数字图像内容取证的关键技术方法研究

摘要

随着计算机网络技术的迅猛发展，高清晰度数字相机和简便易用的图像编辑软件的广泛使用，人们能够比以往更容易地获取各种数字照片，特别是图像编辑软件的成熟应用使得修改照片变得容易而快速。新技术在给我们带来方便的同时，也给我们的工作生活带来了较多的负面影响，当我们欣赏数码摄影带来的美妙图像的时候，也会被一些“假”照片所困扰。目前，网络上的数字图片造假愈演愈烈，这些假照片给人们的工作生活带来了不好的负面影响，甚至给社会也带来了很大的影响，使得人们认为“眼见”不一定“为实”，因此一种能够鉴定图像真假的技术——数字图像内容取证技术方法的研究和应用就显得尤为重要和迫切。
　　数字图像内容取证主要有主动取证和被动取证两个研究方向。主动取证方向中的数字水印技术要求嵌入的数字水印具有较强的稳健性，即能抵抗攻击，不易被去除。被动取证方向中的大多数数字图像盲取证算法是在很多约束下成立的，准确率、精确度和实用性都与数字实用化要求相差甚远。针对数字水印技术中的稳健性的要求，我们提出了在四元数理论下的数字水印算法，针对数字图像盲取证算法中的准确性、精确性和实用性的要求，我们在扩展块的框架下对复制-粘贴这一常见操作进行取证算法的研究。本文的主要工作和成果如下:
　　1.提出了基于四元数理论和联合QSVD块的盲数字水印算法
　　现有的针对彩色图像的数字水印算法中，大多数采用的方法没有完整地利用彩色图像所有信息，不能体现彩色通道之间的关系。因此，为了能够完整地利用彩色图像的所有信息，体现彩色通道间的联系，本章把四元数模型应用到了数字水印当中，每一个像素用四元数来表示，这样每一个图像就成为一个四元数矩阵，然后对四元数矩阵进行4×4分块，对每一块进行QSVD分解，获得每一块的特征值。通过实验，分析了这些特征值的改变对原图像的影响程度。最后，选取影响较小的一类特征值进行水印的嵌入，嵌入的方法采用联合奇异值矩阵的方法进行，通过分析可知此类算法能够抵抗常用的攻击，较好的满足鲁棒性的要求。
　　2.提出了基于四元数奇异值分解酉矩阵的盲数字水印算法
　　目前存在的基于四元数奇异值的数字水印算法中，绝大多数是通过对奇异值分解中的特征值矩阵S中的最大值进行调制来实现水印的嵌入，而忽略了奇异值分解中的其他两个酉矩阵U和V。由于彩色图像能量不仅与奇异值有关，还应当与四元数奇异值酉矩阵有关。本章通过改变QSVD分解后的U矩阵中的第一列中每一个四元数元素的虚部系数的大小来分析图像因此受到的影响，选择最敏感的一类系数进行数字水印的嵌入，实现了盲水印算法，较好地满足了透明性和鲁棒性的要求。
　　3.提出了基于奇异值分解和投影数据的针对复制粘贴操作的图像取证算法
　　目前存在的针对复制粘贴操作的图像取证算法大多数是通过特征值块进行逐像素遍历比较的方法实现的，缺点是复杂度很大，运行时间长。本章在扩展块算法的基础上第一次的特征值是采用奇异值分解后的S矩阵中元素，过滤掉了较多无关的块，然后再通过块中的行和列的投影数据进行第二次过滤，从而能够实现复制粘贴操作的图像取证，并且实现了同一幅图像的多区域复制粘贴操作的取证和定位，有较强的鲁棒性。
　　4.提出了基于小波变换和块均值的针对复制粘贴操作的图像取证算法
　　为了进一步地减少复制粘贴操作取证算法的复杂度，本章在扩展块算法的基础上先对图像进行了一级小波变换，得到LL子图像，然后对LL子图像进行分块处理，第一次的特征值是奇异值分解后得到特征值，通过该类特征值过滤掉较多无关的块，然后对保留下的块采用均值操作后组成新的矩阵再进行奇异值分解获取奇异值作为特征进行第二次过滤，实现复制粘贴操作的图像取证，这种方法更大程度地减少了算法的复杂度，用较少的特征来表示每一个块，通过实验分析该算法在进一步减少复杂度的同时较好地实现了同一幅图像的多区域复制粘贴操作的取证和定位，并且能够抵抗常用的操作，具有一定的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 数字图像内容取证的分类

1．3 数字图像内容取证的研究现状

1．3．1 数字水印

1．3．2 数字图像篡改被动盲取证

1．4 本论文的主要工作及创新点

1．5 本论文的章节安排

第2章 相关理论基础介绍

2．1 彩色图像处理基础

2．1．1 彩色基础

2．1．2 彩色模型

2．1．3 彩色图像数学描述

2．2 四元数理论

2．2．1 四元数理论基础

2．2．2 彩色图像的四元数空间描述

2．3 小波变换

2．3．1 连续小波变换

2．3．2 滤波器族解释

2．3．3 二进小波变换

2．3．4 离散小波变换

2．4 奇异值分解

2．4．1 奇异值的定义

2．4．2 奇异值分解定理

2．4．3 奇异值分解的图像性质

2．5 性能评价指标

2．5．1 数字水印技术性能评价

2．5．2 数字图像盲取证技术性能评价

第3章 基于四元数理论和联合QSVD块的数字水印技术

3．1 引言

3．2 基于四元数理论的奇异值分解方法的分析

3．2．1 四元数矩阵奇异值分解在彩色图像上的应用

3．3 基于四元数理论和联合QSVD块的数字水印技术

3．3．1 嵌入过程

3．3．2 提取过程

3．4 模拟实验结果及分析

3．4．1 无攻击情况下结果及性能分析

3．4．2 攻击情况下结果及性能分析

3．5 本章小结

第4章 基于四元数奇异值分解酉矩阵的数字水印技术

4．1 引言

4．2 基于四元数奇异值分解酉矩阵的分析

4．2．1 四元数奇异值分解性质

4．2．1 四元数奇异值分解的酉矩阵分析

4．3 基于四元数奇异值分解酉矩阵的数字水印技术

4．3．1 嵌入过程

4．3．2 提取过程

4．4 模拟实验结果及分析

4．4．1 无攻击情况下的结果和性能分析

4．4．2 攻击情况下的结果和性能分析

4．5 本章小结

第5章 基于奇异值分解和图像映射的复制粘贴取证技术

5．1 引言

5．2 图像映射分析

5．3 扩展排序方法

5．4 基于奇异值分解和图像映射的复制粘贴取证技术

5．5 模拟实验结果及分析

5．5．1 无攻击情况下的结果及性能分析

5．5．2 攻击情况下的结果及性能分析

5．6 本章小结

第6章 基于小波变换和块均值的复制粘贴取证技术

6．1 引言

6．2 图像的小波变换和块均值分析

6．2．1 图像的小波变换分析

6．2．2 图像的块均值分析

6．3 基于小波变换和块均值的复制粘贴取证技术

6．4 模拟实验结果及分析

6．4．1 无攻击情况下的结果和性能分析

6．4．2 攻击情况下的结果和性能分析

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果