抗几何攻击的信息隐藏技术研究

论文摘要

随着多媒体信息处理技术和互联网的普及,一种新的信息安全技术--信息隐藏技术应运而生。几何攻击在保持图像视觉质量完好的同时,将使信息隐藏系统失去同步而导致嵌入的信息无法检测和提取。实现抗几何攻击是信息隐藏领域内公认的难题,该课题已成为近年来信息隐藏领域内的研究热点。本论文主要致力于设计能够有效抵抗高强度几何攻击的信息隐藏系统。文中深入研究了模式识别中的图像特征点提取技术以及密码学中的相关攻击技术,进而提出了两种创新性的抗几何攻击的信息隐藏系统,分别实现了数字水印系统和大容量隐秘通信系统的高鲁棒性。具体地讲,本文在如下四个方面给出了深刻研究和创新性的算法:1、提出一种基于尺度空间的Harris图像特征点提取方法。特征点提取是模式识别领域的经典研究课题。在第二代信息隐藏系统中,特征点提取是水印嵌入的基础所在,本文结合尺度空间理论,提出了一种鲁棒性更强的Harris特征点提取算法。2、提出一种可以抵抗随机变形攻击（RBA）的多比特水印算法。目前大多数文献中的抗几何攻击水印技术都是重点针对全局几何形变的,例如仿射变换中的RST,而针对局部几何攻击的研究却很少。本文提出采用基于流密码相关攻击技术来解码的多比特水印方案来解决该问题。文中分析了信道噪声模型,为设计相关攻击和纠错编码的最佳参数提供了理论依据。实验结果表明该算法对于旋转、缩放、一般仿射变换、甚至Stirmark中的随机变形攻击都具有较高鲁棒性,同时对常规信号处理也具有鲁棒性。3、提出一种大容量的基于软判决快速相关攻击（SFCA）重建同步的抗几何变形的图像隐秘算法。算法采用双通道的嵌入思想,将同步信息和秘密信息分别嵌入到彩色图像的不同分量中。Delaunay三角形的中心坐标作为同步信息,输入到线性反馈移位寄存器（LFSR）中,得到的输出序列嵌入到对应三角形的红色分量中。检测时依靠SFCA强有力的纠错性能,提取出同步信息,实现几何变形的校正,然后在校正后的图像上提取出嵌入到蓝色分量DCT域中的秘密信息。实验表明,本算法的隐秘容量大,对仿射变换、长宽比改变、行列删除、剪切、高斯噪声、JPEG压缩等攻击都具有强鲁棒性。4、研究了图像认证中的抗几何攻击问题。大部分半脆弱水印算法将几何变形视为恶意篡改,而实际上旋转缩放等几何失真应该被视为非恶意的失真,本文提出一种新的半脆弱图像水印算法来解决该问题,算法根据图像矩不变量的半脆弱性而生成认证水印来区分偶然失真和恶意篡改。由图像小波分解的逼近系数构成的水印用来定位篡改区域。实验结果表明本方法可以很好的检测和定位恶意篡改,同时对内容保持操作,例如JPEG压缩、低通滤波、特别是几何变换中的旋转缩放等都具有高鲁棒性,同时算法可以抵抗伪造攻击。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 信息隐藏技术的定义
• 1.1.2 信息隐藏技术的分类
• 1.1.3 信息隐藏技术的基本特征
• 1.1.4 研究内容和研究意义
• 1.2 论文的结构和贡献
• 第二章 抗几何攻击数字水印算法综述
• 2.1 对数字水印的攻击
• 2.1.1 去除攻击
• 2.1.2 同步攻击
• 2.1.3 协议攻击
• 2.1.4 密码攻击
• 2.2 几何攻击
• 2.3 已有的抗几何攻击水印算法
• 2.3.1 基于原始图像搜索的算法
• 2.3.2 基于几何不变量的算法
• 2.3.3 基于模板匹配的算法
• 2.3.4 基于周期嵌入的算法
• 2.3.5 基于矩的图像正规化算法
• 2.3.6 基于图像特征点的算法
• 2.3.7 对几种算法的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于尺度空间的特征点提取方法
• 3.1 几种特征点提取的方法
• 3.1.1 墨西哥帽小波
• 3.1.2 Achard—Rouquet特征点检测器
• 3.1.3 SUSAN特征点检测器
• 3.1.4 Harris特征点检测器
• 3.2 一种新的基于尺度空间的特征点提取方法
• 3.2.1 基于尺度空间的特征点检测器
• 3.2.2 对检测器的进一步改进
• 3.2.3 实验结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 可抵抗局部几何攻击的多比特水印算法
• 4.1 相关攻击技术
• 4.1.1 快速相关攻击（FCA）的定义
• 4.1.2 相关攻击算法
• 4.2.信道噪声分析与相关攻击参数设计
• 4.3.Delaunay三角剖分和三角形正规化
• 4.3.1 Delaunay三角剖分
• 4.3.2 三角形正规化
• 4.4 水印的嵌入和提取过程
• 4.4.1 水印的嵌入过程
• 4.4.2 水印的提取过程
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 不易觉察性分析
• 4.5.2 容量分析
• 4.5.3 鲁棒性测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于SFCA重同步的大容量隐秘通信算法
• 5.1 引言
• 5.2 算法主要思想
• 5.3 软判决快速相关攻击技术
• 5.3.1 SFCA算法
• 5.3.2 计算复杂度分析
• 5.4 编码过程
• 5.4.1 秘密信息的嵌入
• 5.4.2 同步信息的嵌入
• 5.5 译码过程
• 5.5.1 同步信息的提取
• 5.5.2 秘密信息的提取
• 5.6 实验结果与分析
• 5.6.1 不可见性分析
• 5.6.2 计算复杂性估计
• 5.6.3 容量分析
• 5.6.4 重同步的性能分析
• 5.6.5 鲁棒性分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于矩不变量的半脆弱图像认证水印
• 6.1 引言
• 6.2 矩不变量及其半脆弱性分析
• 6.3 半脆弱水印过程
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 不可察觉性分析
• 6.4.2 鲁棒性和脆弱性分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文