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信息隐藏理论与算法研究

叶天语  
【摘要】: 信息隐藏技术有着广泛的应用,日益受到重视。本文针对信息隐藏理论与算法进行了深入的研究,包括信息隐藏容量、水印检测、强鲁棒性水印算法、自嵌入脆弱水印算法、多功能双水印算法和可逆水印算法几个方向。 本文的主要贡献有: (1)针对被动攻击下的信息隐藏系统,本文建立一个具体的信息隐藏统计模型,从安全性、失真距离度量、信道容量三个角度全面分析该模型。信道容量问题的求解抽象成一个受到平均汉明失真距离和平均安全性约束的最优化问题,只要给定需要的参数就可以运用最优化理论得到最优解。最后求解出原始载体序列和秘密信息序列均服从均匀分布时的统计模型信道容量。 (2)量化投影(Quantized Projection,QP)技术是量化索引调制(Quantization Index Modulation,QIM)技术工作在投影域的版本,实质上是一个双边加性嵌入器。本文提出符号量化投影(Sign Quantized Projection,SQP)的概念。不同于传统QP,SQP是一个单边嵌入器。理论分析表明:SQP和QP具有相同的漏警概率和虚警概率。同时,SQP的文档水印比(Document-to-Watermark Ratio,DWR)比QP小10log10(1+γ)。 (3)打印-扫描攻击会带给数字图像许多干扰,因此抗打印-扫描攻击的数字水印算法对鲁棒性的要求非常高。目前,绝大多数鲁棒水印算法无法抵抗打印-扫描攻击。本文利用离散小波变换(Discrete Wavelet Transformation,DWT)低频逼近子带的能量聚集效应和奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的奇异值稳定性,提出一种抗打印-扫描鲁棒零水印算法。原始图像的DWT低频逼近子带进行分块SVD,通过判断两个相邻子块最大奇异值的大小关系产生零水印。实验结果表明算法能够抵抗去同步攻击和打印-扫描攻击。 (4)针对一些脆弱水印算法的篡改敏感性需要进一步改进和无法区分图像恶意篡改类型这些不足之处,本文提出一种基于SVD和混沌映射的自嵌入脆弱认证水印算法,将混沌映射的初值敏感性应用到图像篡改检测,并且实现区分图像恶意篡改类型功能。对图像子块进行SVD,同时利用Logistic混沌映射产生认证水印;然后利用Logistic混沌映射设计了一个子块与子块之间的映射函数,将认证水印序列嵌入在相应映射块的最低有效位(Least Significant Bit,LSB)上。实验结果表明:算法不仅对篡改非常敏感,而且能够有效地抵抗拼贴攻击和区分篡改图像内容与篡改水印。 (5)针对单水印算法往往存在功能单一的问题,本文利用奇异值的稳定性,提出一种多功能双水印算法。先在图像分块的奇异值上嵌入鲁棒水印,然后在含鲁棒水印图像的空域LSB嵌入脆弱水印,并设计了判别恶意篡改和无意篡改的准则。实验不仅考察鲁棒水印抵抗攻击的鲁棒性,而且还考察脆弱水印对鲁棒性的影响和篡改检测与定位的能力。实验结果表明:鲁棒水印具备很强的抗攻击鲁棒性;脆弱水印对篡改敏感,而且篡改定位精确。因此算法具备版权保护和内容认证双重功能。 (6)不同于传统的失真补偿量化索引调制(Distortion-Compensated Quantization Index Modulation,DC_QIM),本文提出了动态DC_QIM的概念。两者的区别在于量化步长和DC参数是否可变。首先推导出动态DC QIM可逆性的成立条件,然后推导出动态DC参数的可允许范围,最后利用可逆性设计一个具体的可逆水印算法。在只执行一遍时,它的数据隐藏率高达1比特每像素,高于其他可逆水印算法。另外,算法的动态特性有利于防止参数泄露。实验结果表明:不管初始条件如何,该算法既能正确解码出秘密信息,又能准确复原原始载体。


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