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基于图像媒体的数字水印研究

祝瑞玲  
【摘要】: 随着网络和多媒体技术的迅猛发展,数字多媒体产品的生产、复制、获得和传播变得越来越容易,同时也为盗版或非法存取、复制、篡改和传播等侵权行为提供了方便,数字产品的版权保护及其真实性和完整性认证成为亟待解决的问题,数字水印技术就在这种背景下应运而生。数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中,用来证明版权归属(侵权行为)以及认证数字产品内容的完整性,但不影响载体内容的价值和使用,并且不能被人的知觉系统觉察或注意到,只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。随着信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用,数字水印技术将会拥有更广阔的应用前景。数字水印技术的研究和应用对版权保护、数据认证和完整性检验、使用控制、广播监控、用户跟踪等方面都有非常重要的理论意义和应用价值。 本文总结了前人对数字水印和有限脊波变换(Finite Ridgelet Transform-FRIT)的研究,以FRIT为主要数学工具,对图像数字水印进行了一定的研究。在获得一些FRIT系数的特征后,主要针对数字水印在图像中的嵌入位置提出了几种数字水印方案。工作的前期还对基于DCT域的水印进行了研究。本论文围绕鲁棒性水印与半脆弱性水印这两种数字水印技术展开研究,结合人类视觉模型,设计了多种新的水印算法,所得的创新成果有: 1、在有限脊波变换(Finite Ridgelet Transform-FRIT)域提出了一种基于软门限的数字水印方案。对于一个p×p(p为素数)的图像块,经过FRIT处理后,得到(p-1)×(p+1)的系数矩阵,每列系数对应着一个方向。已有的基于FRIT的数字水印方案是把水印信息嵌入在能量最大的一列系数中,缺少理论分析。把图像分块处理后,曲线可以近似等效为直线,便于FRIT处理。该方案首先将图像分为大小相等的块,对每个块进行FRIT变换,利用软门限的方法确定出适合隐藏水印的FRIT系数。利用噪声可见性函数(NVF)刻画了图像的纹理活跃性程度,同时定义了一种亮度对比度函数,兼顾照度掩蔽和纹理掩蔽,估算了FRIT系数的噪声可见性,自适应地嵌入水印信息。实验表明该算法具有很强的鲁棒性和不可见性。 2、在FRIT域提出了一种基于最大后验概率(Maximum A Posterior-MAP)估计的数字水印方案。图像中的边缘是图像中有奇异性的地方,不仅仅是点奇异性,更多的是线性奇异性,而FRIT对直线性奇异性有稀疏表示。该方案首先用Roberts算子提取图像边缘,由于边缘图像是曲线,所以对边缘图像分块进行FRIT变换,然后用拉普拉斯(Laplace)分布模型分析边缘图像的FRIT系数,依据最大后验概率(MAP)准则,估计出适合嵌入水印的FRIT系数。根据人类视觉系统的掩蔽特性,确定恰好感觉距离(JND),由JND控制水印的嵌入强度,自适应地嵌入经过扩频处理的水印信息序列。实验表明该算法的鲁棒性和不可见性优于方案一。 3、在FRIT域提出了一种新颖的用于图像内容认证的半易损数字水印方案。该方案提取图像在FRIT时产生的均值信息,该信息作为图像内容特征,经过2比特编码生成认证水印。利用Bayes最小风险函数估计出适合嵌入水印的FRIT系数,采用抖动调制技术,把认证水印嵌入在选出的FRIT系数中,并定义了一种篡改函数,对认证图像实现了灵活认证。实验结果表明,此算法简便高效,能很好地区分图像内容的恶意篡改和偶然修改,并能确切指出篡改的位置。同时,该方案也可以用作版权保护,是一种多用途水印方案。 4、提出了一种DCT域的数字水印改进算法。本方案通过相邻图像块的DCT中频系数间的关系嵌入水印,实现了水印的盲取,并具有一定的纠错能力。将中频系数子矩阵中的像素分别与它的前方、左上方、上方三个不同方位的相邻块间同位置的像素比较,生成三个关系矩阵,由三个关系矩阵的多数判决,形成中频系数的极性矩阵,根据该极性矩阵和被置乱的二值水印,选择性地修改部分中频系数,将视觉可识别的二值水印嵌入到原始图像中。实验结果表明这种算法对JPEG压缩、添加噪声、剪切、图像模糊、图像增强等多种攻击有较强的鲁棒性。 5、提出一种基于DCT的高效图像水印算法。许多基于DCT的数字水印算法通过修改DCT系数实现水印嵌入,这些算法中系数的修改量都是根据实验确定的,缺少理论依据,而且很难实现自适应嵌入。该方案通过调整选定的DCT中频系数与交流系数标准差的关系嵌入水印,兼顾了水印的鲁棒性和透明性。根据DCT交流系数的拉普拉斯分布模型,根据均方误差最小准则和最大后验(MAP)估计,推导出水印的嵌入门限值。水印的提取不需要原始图像。应用RSA方法生成的单向Hash函数,对二值水印图像置乱,增强水印的安全性。实验结果表明这种算法对JPEG压缩、添加噪声、剪切、图像增强等多种攻击有很强的鲁棒性。


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