图像指纹提取技术及抗打印—扫描攻击对策研究

摘要

图像指纹是从数字图像中提取的用于内容验证的微细结构特征，它为图像验证、监控、识别和检索提供了重要的手段。与图像指纹相关的基本研究问题包括：图像指纹的提取、图像指纹提取算法的抗攻击对策、图像指纹技术的评价和测试、图像指纹系统的结构框架和图像指纹的应用。图像指纹的提取为视觉信息在安全性评测上提供了方法和尺度，是信息安全和图像处理中非常重要的研究内容。图像指纹可以保护网络中数字图像产品的安全，还可解决数字图像传输的安全问题。此外，图像指纹技术在数字图像识别、分类、比对、检索等技术领域也具有应用潜力。抗打印和扫描攻击是图像指纹提取算法的抗攻击对策的研究重点，打印和扫描也是真伪鉴别和司法分析的研究焦点。研究抗打印和扫描攻击的对策，可以使包括证卡、票据、书籍等硬拷贝媒体获得数字图像指纹和数字水印的保护，推动数字图像指纹和数字水印技术的实用化。
　　目前多数图像指纹提取方法对几何攻击鲁棒性不强，或者对几何攻击和其它信号处理攻击不具备全面的鲁棒性。图像指纹技术在抗打印和扫描攻击方面，在国内外还属于比较新颖的研究领域。本文旨在研究鲁棒性强的图像指纹提取算法，以及抗打印和扫描攻击的对策。论文的主要创造性研究成果如下：
　　1.提出基于四阶累积量的图像指纹提取算法及其基于 Hilbert扫描的改进算法。基于四阶累积量的算法只考虑图像像素行列间的信息，没有考虑像素空间二维的位置关系，所以又提出基于利用Hilbert扫描的改进算法，新算法中增加了通过 Hilbert空间填充曲线利用像素位置信息，从而提高了基于四阶累积量的图像指纹提取算法的性能。最后，通过仿真实验比较验证了这些图像指纹提取算法的有效性。
　　2.提出基于正交变换系数符号的图像指纹提取算法。由于正交变换系数的符号位能够反映图像的边缘特征，并且符号位本身的正负二值信息非常适合作为二值图像指纹，因此，提出三种正交变换系数符号位的指纹提取算法，分别为图像处理领域广泛应用的离散余弦变换、沃尔什-哈达玛变换系数的符号，以及斜小波变换系数的符号。基于斜小波变换系数符号的算法，目的在于探讨正交小波变换应用到这个图像指纹提取框架，即基于正交变换系数符号的图像指纹提取的可能性。仿真实验表明该类指纹提取算法的优良性能。
　　3.提出基于图像失真分析建立的打印-扫描过程模型。针对该模型指出的打印过程的半色调失真，提出了一个基于半色调网点匹配的图像恢复算法。仿真实验验证了新方法的有效性。针对打印-扫描过程模型指出的模糊失真，提出了一个利用自行制备的边缘测试靶测量扫描仪光学系统点扩展函数的方法，通过与标准方法比较验证了该方法的有效性。
　　4.针对打印-扫描过程中存在的几何失真，提出三个方法来解决该问题。第一个算法是利用矢量图像打印过程失真程度低的特点，提出基于SVG(Scalable Vector Graphics)矢量图像的抗几何攻击对策。由于打印过程的格式转换问题，第二个算法提出不依赖具体图像格式的基于边框的抗几何攻击对策，利用图像的边框特征检测和校正打印-扫描过程中存在的几何失真。但是由于打印-扫描过程中几何失真的复杂性，提出了第三个算法，该算法基于特征点提取与结构特征匹配的框架，可对各种打印-扫描过程中存在的几何失真具有鲁棒性。通过实际的打印-扫描实验使算法的有效性得到了验证。

目录

图像指纹提取技术及抗打印-扫描攻击对策研究

RESEARCH ON IMAGE FINGERPRINTS EXTRACTION AND COUNTERMEASURE TO PRINT-AND-SCAN ATTACK

摘要

Abstract

Contents

绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 数字指纹

1.2.1 数字指纹的定义及特性

1.2.2 打印和扫描的定义

1.2.3 图像指纹研究及抗打印-扫描攻击的基本问题和主要方法

1.3 图像指纹及抗打印-扫描攻击的研究现状

1.4 论文的结构与主要研究内容

第2章 基于四阶累积量的图像指纹提取算法

2.1 引言

2.2 基于四阶累积量的图像指纹算法

2.2.1 四阶累积量的概念

2.2.2 Hilbert曲线的概念

2.2.3 基于四阶累积量的图像指纹提取算法及改进算法

2.3 仿真实验

2.4 本章小结

第3章 基于正交变换系数符号的图像指纹提取算法

3.1 引言

3.2 离散余弦变换系数符号与图像内容的关系

3.3 沃尔什-哈达玛变换系数符号与图像内容的关系

3.4 斜小波变换系数符号与图像内容的关系

3.5 仿真实验

3.6 本章小结

第4章 打印-扫描过程半色调和模糊失真的对策

4.1 引言

4.2 打印和扫描过程的机理和模型

4.2.1 激光打印机工作原理

4.2.2 平板扫描仪工作原理

4.2.3 打印和扫描过程的模型

4.3 基于半色调网点匹配的打印-扫描图像恢复算法

4.3.1 半色调原理

4.3.2 打印-扫描图像恢复算法

4.3.3 仿真实验

4.4 扫描仪点扩展函数的确定

4.4.1 扫描仪点扩展函数

4.4.2 扫描仪点扩展函数的测量方法

4.4.3 仿真实验

4.5 本章小结

第5章 打印-扫描过程几何失真的对策

5.1 引言

5.2 基于SVG的抗几何攻击对策

5.2.1 SVG及其特点

5.2.2 SVG的应用

5.2.3 基于SVG的几何失真的检测与控制

5.2.4 仿真实验

5.3 基于图像边框的抗几何失真对策

5.3.1 基于边框的几何失真检测与校正

5.3.2 仿真实验

5.4 基于特征点提取与结构匹配的抗打印-扫描攻击对策

5.4.1 基于特征点提取与结构匹配的抗几何攻击对策

5.4.2 仿真实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

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