抗共谋攻击的数字指纹技术研究

【摘要】：随着信息技术的高速发展，多媒体的应用领域越来越广阔，然而，伴随而来的多媒体侵权问题也越来越严重，在这种情况下，数字指纹技术应运而生。数字指纹可以追踪未经授权作品的分发源头，震慑非法行为，被认为是保护数字产品版权的有效手段。共谋攻击是数字指纹面临的最主要也是最难解决的问题，研究抗共谋攻击的数字指纹技术具有重要的理论意义及应用价值。 经过十多年的发展，数字指纹技术已经形成了一套较为完整的理论体系。其研究主要包括指纹编码、指纹算法性能评价和指纹算法设计，尽管这些技术都取得了较大的发展，也得到了一定的实际应用，但是还存在一些问题亟需解决，比如压缩图像的指纹技术、盲检测指纹技术、高效指纹编码技术等。针对以上问题，本文主要以图像为载体，以抗共谋攻击为主线，围绕数字指纹技术进行了一系列的研究。此外，几何攻击可以使嵌入在图像中的水印失去同步性，进而影响水印的成功检测，针对此本文还研究了抗几何攻击的数字图像水印算法。本文的主要工作及贡献归纳如下： 1.深入分析了数字指纹与版权管理、信息隐藏、数字水印的关系，对数字指纹技术的研究现状进行了归类总结，并深入研究了数字指纹技术中存在的问题，指明了本文工作的主要方向。系统研究了数字指纹系统的总体框架及其模型，详细分析了数字指纹的嵌入技术及评价指标，为后续研究奠定了基础。 2.建立了一种新的共谋攻击模型。传统的共谋攻击模型是从版权者角度建立的，不能准确地描述实际问题，为了解决这一问题，本文从共谋者角度建立了一种新的共谋攻击模型。在不同的变换域情况下，采用理论与实验相结合的方式对两种共谋攻击模型进行了分析与对比并得到相应的结论，大量实验数据证明了结论的正确性。提出的新模型可以为指纹系统性能分析、指纹算法设计提供更为准确的参考依据。 3.针对压缩图像提出了一种高容量强鲁棒的数字指纹算法。现有的压缩图像指纹算法抗共谋攻击能力较差，针对这一问题，提出了一种基于非下采样Contourlet变换的压缩图像指纹方法。该算法采用压缩图像的非下采样Contourlet低频系数组建高维宿主向量嵌入高斯指纹，在此基础上研究了强度因子、指纹维数与鲁棒性、图像质量之间的关系。该算法不但从根本上提高了指纹系统容量，而且增强了指纹的抗共谋攻击能力，大量实验数据证明了算法的有效性。最后将该算法的应用领域推广到非压缩图像，理论分析与实验数据均表明其同样适用于非压缩图像。 4.提出了两种盲检测指纹算法。现有的盲检测指纹算法抗共谋攻击能力都较弱，针对此本文提出了两种盲检测方式的指纹算法。首先结合抗共谋攻击码与量化技术提出了一种盲检测的量化方法，该方法将共谋攻击转化为指纹码的逻辑运算。在此基础上，采用这种量化方法分别在空域和DCT域实现了盲检测指纹算法，在追踪共谋者时提出了一种自适应阈值法，阈值随着噪声的强弱自动调节。空域算法的特点是容量高，然而其抗压缩能力较弱。DCT域算法采用JPEG标准量化表作为量化步长的依据，解决了空域算法抗压缩能力弱的问题。大量实验数据表明，与现有算法相比，提出的两种盲检测指纹算法的抗共谋攻击能力得到了明显提高。 5.针对传统正交指纹检测效率非常低的问题提出了一种树形指纹编码方案。该方案采用分层思想构造指纹，所构造指纹的相关性随着分支不同而不同。将同一分支的指纹分发给同一区域的用户，使指纹相关性的大小与用户距离远近保持一致，符合自然属性，非常有利于识别共谋者。理论分析与实验数据表明，相比传统的正交指纹及其快速检测算法，树形指纹编码不但极大地提高了检测效率，而且提高了指纹系统的抗共谋攻击能力，同时节省了存储空间，提出的指纹编码方案的整体性能得到了极大提升。 6.提出了两种抗几何攻击的数字图像水印算法。系统分析了几何攻击对数字图像水印的影响，在此基础上从不同思路提出了两种抗几何攻击的数字图像水印算法。第一种算法利用图像直方图对几何变换具有不变性的原理，通过修改图像像素的统计关系嵌入水印信息。大量实验表明该算法不但可以抵抗旋转、缩放、平移、剪切等几何攻击，而且对插值攻击具有很强的鲁棒性。第二种算法利用图像特征点进行水印同步，以特征点为中心生成一种大面积的方形区域作为水印区域，主要解决同类算法中水印容量小、水印同步时引入插值攻击的问题，实验数据表明该算法在提高水印容量的同时增强了抗几何攻击能力。