数字图像的鲁棒水印研究

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3.0 高德中 2024-11-19 11 4 6.27MB 67 页 15积分

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摘要

由于网络等高速传播途径的普及与不断提速，多媒体产品也随之进入黄金鼎

盛时期，对每日呈几何级数激增的庞大多媒体数据的版权保护与真伪认证，目前

面临极为严峻的挑战。随着近几年多媒体保护技术的发展，数字水印技术以其独

特的优越性成为了解决多媒体保护这一难题的重要手段。现有文献已给出了不少

有效的嵌入方案，但还存在鲁棒性水印技术与脆弱性水印技术分开研究的误区。

故本课题针对载体图像作品，在重点研究归一化鲁棒水印的基础上，结合其特性，

围绕人眼视觉特点，对鲁棒与脆弱双水印技术进行了深入细致的研究。

针对鲁棒数字水印技术目前面临的抗几何攻击这一难题，以恢复水印同步性

为目的，通过整合图像归一化技术、整数离散小波变换、加密置乱和盲水印嵌入

等处理方法，细致分析和研究了其水印嵌入和提取的具体算法。运用常规攻击(加

噪、滤波、压缩)和破坏同步攻击(缩放、拉伸、旋转)等图像处理操作对含鲁棒水

印信号的载体作品进行试验，以验证算法达到设计要求。

运用脆弱数字水印技术对载体图像进行认证。在分析归一化鲁棒水印相兼容

的前提下，基于人类视觉模型特点，对认证和恢复两种脆弱水印的嵌入和检测做

进一步研究，并对双水印技术提高鲁棒性以二维空间条码作为探讨。运用 Windows

自带画图板与 Adobe Photoshop 对脆弱水印算法进行了攻击实验，以测试算法在鉴

别、定位、修复方面的性能。

本课题基于 Windows 7 操作系统，编程及实验均以 MATLAB 为平台，对现存

算法中同步性抵抗进行了有益的尝试，对数字水印领域鲁棒与脆弱双水印的研究

和发展有着一定的参考意义。

关键词：鲁棒水印离散小波变换图像归一化几何攻击脆弱水印图

像认证篡改定位及修复

ABSTRACT

With the popularity of the network and other high-speed transmission paths,

multimedia products have entered into the golden period. Copyright protection and

authentication identification of huge multimedia data are currently facing very serious

challenges. With the development of multimedia protection technologies, digital

watermarking has its unique advantages as an important way to solve multimedia

protection. The existing literature has a lot of watermarking schemes, but it’s incomplete

to study robust of the watermarking technologies and fragile of the watermarking

technologies separately. On the basis of studying normalized robust watermarking,

combined with the properties of the human visual, this paper focuses on the robust &

fragile dual watermarking technology in depth and detail.

Robust digital watermarking is currently facing the problem of resistance to

geometric attacks. In order to recover synchronization of the watermarking, this paper

uses image normalization techniques, integer discrete wavelet transform, scrambling

and blind watermark technologies, studying on robust watermark embedding and

extraction algorithm. Conventional attacks (noise, filtering, compression) and

synchronized attacks (scaling, shearing, rotating) and other image processing operations

are tested for the robust watermarking signal of the carrier works to verify the algorithm

to meet the requirements of design.

The application of fragile digital watermarking technique deals with authentication

identification of the carrier image. On the basis of analyzing the compatiblility of the

normalized robust watermark algorithm, combined with the properties of human visual

model, this paper further presents the study on the embedding and detection algorithm

of certification and recovery watermarking, and using two-dimensional space codes to

improve the robustness of the dual watermarking technology. The softwares of

Windows drawing board and Adobe Photoshop attack fragile watermarking algorithm to

test the watermark scheme in identifying, locating and repairing perfectly.

This paper uses MATLAB experimental platform based on the Windows 7

Ultimate operating system, to program and test synchronization of resistance in digital

watermarking algorithm. The results show our algorithm is a beneficial attempt to

reference, research and development in the field of the robust & fragile dual

watermarking.

Key Words：robust watermarking, discrete wavelet transform, image

normalization, geometric attack, fragile watermarking, authentication

identification, tamper detection & recovery

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 课题研究背景、目的与意义 .................................... 1

§1.2 主要研究工作 ................................................ 2

§1.3 各章组织结构 ................................................ 3

§1.4 本章小结 ................................................... 3

第二章数字水印技术概述 .............................................. 4

§2.1 数字水印的基本原理和模型 .................................... 4

§2.2 数字水印分类 ............................................... 5

§2.3 数字水印的常见攻击 ......................................... 6

§2.4 常用性能评估指标 ........................................... 7

§2.5 本章小结 ................................................... 9

第三章小波的有关理论 ............................................... 10

§3.1 小波变换的含义 ............................................ 10

§3.1.1 连续小波变换 ......................................... 10

§3.1.2 离散小波变换 ......................................... 10

§3.3 整数小波变换 .............................................. 11

§3.4 本章小结 .................................................. 13

第四章基于 DWT 归一化鲁棒盲水印算法及实验分析 ....................... 14

§4.1 算法的相关理论 ............................................. 14

§4.1.1 归一化技术 ........................................... 14

§4.1.2 图像置乱技术 ......................................... 15

§4.2 基于归一化的鲁棒数字水印算法设计 .......................... 16

§4.2.1 水印信号选择和预处理 ................................. 16

§4.2.2 水印信号的嵌入 ....................................... 17

§4.2.3 鲁棒水印信号的盲提取 ................................. 19

§4.3 鲁棒性测试结果分析 ........................................ 19

§4.3.1 水印算法的实验平台 ................................... 19

§4.3.2 参数设置与无攻击测试 ................................. 20

§4.3.3 隐蔽性与通用性分析 ................................... 22

§4.3.4 常规攻击分析 ......................................... 24

§4.3.5 同步性攻击分析 ....................................... 31

§4.4 实验结果分析 ............................................... 36

§4.5 本章小结 .................................................. 37

第五章基于版权保护和图像认证的双水印算法 ........................... 38

§5.1 双水印算法相关理论 ......................................... 38

§5.1.1 二维空间条码技术 ..................................... 38

§5.2 图像认证双水印算法设计 .................................... 39

§5.2.1 认证水印生成与预处理 ................................. 39

§5.2.2 修复水印生成 ......................................... 40

§5.2.3 水印嵌入算法 ......................................... 41

§5.2.4 脆弱水印的盲提取算法 ................................. 43

§5.3 鲁棒与脆弱双水印测试结果分析 ............................... 44

§5.3.1 归一化鲁棒水印兼容性 ................................. 47

§5.3.2 视觉可见篡改 ......................................... 49

§5.3.3 主观不可辨篡改 ....................................... 53

§5.3.4 版权争议篡改 ......................................... 57

§5.4 实验结果分析 .............................................. 58

§5.5 本章小结 .................................................. 58

第六章总结与展望 ................................................... 59

§6.1 总结 ...................................................... 59

§6.2 展望 ...................................................... 59

参考文献 ............................................................ 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 63

致谢 .............................................................. 64

第一章绪论

§1.1 课题研究背景、目的与意义

近年来，随着电气系统信息化的迅速发展和互联网的日益普及，各种形式的

电气信息交流达到了前所未有的广度和深度，给信息的交互工作带来了巨大的便

利，其以数字化为媒介复制简单、传输迅速，显著地提高了信息表达的效率和准

确性。但由于电气信息中大量数位化内容(包括文本文档、图像、音频、视频)存

在极易被非法盗用、拷贝、篡改等不利因素。非法使用者在未经授权许可的情况

下，通过网络对其肆意复制和传播，甚至恶意的篡改具有重要使用价值的电气数

据。这使得与数字网络和多媒体信息密切相关的版权侵犯问题快速激增，使电气

产品的信息安全问题以及版权认证问题成为日益严峻的社会性问题。因此在网络

大环境下，保护电气机构的产权和用户信息的安全变得迫在眉睫，采用多种手段

对电气数据进行有效的保护、对非法侵权者进行严厉的惩罚变得尤为紧迫和重要，

必须切实执行刻不容缓。

对于解决电气系统信息安全和版权保护问题，传统的保护手段是对作品采取

访问控制，或者是采用加密技术、及数字签名等密码学（Cryptography）加密措

施。加密技术，一般是配合密钥把明文加密成密文再进行发布和传输，达到隐藏

信息内容的目的，其可以解决安全传输，达到访问控制。但这种方法并不能彻底

有效地解决问题，一方面由于密文的可阅读性极差大大影响了原始信息的合理传

播，另一方面密文一旦被用户接收继而被解密后又转化回明文，内容完全透明，

将不再受到安全保护，可以被任何人随意盗用、拷贝和篡改，更无法幸免于侵权

与盗版等非法行为。因此访问控制和加密技术无法彻底有效地防止数据被非法使

用，所以，只依靠密码学技术不能为电气系统提供一个有效的安全保护屏障。

在这种情况下，信息隐藏技术开始逐渐引起人们的关注。所谓“信息隐藏”，

是为了掩饰有用信息的存在，将其隐藏于其他无用的或不重要的信息中。这种把

某种信息隐藏在另一种信息中的思想最早可以追溯到古希腊，当时的隐写术就是

如此。其形式包括利用特制墨水传递消息，用“藏头诗”秘密通信等。随着信息

时代的到来和数字化产品的出现，这些悠久的思想又呈现出新的表现形式。

数字化水印技术是信息隐藏技术研究领域中一个极为重要的分支，是一种极

为有效的对数字化产品版权保护和数据安全维护的技术。其与常见的印刷防伪水

印工作原理类似，是将信息嵌入到图像，视讯，音讯及文本文档等多媒体载体作

品中，在开放网络环境下保护版权和认证作品完整性。这一技术正好弥补了密码

学技术，由于将版权保护信息嵌入到原始数据并作为原始数据的一部分而保留其

中，因而即使在解密之后仍可以对数据的复制和传输进行动态跟踪，从而实现了

数字图像的鲁棒水印研究

对数字化产品的有效保护。

目前，随着数字化水印技术研究的深入，人们逐渐认识到，在数学模型以及

实现技术方面都还没有达到产品化的成熟，以版权保护为目标的鲁棒性水印、和

以完整性保护为目标的脆弱性水印，被人们下意识的划分开区别进行深入研究；

而对两者综合的、有机统一的、全局的研究较为淡漠，这对于数字化水印的发展

极为不利。

在电网数据传输过程中数字图像数据占有很大的比例，它还是其它视频媒体

的基础，因此研究数字图像水印技术在数字化信息安全领域占有相当重要的地位。

本文在研究鲁棒性水印的基础上，以其算法的优越性结合脆弱水印的完整性保护

的特点，提出一种既可有效抵抗几何失真，又可以对多媒体内容完整性进行认证

的鲁棒脆弱双水印算法。这类研究是图像信息安全研究领域目前的难点。它所具

有的理论意义和学术价值巨大，对保护电气系统信息安全意义重大。

§1.2 主要研究工作

本课题根据国内外学者专家对数字水印技术的研究动态，对鲁棒和脆弱两种

水印技术做了深入而细致的研究，围绕《数字图像的鲁棒水印研究》这个课题，

提出鲁棒脆弱双水印算法。

论文主要做了以下研究工作：

1) 完整全面地分析了数字水印技术现有的理论及有效的算法。详细研究了数

字水印算法的基本原理、模型框架、分类、攻击以及水印的评估方法，了解数字

水印领域国内外的研究现状并在其中阐述笔者的想法；

2) 提出归一化鲁棒盲水印算法。针对现有鲁棒性水印的不足，利用图像归一

化所具有的几何不变性，提出一种新的鲁棒盲水印算法，其对常规信号处理和几

何攻击有很强的鲁棒性，尤其在缩放攻击、拉伸攻击和抵抗任意角度旋转攻击方

面效果更为显著。本课题所提出的水印算法大大提高了现有水印算法对于旋转攻

击的鲁棒性，有很重要的现实意义；

3) 提出鲁棒脆弱双水印算法。脆弱水印算法是一种对载体作品进行篡改、定

位及有效修复的算法，该算法借助水印具有的脆弱性，可鉴别载体图像真伪、准

确定位被篡改区域，并能在一定程度上对受损区域进行恢复。在研究鲁棒水印抵

抗几何攻击的基础上，结合脆弱水印算法，最终达到鲁棒脆弱双水印技术的实现。

4) 双水印技术程序的设计和实现。通过 Windows 7 Ultimate 操作系统和

MATLAB 实验平台，实现课题中双水印的嵌入、检测、提取、篡改、定位和修复

等功能。

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摘要：

摘要由于网络等高速传播途径的普及与不断提速，多媒体产品也随之进入黄金鼎盛时期，对每日呈几何级数激增的庞大多媒体数据的版权保护与真伪认证，目前面临极为严峻的挑战。随着近几年多媒体保护技术的发展，数字水印技术以其独特的优越性成为了解决多媒体保护这一难题的重要手段。现有文献已给出了不少有效的嵌入方案，但还存在鲁棒性水印技术与脆弱性水印技术分开研究的误区。故本课题针对载体图像作品，在重点研究归一化鲁棒水印的基础上，结合其特性，围绕人眼视觉特点，对鲁棒与脆弱双水印技术进行了深入细致的研究。针对鲁棒数字水印技术目前面临的抗几何攻击这一难题，以恢复水印同步性为目的，通过整合图像归一化技术、整数离散小波变换、...

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