基于变换域抗几何攻击数字水印算法研究

摘要

近年来，随着互联网和多媒体技术的迅猛发展，各种形式的多媒体作品包括图像、视频、音频得以从网络途径向外发布或下载，这给人们的工作和生活带来了极大的方便，但同时也带来了负面影响，就是对原始作品的知识产权的侵犯变得容易。有些人不经过作者的同意，就对原作品进行拷贝、复制、修改。因此当前如何在网络中实施有效的版权保护和解决信息安全的问题，成为一个日益重要的课题。在这种情况下人们提出了数字水印的概念，它是进行数字媒体版权保护的有效手段之一。它将水印嵌入到数字媒体中，然后通过对它的检测来确定媒体的版权所有，并且可以跟踪数字媒体的使用情况。数字水印作为一门新兴学科，自 1993 年以来，发展有 10 多年了，人们研究出多种水印算法，但数字水印仍然是一个未成熟的领域，还有许多难题没有解决，离实际应用阶段还有一段距离。特别是在抗几何攻击、局部非线性几何攻击和文本水印、多水印等方面还有许多瓶颈问题没有解决。 本文以静止图像作为研究对象，根据图像处理理论和水印技术的特性出发，通过统计、分析大量的实验数据，在变换域找到抗几何攻击的图像特征向量，再利用图像的特征向量进行水印的嵌入和提取；这些基于图像特征的算法具有抗几何攻击能力，它们将图像的特征向量、密码学进行了有机结合。本文提出的水印算法在抗击几何攻击、非线性局部几何攻击；二值文本水印、多水印的嵌入等方面，都有一定的突破，并据此成功申请了四项国家发明专利(都已公布)。这些算法基于变换域。本文使用了全局离散余弦变换(DCT)、离散傅里叶变换(DFT)、离散小波变换(DWT)以及它们的结合体——小波余弦变换(DWF-DCT)。文章最后提出了一个新的水印系统模型和一套衡量实用水印系统的性能指标。创造性的工作如下： ①提出了一种基于全局DCT抗几何攻击和常规攻击的数字水印算法该算法基于全局DCT变换，在变换域求出一个图像的视觉特征向量，利用该特征向量来进行水印的嵌入与提取。该算法将图像的视觉特征向量、第三方概念和加密技术、零水印技术有机相结合。实验证明该算法具有理想的抗几何和常规攻击能力。与常规的水印嵌入和提取算法相比，该算法嵌入和提取水印的速度快，并且水印的提取不需原始图像，故有较高的实用价值。 ②提出了一种基于DWT-DCT抗几何攻击的数字水印算法该算法是利用DWT-DCT变换，先对数字图像进行DWT变换，然后再对逼近子图进行全局DCT变换，从DCT低频系数中求出特征向量，该算法将主流变换DCT和下一代压缩标准所使用的小波变换 DWT 有机结合起来，实验证明该算法有较强的抗几何攻击能力。 ③提出了一种基于 DFT 抗局部非线性几何攻击(RBA)的水印算法该水印算法基于 DFT 变换的相位特性。通过提取图像的相位特征，来进行水印的嵌入与提取。通过实验验证，在抗局部非线性几何攻击方面，该算法的鲁棒性要优于 Adobe 公司的photoshop6.0中使用的商业水印软件Digimarc，并且与基于 Fourier-Mellin 变换的算法相比，该算法嵌入和提取水印的速度快，有较强的实用性。 ④提出了一种基于DWT抗几何攻击的二值文本图像鲁棒水印算法该方法是基于小波变换，在逼近子图中进行水印的嵌入与提取。与常规的通过调整行间距和调整字间距的文档结构微调法相比，该方法嵌入水印的容量大，抗剪切等几何攻击能力强。 ⑤提出一个基于互联网的鲁棒水印系统模型及一套衡量指标该水印系统基于变换域，通过在变换域提取图像的特征以及利用互联网上的第三方概念，来实现水印的嵌入与提取。使用该模型的水印系统可以较好的解决数字水印的不可见性和鲁棒性之间的矛盾，并且可以解决水印的嵌入容量与水印的不可见性的矛盾和多水印的嵌入与提取等数字水印技术的难题。为了更好的描述一个基于因特网的实用的水印系统的性能，本文将自动控制理论中的稳、快、准的系统指标，用于水印系统，用来衡量一个实用水印系统的优劣。 总之本文突破了传统的数字水印嵌入思想，创造性的提出了利用数字图像的特征向量来进行水印的嵌入与提取。并将特征向量、第三方概念、密码学和零水印技术有机结合成一体。较好解决了水印的抗几何攻击、非线性局部几何攻击、二值文本水印、多水印的嵌入等难题。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1背景

1.1.1数字水印技术

1.1.2数字水印的主要用途

1.1.3数字水印的工作原理

1.1.4数字水印的分类

1.2数字水印技术研究的历史与现状

1.2.1抗几何攻击数字水印的研究现状

1.2.2抗局部非线性几何攻击研究现状

1.2.3二值文本水印算法研究现状

1.2.4多水印的嵌入与提取技术

1.3常规数字水印系统的性能指标

1.4数字水印攻击类型

1.5数字水印所要研究的主要问题

1.6本论文主要的研究工作及内容安排

1.6.1研究工作

1.6.2各章内容安排

2数字水印常用的数学变换和人类视觉系统理论

2.1傅里叶变换

2.1.1连续傅里叶变换

2.1.2离散傅里叶变换

2.2余弦变换

2.3小波变换

2.3.1从傅里叶变换到小波变换

2.3.2小波分析基本理论

2.3.3小波的多分辨分析与Mallat算法

2.3.4图像的小波变换

2.4水印图像质量的定量描述

2.5人类视觉系统理论

2.5.1人眼的生理结构

2.5.2人类视觉系统感知模型

2.5.3人眼的视觉特性在水印技术中的应用

2.6本章小结

3抗几何攻击鲁棒数字水印算法研究

3.1引言

3.2一种基于DCT能抗几何攻击的水印算法

3.2.1水印的嵌入与提取算法

3.2.2实验结果

3.3基于DWT-DCT能抗击几何攻击的水印算法

3.3.1水印的嵌入与提取算法

3.3.2实验结果

3.4本章小结

4抗局部非线性几何攻击的水印算法研究

4.1引言

4.2图像的离散傅里叶变换（DFT）

4.3一种基于图像相位特征的水印算法

4.3.1相位特征的选取方法

4.3.2一种基于图像相位特征抗局部非线性几何攻击的水印算法

4.4实验结果

4.5本章结论

5二值文本图像鲁棒数字水印算法研究

5.1引言

5.2基于DWT二值文本图像数字水印算法研究

5.2.1数字水印的嵌入和提取算法

5.2.2实验结果

5.3基于DFT可抗局部几何攻击的二值文本图像多水印算法

5.3.1水印的嵌入与提取算法

5.3.2实验结果

5.4本章小结

6一种基于互联网的鲁棒水印系统原理及指标

6.1一种基于互联网和图像特征的鲁棒水印系统

6.1.1常规的水印系统模型及难以解决的问题

6.1.2基于互联网和图像特征的鲁棒水印系统模型

6.2一种基于互联网和图像特征的鲁棒水印系统的性能指标

6.3本章小结

7结论与展望

7.1全文工作总结

7.2未来展望

致 谢

参考文献

附录