图像数字水印技术及应用研究

摘要

随着Internet快速的发展和普及，人们可以很容易地传播数字视频、数字音频等形式的数字产品。但这也会使一些人在没有获得所有者授权的情况下，随意拷贝、修改、传播这些数字产品，并从中获利。这种行为会严重损害所有者的经济利益，并最终阻碍这个行业的发展。数字水印技术就是针对这种情况提出的，它被看作是对数字产品进行版权保护的一种有效手段。
　　虽然经历了十多年的发展，但数字水印技术远未成熟，在理论和实际应用中还有许多开放的问题。本论文以静态图像为研究对象，在三个方面进行了深入研究:
　　1）基于共轭对称列率复数哈达码变换(Conjugate Symmetric-Sequency Complex Hadamard Transform: CS-SCHT)的水印方法;
　　2）基于正交傅立叶梅林矩(Orthogonal Fourier-Mellin Moment: OFMM)及其不变量(OFMM Invariants: OFMMIs)的水印方法;
　　3）针对版权保护的买方卖方水印协议。
　　本文的主要研究工作及贡献包括:
　　1.鉴于现有的估计几何变换参数的方法都是在假设变换类型已知的前提下进行的，提出了一种利用图像几何矩估计变换类型的算法。实验结果表明，该算法对于几何变换类型的估计能够达到较高的精度。
　　2.由于CS-SCHT和DFT具有相似的性质，且前者具有更低的计算复杂度，因此提出一种基于CS-SCHT系数幅度的水印方案。水印嵌入在载体图像CS-SCHT中频系数幅度中，然后结合频率敏感度模型，提出一种针对CS-SCHT的人类视觉系统模型。在水印检测阶段，首先利用Kolmogorov-Smirno方法得到CS-SCHT系数幅度的近似分布，然后根据近似分布、似然比准则、泰勒公式以及微分方法推导出一种新的水印检测器。实验结果表明，作为水印载体，CS-SCHT和DFT具有相同的性能。新水印检测器的性能比已有的基于相同分布设计的检测器更加理想。
　　3.针对现有的基于矩不变量的水印算法中存在的缺陷，提出了一种简单的阈值确定方法，避免了通过大量实验和人工选定的方式得到阈值。另外，对于不同水印的检测问题也进行了考虑。现有算法都假定如果能够在图像中检测到水印，就一定是图像所有者的水印。事实上，图像中可能包含的是其他人嵌入的水印。因此提出了单一水印区间的概念，将区间内所对应的特征距离都看作是同一个水印产生的，而不同水印对应不同的区间。在恰当选择区间之后，可以保证只有版权所有者的水印可以被成功检测，其他人的水印则不能。
　　4.针对现有买方卖方水印协议中存在的问题，提出了改进方法，同时将版权转让问题也进行了考虑:
　　1）版权注册时，将图像的边缘信息发送给注册机构进行注册，既避免了直接将作品完整地发送给注册机构，同时也可以防止买方在获得作品之后，稍作修改再进行注册;
　　2）水印由买卖双方共同置乱，避免了买卖双方中的任何一方与水印生成机构共谋的可能;
　　3）通过将买方置乱的水印和卖方获得的置乱水印进行比较来阻止买方在盗版情况下故意提供错误的置乱参数，从而逃避惩罚;
　　4）讨论了作品发生版权转让情况下的盗版追踪问题，尤其是版权转让方盗版的可能以及应对方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 数字水印的分类

1．2．1 基于水印的载体

1．2．2 基于水印的可见性

1．2．3 基于加载区域

1．2．4 基于水印特性

1．2．5 基于用户密钥

1．2．6 基于水印内容

1．3 数字水印的应用

1．3．1 广播监视

1．3．2 数字指纹

1．3．3 使用控制

1．3．4 篡改取证

1．3．5 数据库内容注释

1．4 数字水印技术的评价指标

1．4．1 不可感知性

1．4．2 鲁棒性

1．4．3 确定性

1．4．4 安全性

1．4．5 虚警概率和漏检概率

1．5 数字水印研究现状

1．5．1 空间域水印算法

1．5．2 基于变换域的方法

1．5．3 基于特征的方法

1．6 本文主要工作和内容安排

1．6．1 主要工作

1．6．2 内容安排

参考文献

第二章 数字水印处理系统

2．1 引言

2．2 水印的产生

2．2．1 基于无意义的伪随机序列

2．2．2 有意义的文字或图像

2．2．3 自适应水印

2．3 水印的预处理

2．3．1 置乱

2．3．2 扩频

2．4 水印的嵌入

2．4．1 基于加性方式的嵌入

2．4．2 基于乘性方式的嵌入

2．4．3 基于量化方式的嵌入

2．4．4 基于关系的嵌入

2．4．5 基于人类视觉系统的嵌入

2．5 水印的提取

2．6 水印的检测

2．6．1 基于相关法的水印检测

2．6．2 基于对数似然比(Log Likelihood ratio：LLR)的水印检测

2．6．3 基于其他水印检测准则

2．6．4 阈值的选取

2．7 水印的攻击

2．7．1 常规攻击

2．7．2 恶意攻击

2．8 本章小结

参考文献

第三章 基于共轭对称列率复数哈达码变换的水印算法研究

3．1 引言

3．2 CS-SCHT的定义及性质

3．2．1 CS-SCHT核函数的构造

3．2．2 CS-SCHT的性质

3．3 基于CS-SCHT相位的鲁棒水印算法

3．3．1 水印图像置乱

3．3．2 扩频处理

3．3．3 图像块分类

3．3．4 水印嵌入

3．3．5 几何变换的估计

3．3．6 水印提取

3．3．7 实验仿真

3．4 基于CS-SCHT幅度的鲁棒水印算法

3．4．1 水印嵌入

3．4．2 CS-SCHT幅度分布研究

3．4．3 检测算法

3．4．4 实验与分析

3．5 基于CS-SCHT幅度的新的检测器设计

3．5．1 基于CS-SCHT的人类视觉系统(Human Visual System：HVS)模型

3．5．2 检测器的设计

3．5．3 实验与分析

3．6 本章小结

参考文献

第四章 基于正交傅立叶梅林矩的水印算法研究

4．1 引言

4．2 正交傅立叶梅林矩及其性质

4．2．1 正交傅立叶梅林矩的计算

4．2．2 矩形-单位圆映射

4．2．3 OFMM的性质

4．2．4 OFMM对图像的重构

4．2．5 正交傅立叶梅林矩不变量

4．3 基于正交傅立叶梅林矩不变量的鲁棒水印算法

4．3．1 Kim的方法及分析

4．3．2 本文方法

4．3．3 实验与分析

4．4 基于正交傅立叶梅林矩的多功能零水印算法

4．4．1 半脆弱水印的嵌入与提取

4．3．2 数字指纹的生成

4．3．3 版权认证

4．3．4 实验结果与分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 一种安全的买方卖方水印协议

5．1 概述

5．2 背景知识

5．2．1 可交换密码算法

5．2．2 同态加密

5．2．3 数字签名

5．2．4 公钥基础设施(Public Key Infrastructure：PKI)

5．3 一种新的买方卖方水印协议

5．3．1 数字版权保护协议应遵循的原则

5．3．2 详细描述协议

5．3．3 协议分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来研究展望

攻读博士期间发表的论文及参加的科研项目

致谢