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基于DCT域的数字图象水印研究

施健  
【摘要】:多媒体数字的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利,同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。随着网络的日益普及,多媒体数字逐渐成为人们获取信息的重要来源,并开始成为人们生活的重要组成部分。而与此同时,数字多媒体信息的版权、保密等一系列相关问题也变得日益突出起来。因此,多媒体的信息安全保护成为了一个研究热点。 人们常常认为通信安全的实现可以通过加密(Cryptography)来完成。即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布,使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得机密信息,从而达到版权保护和信息安全的目的,但这并不能完全解决问题。一方面加密后的文件因其不可理解性妨碍多媒体信息的传播;另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意,并有被破解的可能性,而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了。密码学一直被认为是在通信研究应用领域中主要的信息安全手段并受到极大重视,直到最近几年这种情况才有了改变。人们尝试将秘密信息隐藏于普通文件中散发出去,用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据,这称为信息隐藏(Information Hiding)或更严格地称为信息伪装(Steganography)。单词Steganography来源于古希腊,意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在。与加密不同的是,加密系统保护的是信息的内容,而信息伪装者掩盖它们的存在。 数字水印(digital watermarking)作为一种新的有效数字产品版权保护的技术手段,是目前国际上信息隐藏领域内的一个重要分支。它通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印(watermark)来证实该数据的所有权,从而起到保护数字作品版权或完整性的作用,并以此抵制对数字作品的盗版或篡改等。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、ID序列号等。水印通常对于人的视觉或听觉来说是不可感知,它与原始载体作品(如图象、音频、视频数据等)紧密结合并隐藏其中,成为源数据不可分离的一部分,并可以经历一些不破坏源数据使用价值 WP=61 或商用价值的操作而依然存在。 论文主要对数字图象水印技术进行了深入的研究。本人阅读了大量与数字水印技术相关的文献与资料,从中归结出多媒体数字水印技术的发展历史、框架模型、基本特征及数字水印的分类等多方面内容。在系统地了解了数字水印技术的基础上,分析和总结了大量的数字水印算法和思路,并指出各种常用嵌入算法方法的优缺点,同时介绍了一些著名的恶意攻击行为。 目前对于数字水印领域的研究主要集中于空间域与变换域两个方面,它们分别通过改变空间域的某些象素或变换域的一些系数来嵌入水印。空域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息,从而改变图象象素的值,一般在是图象元素的亮度或色带中加入调制的水印信号。一般来说,空域算法运算量小,嵌入的信息量较大,而且隐蔽性也不错。但是,由于某种原因图象象素上的数据最可能在一些常见的信号处理过程中被丢掉,所以空域算法对于一些攻击方法,比如:加性噪声、JPEG压缩、滤波、亮度增强及对比度增张等的鲁棒性较差。变换域数字水印的通用算法普遍采用变换技术,以便在频率域实现水印信号的叠加,并借鉴扩展频谱通讯技术对水印信号进行有效的编码,从而提高了不可感知性和鲁棒性。 由于JPEG技术已在多媒体技术、图象通信和图象数据库等各个领域得到广泛应用,也成为互联网上图象传输的标准格式,所以本文也简要地介绍JPEG的压缩原理。 在前面几章的理论基础上,本文提出了一种基于DCT域的二值图象数字水印算法。目前的大多数水印算法采用伪随机序列构成水印,因而只能回答“有”水印或“无”水印的问题。在一些应用环境中,需要嵌入有意义的二值图象水印。我们提出的算法是在DCT变换域的上进行的并且选择了频率域上相对重要的中频系数作为水印信号嵌入的位置。为了克服JPEG压缩对水印后图象影响,我们借鉴了JPEG压缩原理,对图象进行了8×8分块DCT变换。并且为了改善水印信号的空域关系,我们对水印进行了以幻方为基础的随机置乱变换。从而实现了大容量水印信息的嵌入及较好的鲁棒性和不可感知性。 WP=62 最后,我们对该算法加以实现并进行了大量的水印攻击测试实验,通过这些实验分析表明该水印算法对于JPEG压缩、PSNR下降、裁剪操作及锐化处理均有很强的健壮性,亮度增强和对比度增强的鲁棒性也较好。但本文也发现本算法对于其它的一些攻击(如旋转、改变x-y轴的显示比例、StirMark随机弯曲等)免疫能力不强。这说明本算法的性能仍然有待于进一步的改进。 最后介绍了数字水印的应用领域并对数字水印未来可能的研究方向进行了展望。 本文的研究内容属国际相关领域的前沿课题,具有重要的理论意义和应用前景,所给出的方法与实验结果对数字水印的进一步研究,进而开发出相关的实用软件具有重要的参考价值。


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