基于数字水印的图像认证技术及其关键问题研究

论文摘要

随着网络通讯技术的飞速发展,对多媒体信息实施有效的保护成为一个迫在眉睫的现实问题。数字图像是一类具有广泛代表性的多媒体信息,它具有数据量大、冗余度高、格式繁多等特点。传统的数字签名技术对数字图像的内容保护具有很大的局限性,新兴的数字水印技术不仅能够认证图像的真实性与完整性,还可以区分恶意篡改和合法处理,并能对图像的内容篡改进行定位,为网络环境下的数字图像认证提供了一个有效的解决方案,成为近年来信息安全领域的一个研究热点。本文对图像认证水印技术中的几个关键问题展开了深入和细致的研究,提出了几种在脆弱水印、半脆弱水印、图像分块水印、二值图像认证水印方面的新算法及模型。主要研究内容与创新点如下:针对图像认证水印技术中水印的安全性与定位精度之间矛盾这一关键问题,构造了新的循环块相关结构和发散块相关结构,提出了脆弱水印算法、抗JPEG压缩水印算法和小波域半脆弱水印算法。小波域半脆弱水印算法的优点在于实现了JPEG和JPEG2000压缩的模糊认证。实验结果表明三种算法均保持了传统的块相关水印算法的安全性,克服了其定位精度低的缺陷,获得了块独立算法的定位精度,验证了循环块相关和发散块相关具有高安全性和高定位精度的优势。提出了用于多重图像认证的水印算法,通过建立新的图像块分级模型,解决了传统图像分块水印技术中定位精度单一化的问题。实验结果表明算法可对图像篡改进行多重检测与定位,并能根据实际的应用要求选择不同的定位精度,提高了图像分块水印算法的灵活性与实用性。在二值图像认证水印技术中,水印的不可见性和图像的篡改定位是目前需要解决的两个关键问题。首先定义了像素扩展差,用于衡量像素点的可翻转性,具有失真小、容量大的优点。再利用等级结构,提出了二值图像的认证水印算法。与同类算法的性能比较实验结果突现了算法在水印的不可见性、篡改的定位能力,特别是均匀区域的保护方面的优越性。建立了基于混沌系统的脆弱水印生成模型,具有较强的安全性与通用性。研究了认证水印信号的一般特性和混沌水印信号的频谱特性,提出了用于图像认证的混沌水印信号构造准则,为混沌系统在图像认证水印技术中的应用提供了进一步的研究思路。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 图像认证水印技术的研究现状
• 1.2.1 脆弱水印
• 1.2.2 半脆弱水印
• 1.2.3 二值图像认证水印
• 1.3 混沌系统在数字水印技术中的研究现状
• 1.4 论文的主要内容与结构
• 2 基于混沌系统的脆弱水印技术
• 2.1 引言
• 2.2 基于混沌系统的脆弱水印生成模型
• 2.2.1 无意义水印信号的生成模型
• 2.2.2 有意义水印信号的生成模型
• 2.2.3 混沌水印信号的特性
• 2.3 基于Logistic混沌映射的脆弱水印算法
• 2.3.1 水印的生成与嵌入
• 2.3.2 水印的提取与图像认证
• 2.4 实验结果和分析
• 2.4.1 水印的不可见性
• 2.4.2 篡改的敏感性和定位能力
• 2.4.3 虚警率与漏检率分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于块相关的认证水印技术
• 3.1 引言
• 3.2 块相关结构的建立
• 3.2.1 典型块相关结构的分析
• 3.2.2 循环块相关结构的建立
• 3.2.3 发散块相关结构的建立
• 3.3 基于循环块相关的抗JPEG压缩的半脆弱水印算法
• 3.3.1 混沌猫映射
• 3.3.2 JPEG压缩中的不变特性
• 3.3.3 算法的实现
• 3.3.4 实验结果和分析
• 3.4 基于发散块相关的脆弱水印算法
• 3.4.1 混沌序列排序法
• 3.4.2 脆弱水印算法的实现
• 3.4.3 实验结果和分析
• 3.5 基于发散块相关的半脆弱水印算法
• 3.5.1 JPEG2000压缩中的不变特性
• 3.5.2 半脆弱水印算法的实现
• 3.5.3 实验结果和分析
• 3.6 本章小结
• 4 多重图像认证水印技术
• 4.1 引言
• 4.2 基于分级模型的多重图像认证水印算法
• 4.2.1 分级模型的建立
• 4.2.2 分级模型的水印嵌入
• 4.2.3 分级模型的图像块认证
• 4.2.4 实验结果与分析
• 4.3 基于等级结构的多重图像认证水印算法
• 4.3.1 等级结构
• 4.3.2 水印的分配方法
• 4.3.3 广义定位精度与广义安全性
• 4.3.4 算法的实现
• 4.3.5 实验结果与分析
• 4.4 与现有算法的性能比较分析
• 4.5 本章小结
• 5 二值图像认证水印技术
• 5.1 引言
• 5.2 像素点可翻转性的评分准则
• 5.2.1 像素扩展差的定义
• 5.2.2 与LSPB评分准则的比较分析
• 5.3 基于等级结构的二值图像认证水印算法
• 5.3.1 算法的实现
• 5.3.2 所有者认证方案
• 5.4 实验结果和分析
• 5.4.1 水印的不可见性
• 5.4.2 篡改区域的检测与均匀区域的保护
• 5.4.3 各等级认证的漏检率分析
• 5.4.4 水印的安全性
• 5.5 与现有算法的性能比较
• 5.6 本章小结
• 6 混沌水印信号的构造准则
• 6.1 引言
• 6.2 混沌序列的统计特性
• 6.2.1 帐篷映射
• 6.2.2 自相关函数和功率谱密度
• 6.3 混沌序列的脆弱性分析
• 6.3.1 认证水印算法的检测条件假设
• 6.3.2 脆弱水印算法的检测率
• 6.3.3 半脆弱水印算法的虚警分析
• 6.4 用于图像认证的混沌水印信号构造准则
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集