鲁棒与半脆弱的数字水印研究

论文摘要

随着网络技术和多媒体处理技术的快速发展，数字产品在版权保护和内容真实性认证方面正受到越来越严峻的挑战。近年发展起来的鲁棒的和半脆弱的数字水印技术正逐步成为解决问题的重要手段之一。本文重点研究鲁棒的和半脆弱的数字水印系统，并围绕着鲁棒水印系统中的人类视觉模型，水印检测和抗几何攻击以及半脆弱水印系统中的内容认证等方面进行了深入研究，主要研究成果如下：(1)提出了两种基于人类视觉模型的鲁棒水印方案，即基于块自适应因子的鲁棒水印方案和基于三维人类视觉模型的鲁棒水印方案。块自适应因子是利用表征图像纹理的非零量化系数个数设计的人类视觉模型。基于该因子提出了盲和非盲的鲁棒数字水印方案。基于灰度图像在三维空间实现水印嵌入的思想，给出了相应的三维人类视觉模型，设计了盲的鲁棒数字水印方案。实验验证了所提两种方案的有效性和鲁棒性。(2)提出了两个检测算法，即针对一般乘性嵌入的相关检测和基于内容分类的乘性最优检测。所提相关检测算法利用了正交变换系数与水印信号之间相互独立的原理，而所提最优检测算法则利用了不同内容的分布模型差别较大而内容相似的分布模型也相似的原理。所提相关检测算法中理论推导、性能分析和实验验证表明了该算法的有效性和鲁棒性，而所提最优检测算法中对比实验验证了该算法鲁棒性的提高。(3)提出了抗几何攻击的半盲数字水印系统，并以此系统为基础提出了基于角点的半盲抗几何攻击方案。该系统利用含水印载体的信息校正被攻击的含水印载体，实现抗信号处理攻击的盲检测和几何攻击的半盲检测。基于角点的半盲抗几何攻击方案通过角点的匹配来精确估计几何攻击参数，校正后实现对几何攻击的鲁棒性。(4)提出了多特征的水印认证设计规则，并根据此规则提出了半脆弱的多特征水印认证方案。在利用认证集合全面分析了多媒体认证方案的安全性后，提出了水印认证设计规则。而所提水印认证方案从小波变换的最低频和中频分别获取全局特征和局部特征，利用这些特征形成的全局水印和局部水印嵌入载体实现半脆弱认证，同时文中详细分析了所提方案的安全性。最后，分析了当前一些相关数字水印算法中存在的问题，指出了进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数字水印的研究背景及意义
• 1.2 数字水印的定义及其模型
• 1.2.1 数字水印定义
• 1.2.2 数字水印模型
• 1.3 数字水印的特性和性能评估
• 1.3.1 数字水印的特性
• 1.3.2 数字水印的性能评估
• 1.4 数字水印的分类和攻击
• 1.4.1 数字水印分类
• 1.4.2 数字水印攻击
• 1.5 数字水印及其鲁棒性的研究现状
• 1.5.1 数字水印的研究现状
• 1.5.2 数字水印的鲁棒性分析
• 1.6 本文的研究思路和主要工作
• 1.6.1 本文研究思路
• 1.6.2 本文主要工作
• 1.6.3 本文结构安排
• 第2章 基于人类视觉模型的鲁棒数字水印嵌入方案
• 2.1 引言
• 2.2 基于块自适应因子的鲁棒水印方案
• 2.2.1 四分位标准差
• 2.2.1.1 中位数和分位数
• 2.2.1.2 四分位标准方差和三均值
• 2.2.2 基于非零量化系数个数的人类视觉模型
• 2.2.3 水印嵌入和检测算法
• 2.2.3.1 非盲提取水印算法
• 2.2.3.2 盲提取水印算法
• 2.2.4 实验结果
• 2.2.4.1 水印非盲提取算法实验
• 2.2.4.2 水印盲提取算法实验
• 2.3 基于三维人类视觉模型的鲁棒水印方案
• 2.3.1 图像三维化
• 2.3.2 三维提升小波变换系数分布拟和
• 2.3.3 三维人类视觉模型
• 2.3.4 基于三维人类视觉模型的数字水印方案
• 2.3.5 实验结果
• 2.3.5.1 有损压缩攻击
• 2.3.5.2 加高斯噪声攻击
• 2.3.5.3 剪切攻击
• 2.3.5.4 低通滤波攻击
• 2.3.5.5 亮度攻击
• 2.3.5.6 缩放攻击
• 2.3.5.7 比较实验
• 2.4 结论
• 第3章 鲁棒的数字水印检测方案
• 3.1 引言
• 3.2 鲁棒的乘性相关检测方案
• 3.2.1 乘性相关检测器
• 3.2.1.1 理论分析
• 3.2.1.2 性能分析
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.2.1 JPEG有损压缩攻击
• 3.2.2.2 低通滤波攻击
• 3.2.2.3 中值滤波攻击
• 3.2.2.4 高斯噪声攻击
• 3.2.2.5 抖动攻击
• 3.2.2.6 亮度攻击
• 3.2.2.7 缩放攻击
• 3.2.2.8 剪切攻击
• 3.2.2.9 多水印攻击
• 3.2.2.10 直方图调整攻击
• 3.3 基于内容分类的乘性最优检测方案
• 3.3.1 图像块内容的分类
• 3.3.2 模型拟合度的分析
• 3.3.3 乘性水印的最优检测
• 3.3.3.1 一致最优检测
• 3.3.3.2 局部最大势检测
• 3.3.4 实验分析
• 3.3.4.1 一致最优检测
• 3.3.4.2 局部最大势检测
• 3.4 结论
• 第4章 抗几何攻击的半盲水印方案
• 4.1 引言
• 4.2 抗几何攻击的半盲水印系统
• 4.3 Harris角点检测器
• 4.4 角点匹配
• 4.4.1 关于几何攻击问题的描述
• 4.4.2 初始匹配
• 4.4.3 精确匹配
• 4.4.3.1 采样数目
• 4.4.3.2 角点规范化
• 4.4.3.3 决策规则
• 4.4.4 匹配实验结果
• 4.5 水印嵌入和检测方案
• 4.5.1 水印嵌入
• 4.5.1.1 人类视觉模型的改进
• 4.5.1.2 水印嵌入算法
• 4.5.2 水印检测
• 4.5.2.1 水印检测算法
• 4.5.2.2 水印检测步骤
• 4.6 实验结果
• 4.6.1 改进人类视觉模型的评估
• 4.6.2 半盲抗几何攻击方案的评估
• 4.7 结论
• 第5章 半脆弱的多特征水印认证方案
• 5.1 引言
• 5.2 安全认证方案的分析与设计
• 5.2.1 安全分析
• 5.2.1.1 认证集合定义
• 5.2.1.2 基于内容半脆弱认证的安全分析
• 5.2.1.3 基于内容脆弱认证的安全分析
• 5.2.1.4 独立内容的水印认证安全分析
• 5.2.2 认证设计规则
• 5.3 小波域的安全多媒体水印认证
• 5.3.1 多特征水印认证系统构架
• 5.3.2 水印生成算法
• 5.3.2.1 全局特征提取
• 5.3.2.2 全局水印生成
• 5.3.2.3 局部特征提取
• 5.3.2.4 局部水印生成
• 5.3.3 水印嵌入和提取算法
• 5.3.4 认证方法
• 5.3.5 认证系统安全分析
• 5.3.6 实验结果
• 5.3.6.1 多特征鲁棒性评估
• 5.3.6.2 认证攻击实验
• 5.4 结论
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文