3.针对使用二值图像作为脆弱水印存在的安全隐患,利用奇异值分解变换,基于音频内容生成了待嵌入的水印信息,设计了一种变换域脆弱音频水印算法。研究结果表明该算法不可听性好,并且对有损压缩、添加噪声、低通滤波等常规音频信号处理攻击具有较强的敏感性,此外,对替换等恶意篡改能够作出报警并确定篡改位置。 4.现有的公开变换域鲁棒音频水印算法存在着易遭受攻击者恶意攻击的安全隐患,为此,利用离散分数变换角度不定的性质,提出了一类基于离散分数变换的鲁棒音频水印算法。通过基于密钥生成的混沌序列选择不同的离散分数变换角度的方法有效地提高了水印系统的安全性。此外,实验结果表明该算法对MP3压缩、重采样之类的常规音频信号处理攻击具有较强的鲁棒性,且水印系统的虚警概率和漏警概率较低。 5.通过理论分析和实验验证了音频信号傅立叶变换系数绝对值的均值对回放速度修改这种去同步攻击的稳定性。利用三个相邻音频段均值的比例关系,提出了一种基于音频频域统计特征的鲁棒音频水印算法。该算法在保证对常规音频信号处理攻击鲁棒性的同时,可以抵抗相当程度的回放速度修改攻击和音频信号幅度伸缩攻击。 6.分析并通过实验验证了音频信号的过零率对回放速度修改这种去同步攻击的稳定性。在此基础上,提出了一种基于过零率的鲁棒音频水印算法。研究结果表明该算法不可听性好,对常规的音频信号处理攻击具有较强的鲁棒性,此外,还能抵抗近似于任意程度的回放速度修改攻击。