针对版权保护和内容认证的图像数字水印研究

论文摘要

数字水印技术是解决版权保护和内容认证问题的有效手段之一，是传统加密技术和数字签名技术的有效补充。本文主要针对鲁棒性水印如何提高鲁棒性问题，半脆弱性水印如何提高篡改检测精度及恢复质量问题，引入了新型变换域，利用系数之间特有的关系，提出了三种鲁棒性水印和三种半脆弱性水印。本文所做的主要贡献如下：1．基于Contourlet变换和非冗余Contourlet变换（WBCT）的鲁棒性数字水印研究在第一种算法中，利用Contourlet域中特有的父子关系，给出了“重要树”的概念，并结合纹理掩蔽特性提出了一种自适应性的鲁棒性水印算法。与基于小波变换的水印算法相比，基于Contourlet变换的算法具有更好的鲁棒性。第二种算法采用的是基于小波变换的Contourlet变换（WBCT），它是一种非冗余的Contourlet变换。虽然WBCT已经成功地应用到图像编码中，但却没有应用到数字水印中。根据实验发现的WBCT变换后的绝大多数的父子系数关系在JPEG压缩前后保持不变的事实，提出了一种基于父子系数关系调节的鲁棒性水印算法。测试结果表明第二种算法能够很好的抵抗不同的攻击，包括几何和非几何的攻击，诸如可以抵抗QF低于10的JPEG2000的压缩攻击，400像素的循环移动攻击和低于20％的对比度拉伸攻击。2．用于图像内容认证和定位的半脆弱水印技术的研究现存的半脆弱水印算法大多数采用独立分块的最低有效位（LSB）算法。分块大小与篡改精度和安全性问题密切相关，并且基于LSB的算法更容易遭受“伪认证”攻击。另外，现存的一些算法中，篡改检测率取决于误检率的高低，而忽略了虚警检测率。我们认为两者的同时考虑才有利于检测率的提高。另一方面，多数算法没有解决恶意和非恶意操作同时存在的认证问题。实际应用中，图像更可能同时经历恶意和非恶意操作并存的操作，而一部分算法中只给出了操作单独存在的实验结果。为了提高篡改区域认证和定位的精度，本文利用WBCT的多尺度性和局部定位的特性，提出了一种不基于分块技术即可实现篡改认证的半脆弱水印算法。通过实验我们发现大多数的父子关系在WBCT域中具有半脆弱性质，即在非恶意的操作下，比如JPEG压缩和JPEG2000压缩前后大小关系保持不变，而在恶意操作，如复制粘贴操作下具有脆弱性。我们利用这个特性，通过调制父子大小关系的方法完成了水印嵌入。操作前后系数差的直方图分布帮助我们确定了水印提取阈值，而不是通过实验确定的被动方式。形态学和融合算子的应用，大大提高了水印的检测效果。通过大量实验证明了我们所提出的算法能够准确的检测和定位篡改区域，并达到1．5％以下的误检率和6．5％以下的虚警率。3．可恢复的半脆弱水印技术研究虽然通信领域已经对精确恢复做了较深刻的研究，但基于水印技术的恢复算法却少之又少。另外，为了解决恢复质量不高的问题，本文提出了两种恢复算法。第一种算法我们尝试了基于Slant变换的篡改区域检测和近似恢复的算法。该算法采用了独立分块技术和LSB算法，能够实现较准确的篡改检测和一定区域的近似恢复。第二种算法是基于WBCT的恢复算法。算法不再采用常用独立分块技术的LSB算法，所以避免了方块效应和“伪认证”攻击。为了解决利用图像块生成水印容易产生误判的问题，认证水印由随机序列生成。其次，我们提升了一维置乱算法，增加了块置乱过程，有效地提高了可恢复区域。另外，2×2和5-bit的量化方式使得恢复水印比特得到了有效压缩，大大地提高了水印的不可见性。实验证明该算法能够实现篡改区域的精确定位和近似恢复，恢复质量可以达到20db以上。4．一种基于余弦函数的小波滤波器的构造方法及其在数字水印中的应用为了克服张量积构造的二维小波在处理高维奇异性的缺点，本文探索了一种新的小波滤波器的构造方法。该方法可以根据不同的参数构造不同的滤波器，方法简单可行。为验证该滤波器在数字水印中的应用，我们将该滤波器和传统的Db4和Db6滤波器同时作用于同一水印算法，通过常见的一些鲁棒性测试证明了该滤波器的良好效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 数字水印的基本理论
• 1.2.1 数字水印模型
• 1.2.2 水印的基本特性
• 1.2.3 水印的分类
• 1.2.4 水印的攻击技术
• 1.2.5 水印嵌入技术的实现方式
• 1.2.6 水印检测技术的实现方式
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究内容和主要贡献
• 1.5 本文架构
• 第二章 鲁棒性数字水印算法从传统变换域到多尺度几何变换域的概述
• 2.1 典型的水印算法
• 2.1.1 空域算法
• 2.1.2 变换域算法
• 2.1.3 压缩域算法
• 2.2 从小波域的水印算法到多尺度几何域的水印算法
• 2.3 图像的多尺度几何分析概述
• 2.3.1 奇异性分析
• 2.3.2 多尺度几何分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Contourlet变换的鲁棒性数字水印算法研究
• 3.1 一种基于重要树的Coutourlet域的鲁棒性数字水印算法
• 3.1.1 Contourlet变换及其系数之间的关系
• 3.1.2 水印方案
• 3.1.3 实验结果
• 3.2 一种基于非冗余Coutourlet域父子关系的鲁棒性数字水印算法
• 3.2.1 非冗余Contourlet变换
• 3.2.2 水印嵌入算法
• 3.2.3 水印检测算法
• 3.2.4 实验结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于非冗余的Contourlet变换的半脆弱性数字水印算法研究
• 4.1 相关工作
• 4.2 水印算法的可行性分析
• 4.2.1 父子系数关系在非恶意操作前后的表现
• 4.2.2 父子系数差值分析
• 4.3 水印算法
• 4.3.1 水印嵌入过程
• 4.3.2 水印检测过程
• 4.3.3 认证过程
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 不可见性测试
• 4.4.2 检测表现的测试方法
• 4.4.3 非恶意操作的鲁棒性测试
• 4.4.4 复制粘贴操作的脆弱性测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于Slant变换的半脆弱性数字水印算法研究
• 5.1 水印算法
• 5.1.1 Slant变换简介
• 5.1.2 认证和恢复水印嵌入算法
• 5.1.3 水印提取、认证和恢复算法
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 单独抵抗复制粘贴操作的性能表现
• 5.2.2 同时抵抗复制粘贴连同JPEG压缩、高斯加噪操作的性能表现
• 5.3 本章小结
• 第六章 用于图像篡改区域检测和恢复的半脆弱性数字水印算法
• 6.1 相关工作
• 6.2 水印嵌入过程
• 6.2.1 认证水印嵌入算法
• 6.2.2 恢复水印嵌入算法
• 6.3 水印提取和认证过程
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 不可见性测试
• 6.4.2 篡改区域定位和恢复测试
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于余弦函数的二维小波滤波器构造及其在数字水印中的应用
• 7.1 二维多分辨分析
• 7.2 紧支撑正交小波滤波器的构造
• 7.3 数值算例
• 7.4 水印算法
• 7.4.1 嵌入算法
• 7.4.2 检测算法
• 7.4.3 实验结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 论文总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果