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结合图像局部特征的数字水印技术研究

景丽  
【摘要】:随着Internet的普及应用、多媒体技术的迅速发展,数字产品版权保护面临一个新的挑战,而数字水印技术是数字媒体版权保护的一个良好选择。数字水印作为版权保护的一种技术手段,必然会受到各种形式的攻击,因此用于版权保护的数字水印应该具有鲁棒性,即具有抵抗多种攻击的能力。近年来鲁棒数字水印技术研究取得了巨大进展,提出了许多数字水印算法,但是水印的抗攻击能力,尤其是抗几何攻击能力尚不完善。针对此问题,本文结合图像局部特征对数字水印技术进行了研究,取得了一些进展。具体内容包括: 1.基于图像局部特征点的稳健性和协变性,提出了重同步与自同步两种鲁棒水印算法架构。重同步水印算法架构中的重同步是通过局部特征匹配、图像校准恢复同步。在此架构下,传统的水印嵌入与提取算法可以使用,但是几何攻击和几何校正造成的累加插值误差将影响水印提取的正确率。插值误差的分布与局部区域像素的灰度方差有关,根据人类视觉特性自适应调整水印嵌入强度,可以改善累加插值误差对水印提取的影响。基于特征点自同步鲁棒水印算法架构是从原始载体图像中提取特征点,由特征点标示局部区域,在这些区域中嵌入相同的水印后得到含水印图像。水印提取时,从受几何攻击的含水印图像中提取特征点后搜索含有水印的局部区域。这种水印算法架构通过具有几何协变性的特征点、局部特征区域和水印嵌入位置来保证水印与载体的自同步。 2.基于尺度不变特征变换(SIFT)局部特征对几何形变图像的校准进行了研究,提出了一种图像校准算法,该算法包括SIFT特征提取、特征匹配和图像校正。在对SIFT算法分析的基础上,针对局部特征在重同步水印算法架构中的应用对SIFT算法进行了改进,一是优化高斯尺度空间卷积的计算方法,提高算法运行效率;二是改进特征点提取方法,提取少量稳定的特征点,提高局部特征描述与匹配效率,三是改进匹配策略,变单向匹配为双向匹配,提高匹配精度。在此基础上通过匹配点对的坐标信息计算出几何变换参数,进而通过几何逆变换进行图像校正。实验结果表明该图像校准算法对旋转、缩放以及小幅度仿射变换校准等几何变换有效。 3.基于图像校准对量化调制水印嵌入方法进行了研究,提出了空域、DWT域、DCT域三种自适应量化调制水印算法。首先根据量化误差的分布情况,针对空域、DWT域、DCT域中的具体应用分别给出了量化步长、PSNR和水印容量三者之间的关系,算法根据三者之间的关系确定基本量化步长,然后结合人类视觉掩蔽特性动态调节基本量化步长,同时为提高算法的鲁棒性,水印嵌入时每bit水印嵌在多个像素或变换域系数上,水印提取时采用择多原则确定对应水印位信息。实验结果表明基于人类视觉特性动态调节量化步长值不仅可以减小几何变换插值误差对提取水印的影响,而且改善了量化调制方法对图像亮度变化的敏感性。 4.利用图像局部区域的视觉掩蔽性和局部区域像素的相关性提出了一种空域自适应水印算法。该算法利用模糊聚类方法综合空域中反应人类视觉特性的多种掩蔽特征,以聚类中心值大的模糊组的隶属度作为水印嵌入强度的调节因子以实现水印自适应嵌入。空域相邻像素之间具有较强的相关性,利用神经网络学习像素与其邻域像素灰度值之间的关系,根据训练好的神经网络输出值、对应隶属度和水印位信息修改像素的灰度值以实现水印的嵌入。实验表明该算法对于常规图像处理具有较强的鲁棒性,改善了空域水印算法鲁棒性差的问题,配合图像校准可以抵抗部分几何攻击。 5.提出了一种基于图像局部特征点的自同步水印算法,以图像局部特征点为参照点确定多个满足一定条件的四边形区域用于嵌入水印,在每个区域中利用影射几何学中的一个基本理论——共线四点交比的影射变换不变性确定水印的嵌入位置。该算法基于局部特征点、局部区域和嵌入位置的几何协变性,确保了水印和载体的自同步。而且水印被重复嵌在多个局部特征区域,可以有效抵抗局部几何攻击。实验表明该算法可以抵抗旋转、缩放等全局几何变换,对行列去除、局部剪切等局部几何攻击具有较强的鲁棒性,对常见图像处理也有一定的鲁棒性。


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