数字图像水印加密算法研究及FPGA实现

论文摘要

近些年来,数字水印技术发展迅速,目前大多数水印算法是在变换域中实现。基于小波变换的数字水印技术可以在嵌入较多数据后保持水印的不可见性,但抗几何攻击能力较弱。本文基于FPGA的硬件平台,在NIOS II软核处理器上实现了一种结合9/7双正交提升小波和图像矩阵奇异值分解的彩色图像水印加密算法,旨在给出一种性能良好、既有很高的不可见性、又对常见的各种信号操作和几何操作均具有较好的鲁棒性,安全性高且便于移植和升级的水印系统解决方案。本文主要做了以下工作：(1)分析了第二代提升小波变换的性能,与变换域水印技术中最常使用的第一代小波变换相比,提升小波变换的速度大大提高且能够精确重构原始图像；(2)设计了一种水印加密算法,将小波变换后图像的低频信息进行奇异值分解,把水印信息视作扰动矩阵按一定的量加在低频信息的对角阵上,由于图像矩阵的奇异值分解对剪切、缩放、旋转等几何攻击均具有很好的鲁棒性,算法很大程度上改进了单纯小波变换域水印技术抗鲁棒性差的缺点；[3)目前多数水印算法均针对灰度图像进行设计,在实际应用中往往需要中对彩色图像进行水印加密的需求量,本文设计的算法对于彩色或灰度图像均适用；(4)水印信息的预处理采用了结合骑士巡游和Arnold置乱算法,通过对两种算法的融合,在保证对水印图像置乱能力的基础上加大了密钥数据量,大大提高了算法的安全性。实验结果表明算法在确保水印不可见性的基础上有效的增强了水印的强度和鲁棒性。实现了水印图像的盲检验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 数字水印技术应用领域
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 课题研究目的及意义
• 1.2.1 课题研究目的
• 1.2.2 课题研究意义
• 1.3 本文的主要研究内容和组织结构
• 第2章 相关知识介绍
• 2.1 数字水印原理
• 2.1.1 数字水印基本原理
• 2.1.2 数字水印系统框架
• 2.1.3 数字水印的分类
• 2.1.4 数字水印技术要求
• 2.2 数字水印的评估与攻击
• 2.2.1 数字水印的攻击方法
• 2.2.2 数字水印的性能评价
• 2.3 小波变换理论基础
• 2.3.1 第一代二维小波变换
• 2.3.2 二维Mallat算法
• 2.4 提升小波变换
• 2.4.1 一维提升小波的分解和重构过程
• 2.4.2 提升小波的特点
• 2.4.3 整数提升小波变换
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于NOIS Ⅱ的彩色图像水印算法设计与FPGA实现
• 3.1 系统软硬件开发平台
• 3.1.1 系统硬件开发平台
• 3.1.2 系统软件开发平台
• 3.2 系统总体设计
• 3.2.1 系统的需求分析
• 3.2.2 系统的总体设计
• 3.3 水印加解密模块算法性能分析
• 3.3.1 数字水印图像的预处理
• 3.3.2 提升小波性能测试及9/7提升小波构造
• 3.3.3 矩阵的奇异值分解
• 3.4 算法实现
• 3.4.1 水印嵌入位置的选择
• 3.4.2 水印的嵌入过程
• 3.4.3 水印的提取过程
• 3.4.4 算法的总体流程图
• 3.4.5 算法的参数选择
• 3.5 系统运行结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验结果与分析
• 4.1 水印的加密的不可见性和解密算法的有效性检测
• 4.2 常见的噪声攻击下算法鲁棒性验证
• 4.2.1 椒盐噪声攻击
• 4.2.2 白噪声攻击
• 4.3 旋转和剪切攻击
• 4.3.1 旋转攻击
• 4.3.2 剪切攻击
• 4.4 滤波攻击
• 4.5 JPEG2000压缩攻击
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 待解决的问题
• 参考文献
• 致谢