图像逆半调及硬拷贝数字水印技术研究

论文摘要

半调技术广泛使用在打印/印刷过程中,以实现连续色调图像的二值化,生成的二值图像称为半调图。近年来,数字化图书馆的建设、印刷品的版权保护等应用需求,使得逆半调（由半调图重构连续色调图像）技术和硬拷贝水印技术成为半调处理技术的研究热点。受逆半调问题不适定性等影响,现有逆半调算法尚不能满足快速重建优质图像的应用要求；而半调图的特殊性和打印-扫描过程的复杂性,也使得硬拷贝水印的现有成果与高防伪力度、低成本的应用需求有较大差距。本文针对误差分散半调图,着重研究进一步有效提高逆半调和硬拷贝水印性能的方法,在矢量逆半调、灰度逆半调、半调硬拷贝水印、连续色调硬拷贝水印四个方面提出了新的策略,提高了逆半调算法的实用性、智能性,改善了水印的不可见性和鲁棒性。通过分析矢量半调图,发现去除各颜色通道间的相关性十分关键,基于去除相关性这一思想,提出了矢量半调图的边缘检测算法和一种矢量逆半调方法。前者通过构造包含边缘信息的灰度图像,设计多尺度边缘检测模板,实现了快速提取图像边缘并抑制半调噪声的目标。该算法直接对半调图进行边缘检测,为进行硬拷贝水印提供了支持。后者利用矩阵增益模型,证明矢量逆半调问题可等效为相关性高频噪声的去除问题,通过构造去相关算子和去噪算子来获得逆半调图像,较标量方法能更准确地重建连续色调图。另外,为衡量彩色逆半调图像的质量,给出了颜色相似度和杂色直方图两个客观评价指标。在灰度逆半调技术研究中,针对Bayesian算法以误差分散核为先验、时空复杂度高等不足,提出了基于最大后验概率的逆半调算法。该算法基于线性增益模型和图像分类策略构造去噪预处理器,可根据图像内容在保持图像边缘信息的同时滤除噪声,消除了误差核的先验限制；采用矩阵运算估计逆半调图像,降低了时、空开销,增强了算法的实用性。针对半调图黑灰区域存在的“有界循环”现象,提出了一种基于人眼视觉系统的逆半调算法。该算法通过建立半调图与连续色调图的定量关系,对不同的区域采用分治策略,有效抑制了黑灰区域噪声。具有简单易行、速度快,视觉效果改善明显等特点,其峰值信噪比等指标也有明显的提高。同时还提出一种自适应逆半调算法,引入噪声粒度反映不同误差核的影响,构建了半调噪声到脉冲噪声的转换模型,并采用中值滤波进行逆半调,有较好的普适性。较系统地研究了半调图的硬拷贝水印算法。针对实际应用中有时不能获知连续色调图,提出了基于人眼视觉特性的直接嵌入方法,它充分考虑了人眼视觉特性,基于r-位滤波器嵌入和提取水印。r-位滤波器和位卷积的应用,能显著提高水印的嵌入容量,进而提高算法抵抗打印-扫描攻击的能力。对于可获知连续色调图的具体应用,分别针对灰度图和彩色图,提出了基于变阈值量化误差分散的硬拷贝水印算法和彩色半调的空域自适应硬拷贝水印算法。前者要求半调图具有绿噪声特性,以抵抗打印、扫描攻击,通过构建水印模板和变化量化阈值来实现水印的嵌入。后者首先选择相似性小的两个颜色集合代表二值水印,使用视觉均匀色彩空间,以颜色相似性为准则,分两步自适应搜索最优半调矢量。实验表明,上述两个算法产生的含水印半调图纹理均匀,不可见性和鲁棒性均有所增强,可用于替代打印机内部的半调算法。本文还针对普通用户,设计了不要求改变半调过程,仅在连续色调图中嵌入水印的硬拷贝水印算法。它利用打印-扫描过程对频域系数极性影响较小这一特点,定义极性序列、构建二值序列代表水印,使用极性调制模型调制序列间的相关系数以嵌入水印,使嵌入水印具有较好的不可见性,对亮度、对比度、裁剪、拼接、打印-扫描攻击及后处理攻击均有较强的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 半调技术的起源与发展
• 1.1.1 模拟半调
• 1.1.2 数字半调
• 1.2 研究背景和意义
• 1.2.1 逆半调技术的研究背景和意义
• 1.2.2 硬拷贝数字水印技术的研究背景和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 逆半调技术的国内外研究现状
• 1.3.2 硬拷贝数字水印的国内外研究现状
• 1.4 本文的研究内容与结构
• 1.5 本文的主要贡献
• 第二章 数字半调技术
• 2.1 数字半调的基本原理
• 2.2 数字半调的相关理论基础
• 2.2.1 人眼视觉系统模型
• 2.2.2 打印机模型
• 2.2.3 色彩空间
• 2.3 数字半调技术的分类
• 2.3.1 按加网方式
• 2.3.2 按运算方式
• 2.4 数字半调的典型方法
• 2.4.1 灰度半调的典型方法
• 2.4.2 彩色图像半调的典型方法
• 2.4.3 典型半调方法的图像举例
• 2.5 小结
• 第三章 误差分散逆半调及硬拷贝数字水印技术简介
• 3.1 误差分散半调图像的特性分析
• 3.1.1 空域特性
• 3.1.2 频域特性
• 3.2 逆半调技术的原理及现有算法
• 3.2.1 逆半调技术的原理和分类
• 3.2.2 逆半调技术的难点
• 3.2.3 现有逆半调方法
• 3.3 硬拷贝数字水印技术的原理及现有算法
• 3.3.1 硬拷贝数字水印的原理及分类
• 3.3.2 硬拷贝数字水印的特殊性
• 3.3.3 现有硬拷贝数字水印方法
• 3.4 现阶段研究存在的问题
• 3.5 小结
• 第四章 彩色半调图像的边缘检测方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 边缘检测方法的回顾及分析
• 4.3 颜色通道相关性的去除及灰度图像的构造
• 4.3.1 K-L变换
• 4.3.2 灰度图像的构造
• 4.4 多尺度检测模板的构造
• 4.5 实验结果及分析
• 4.6 小结
• 第五章 灰度误差分散逆半调技术研究
• 5.1 基于最大后验概率的逆半调改进算法
• 5.1.1 算法设计
• 5.1.2 算法实现
• 5.1.3 实验结果与分析
• 5.2 有效抑制黑区域噪声的逆半调算法
• 5.2.1 问题的提出
• 5.2.2 基于人眼视觉系统的逆半调算法
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.3 一种自适应误差分散逆半调算法
• 5.3.1 HDHK噪声特性分析
• 5.3.2 基于L金字塔的逆半调算法基础
• 5.3.3 基于L金字塔的逆半调算法设计
• 5.3.4 实验结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 矢量误差分散逆半调技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 彩色逆半调效果的客观评价指标
• 6.2.1 颜色相似度
• 6.2.2 杂色直方图
• 6.3 基于矩阵增益模型的矢量逆半调算法
• 6.3.1 算法思想
• 6.3.2 算法实现
• 6.3.3 实验结果与分析
• 6.4 小结
• 第七章 硬拷贝数字水印技术研究
• 7.1 基于视觉特性的半调图像水印算法
• 7.1.1 半调图像水印算法基础
• 7.1.2 半调图像水印算法
• 7.1.3 实验结果与分析
• 7.2 基于变阈值量化误差分散的半调水印算法
• 7.2.1 打印-扫描过程对图像的影响
• 7.2.2 半调图像水印算法
• 7.2.3 实验结果与分析
• 7.3 一种彩色半调的空域自适应水印算法
• 7.3.1 算法思想
• 7.3.2 水印的嵌入和提取
• 7.3.3 实验结果与分析
• 7.4 基于极性调制的硬拷贝数字水印算法
• 7.4.1 算法思想
• 7.4.2 预备知识
• 7.4.3 算法实现
• 7.4.4 实验结果与分析
• 7.5 小结
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间的学术论文及科研成果
• 一、发表论文情况
• 二、参加科研情况
• 三、攻读博士学位期间的获奖情况