非对称数字图像水印技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.69MB 55 页 15积分

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摘要

随着多媒体技术和互联网的快速发展，人们可以方便、快捷地从网络获取大

量的数字信息，因此数字作品的版权保护越来越受到人们的重视。利用数字水印

技术能够较好的保护数字作品的版权。数字水印主要分为对称水印和非对称水印，

对称水印因其嵌入密钥和检测密钥相同，水印的安全性难以保证。非对称水印技

术可以弥补对称水印技术的这一缺陷。本文主要分析和研究了非对称水印算法。

本文首先探讨了数字水印的基本理论，并详细论述了非对称数字水印技术，

分析了非对称数字水印技术的优势，列举了现有的一些典型的非对称水印方案。

分析和研究了 Walsh 序列和 Logistic 混沌映射以及图像奇异值变换的特性，提

出了一种基于 DCT 中频系数的分块奇异值非对称数字水印算法。本算法利用离散

余弦变换的中频系数和图像奇异值变换的稳定性，用 Logistic 混沌映射和 Walsh

序列构造嵌入水印，采用相关值计算方法对水印进行检测。理论分析和实验结果

表明，该非对称水印算法检测性能良好，对加性噪声、有损压缩、裁剪等攻击都

具有很好的鲁棒性。

在分析了 Arnold 图像置乱和扩频调制技术后，提出了一种基于扩频调制和多

水印的非对称水印算法。该算法分别以不同的二值标示图像为公钥水印和私钥水

印，对公钥水印和私钥水印进行预处理后，用不同的沃尔什序列分别对其进行扩

频调制来构造嵌入水印。水印嵌入到载体图像的 DWT 变换的低频子带的 DCT 中

频系数上。水印检测时，利用不同的 Walsh 序列分别对公钥水印和私钥水印进行

解扩，从而实现非对称检测。仿真实验表明，该非对称水印算法检测性能良好，

具有很强的鲁棒性。

关键词：非对称水印 Logistic 混沌映射 Walsh 序列奇异值分解多水

印扩频调制

ABSTRACT

With the rapid development of multimedia technology and internet, people can

easily obtain large amounts of digital information from the internet, so people pay more

attention to the copyright protection of digital works. Digital watermarking technology

provide a good solution for copyright protection of digital works. Because the

embedding and detecting keys are the same, the symmetric watermarking is hard to

ensure the security of the watermark. Asymmetric watermarking technology can make

up for this defect of symmetric watermarking. This article mainly analyze and focus on

the asymmetric watermarking algorithm.

Firstly,the basic theoretical knowledge of digital watermarking is introduced.Then

the advantages of asymmetric watermark algorithms are analyzed, and some of the

classical asymmetric watermarking schemes are listed in this article.

Analyze and research the characteristics of Walsh sequences and Logistic chaotic

mapping and image singular value decomposition, the article proposes an asymmetric

digital watermarking algorithm based on singular value of DCT coefficients block. This

algorithm uses the Logistic chaotic map and Walsh sequences to construct the

embedded watermark. and the correlation value calculation method is used to detect the

watermark. Theoretical analysis and experimental results show that the asymmetric

watermarking algorithm has a good detection performance and robustness.

Analyze the Arnold image scrambling and spread spectrum modulation technology,

this article put forward an asymmetric watermarking algorithm based on

multi-watermarks and spread spectrum modulation. The algorithm uses different binary

images as public key watermark and private key watermark. Then Walsh sequences are

used to spread spectrum modulate them respectively to construct the embedded

watermark. Using different Walsh sequences to despread the public watermarking and

the private key watermark respectively, so as to realize asymmetric detection. The

experimental results show that this asymmetric watermarking algorithm has strong

robustness and excellent detection performance.

Key words: Asymmetric watermark, Logistic chaotic mapping, Walsh

sequence, Singular Value Decomposition, Multi-watermarks, Spread

spectrum modulation

摘要

ABSTRACT

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

1.1 研究的背景和意义............................................................................................1

1.2 数字水印技术的国内外发展现状....................................................................2

1.3 论文的主要工作及结构安排............................................................................2

第二章数字水印的基本理论.........................................................................................4

2.1 数字水印概述....................................................................................................4

2.1.1 数字水印的分类.....................................................................................4

2.1.2 数字水印的应用.....................................................................................6

2.1.3 数字图像水印的基本模型.....................................................................7

2.1.4 数字水印的性能指标.............................................................................8

2.2 水印的嵌入与检测............................................................................................9

2.2.1 水印的嵌入准则.....................................................................................9

2.2.2 水印的检测算法...................................................................................10

2.3 数字水印面临的攻击......................................................................................10

2.4 本章小结..........................................................................................................12

第三章非对称数字水印技术.......................................................................................13

3.1 非对称水印技术概述......................................................................................13

3.1.1 非对称水印的基本特征.......................................................................13

3.1.2 非对称水印基本框架...........................................................................13

3.1.3 非对称水印算法的优势.......................................................................14

3.2 对非对称水印的攻击......................................................................................14

3.3 非对称水印经典算法......................................................................................15

3.3.1 基于扩频的非对称水印方案...............................................................15

3.3.2 基于特殊变换的非对称水印方案.......................................................16

3.3.3 基于线性不可逆变换的非对称水印方案...........................................18

3.3.4 基于线性可逆变换的非对称水印方案...............................................18

3.3.5 基于单向信号处理函数的非对称水印方案.......................................20

3.4 本章小结..........................................................................................................21

第四章 DCT 系数的分块奇异值非对称水印算法 ......................................................22

4.1 Walsh 序列 ........................................................................................................22

4.2 Logistic 映射 .................................................................................................... 22

4.3 奇异值分解......................................................................................................24

4.4 DCT 系数的分块奇异值非对称水印算法 ......................................................25

4.4.1 非对称水印的构造...............................................................................25

4.4.2 水印的嵌入...........................................................................................26

4.4.3 水印的检测...........................................................................................26

4.5 性能分析..........................................................................................................27

4.6 本章小结..........................................................................................................31

第五章多水印与扩频调制相结合的非对称水印算法...............................................32

5.1 Arnold 图像置乱 .............................................................................................. 32

5.1.1 Arnold 置乱算法的原理 ...................................................................... 32

5.1.2 图像置乱技术的特点及优点...............................................................32

5.1.3 Arnold 置乱的恢复 ............................................................................... 33

5.2 扩频调制技术..................................................................................................34

5.2.1 扩频调制技术的理论基础...................................................................34

5.2.2 扩频通信的特点...................................................................................35

5.3 多水印与扩频调制相结合的非对称水印算法..............................................35

5.3.1 水印的预处理.......................................................................................36

5.3.2 水印的嵌入...........................................................................................36

5.3.3 水印的检测...........................................................................................37

5.4 性能分析..........................................................................................................38

5.5 本章小结..........................................................................................................45

第六章结论与展望.......................................................................................................47

6.1 结论..................................................................................................................47

6.2 展望..................................................................................................................48

参考文献.........................................................................................................................49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................52

致谢...............................................................................................................................53

第一章绪论

1.1 研究的背景和意义

近年来，随着多媒体技术和互联网的迅猛发展，数字多媒体技术得到了广泛

的传播。人们可以随时随地的通过各种电子产品（手机、电脑等）连接互联网，

方便、快捷地在网络上发布、下载各种多媒体信息，或者进行数字产品的网络交

易。由于数字产品拷贝方便、传输快捷等因素，因而，不法份子可以轻易的对他

人的数字作品进行非法传播和盗版。这些非法行为极大的侵害了数字作品创作者

的版权，给数字作品的发行商造成高额的经济损失，严重影响了数字产品交易的

市场秩序。因此，人们越来越重视数字作品的安全问题。怎样才能有效的保护数

字产品的安全，已经成为一个刻不容缓的研究课题。

对数字作品进行保护，一般的方式是使用加密技术对其加密。但对数字作品

加密后，只有知道密钥的人才能正常读取，这不便于数字作品的公开发布。此外，

如果加密密钥过于简单，将极易被非法攻击者解密，加密密钥过于复杂，将加大

算法的计算复杂度，不利于实际应用。但随着计算机计算能力的迅速增加，提高

加密方法的安全性靠增加密钥的复杂度是不可行的。

数字水印[1-3]可以很好的填补加密技术对多媒体数据保护的欠缺，成为保护数

字产品版权的一种有用的技术措施。数字水印技术是利用相应的方法，在载体数

据中加入某些具有特定含义的信息（如商标、校徽、签名等），而不影响原始数

据的视听效果，通过相应的水印提取算法，可以检测出所嵌入的水印信息，将检

测出的水印信息作为申诉版权的依据，从而达到版权保护的目的。此外，通过对

水印的检测和分析，能够实现对数字作品的认证、篡改检测、非法传播进行跟踪、

拷贝控制和访问控制等功能。

根据嵌入和检测时使用的密钥是否一样，可将数字水印分为对称水印和非对

称水印[4,5]。本文主要研究的是非对称数字图象水印技术。在非对称水印系统中，

水印嵌入的密钥（私钥），不同于水印检测的密钥（公钥），利用公钥也无法推

导出私钥。使用私钥将水印添加到载体数据中，而在提取水印时，则使用公钥。

在著作权存在纠纷的时候，著作权人不暴露自己的密钥，也可以使用公钥进行检

测。水印攻击者纵然知道了检测公钥，他仍旧没法推导出私钥，从而提高了水印

的安全性。因此非对称水印技术更贴近实际应用，研究非对称水印算法具有十分

重要地意义。

上海理工大学硕士学位论文

1.2 数字水印技术的国内外发展现状

Van Schyndel 于1994年在ICIP 会议上发表了一篇题为“A digital watermark”[6]

的文章,其中详细阐明了数字水印的相关概念。自此，数字水印技术的研究拉开了

序幕。

近年来，数字水印技术方面的研究发展很快。国际上，有很多研发机构已经

对数字水印技术展开了较为深入的研究。这些研究机构包括国家政府部门，知名

的大公司，还有世界各大名校。世界各国还建立了一些专业的研发机构。一些极

具影响力的国际学术会议和权威性的期刊杂志，也先后出版了一些关于数字水印

技术的高质量的学术文章。

我国对数字水印技术的发展也十分重视，有很多实力雄厚的科研单位投入到

这一领域的研究中来。1999年12月，我国信息安全领域的一些专家和学者与相关

研究单位联合组织召开了第一届信息隐藏技术研讨会。这次会议的召开，标志着

我国信息隐藏技术研究的开始，将使得我国的数字水印技术得到快速的发展。2000

年01月，我国高校的一些专家学者和多家科研单位，一起组织召开了有关数字水

印技术方面的学术研讨会。此外，国家自然科学基金也大力支持全国各大高校进

行数字水印技术方面的研究。到目前为止，我国的信息隐藏技术研讨会总共召开

了十一届。多届学术会议的召开，推动了数字水印技术的研究与应用。目前，我

国已经有一些公司专门从事水印产品的生产。例如，北京华旗数码影像技术有限

责任公司就推出了自己的数字作品版权登记平台。总的来说，我国的数字水印技

术研究和世界水平基本保持同步，并且有我们自己独到的见解。

综上所述，数字水印技术在国内外还是一个较新的研究课题，虽然国内外许

多研究机构、著名高校及大公司在数字水印的研究方面取得了巨大的成就，但仍

处于研究阶段，离广泛的现实应用还有相当大的距离。更安全、更利于实际应用

的数字水印算法还有待研究者们去探索和发现。

1.3 论文的主要工作及结构安排

本文主要的研究内容为非对称数字图像水印算法。在介绍了数字水印技术的

相关理论知识后，利用沃尔什序列、Logistic混沌映射、奇异值变换、Arnold图像

置乱和扩频调制技术等的各自优点，构建了两种非对称水印算法：DCT系数的分

块奇异值非对称水印算法和多水印与扩频调制相结合的非对称水印算法。本文的

组织结构如下：

第一章：绪论。主要讲述数字水印技术的研究背景和意义，以及国内外的研

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摘要随着多媒体技术和互联网的快速发展，人们可以方便、快捷地从网络获取大量的数字信息，因此数字作品的版权保护越来越受到人们的重视。利用数字水印技术能够较好的保护数字作品的版权。数字水印主要分为对称水印和非对称水印，对称水印因其嵌入密钥和检测密钥相同，水印的安全性难以保证。非对称水印技术可以弥补对称水印技术的这一缺陷。本文主要分析和研究了非对称水印算法。本文首先探讨了数字水印的基本理论，并详细论述了非对称数字水印技术，分析了非对称数字水印技术的优势，列举了现有的一些典型的非对称水印方案。分析和研究了Walsh序列和Logistic混沌映射以及图像奇异值变换的特性，提出了一种基于DCT中频系数的分块...

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