半色调图像的鲁棒水印技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.69MB 70 页 15积分

侵权投诉

摘要

随着互联网技术的发展和数字作品的普及，人们在享受科技带来便利的同时，

也饱受非法复制等的侵害，传统出版业受盗版的影响也日益加剧，与之相匹配的

版权保护工作需要与时俱进。数字水印是保护版权信息的一种重要手段，半色调

水印是数字水印研究中的一个重点方向。半色调图像因为自身非白即黑的特点，

相对应的研究和发展有限，而半色调图像又广泛存在于受盗版侵害严重的印刷出

版行业，亟需找到适合半色调图像特点的鲁棒水印进行版权保护工作。本文主要

研究基于半色调图像的鲁棒水印。

本文从理论和应用角度出发，理论分析了半色调算法和水印系统，研究半色

调水印的特点，选取加水印后半色调化的流程，以灰度图像为载体，降低了提取

水印时的难度，采用频率域算法和奇异值分解，结合人眼视觉系统的特点，在图

像的特征区域和图像的部分特征点区域分别进行全息水印的嵌入和提取，保障水

印的不可见性、鲁棒性及水印容量。本文主要进行了以下研究。

1、详细介绍了灰度图像的三种半色调算法，模式抖动、误差扩散、点扩散。

从理论和实验两方面，分析发现点扩散算法的半色调化结果最优。此外，还介绍

了水印及半色调水印的基本理论，明确了半色调水印系统应该满足的要求。

2、介绍了光全息技术和全息水印的原理并对其进行半色调攻击实验。全息水

印以其“碎片恢复全貌的”的特性，具有较好的抗裁切能力。本文采用双随机相

位加密全息水印算法，利用两个随机模板 p、b作为秘钥，提高了算法的安全性。

同时进行了全息水印抗半色调攻击的实验，采用半色调前嵌入水印实验思路，验

证了点扩散算法相比误差扩散和实际打印在全息水印提取方面具有优越性。

3、半色调水印牵涉到打印-扫描过程，而打印-扫描过程严重攻击了图像质量，

特别会引起几何畸变，给水印提取增大了难度。为了降低几何畸变对水印提取的

影响，本文采用点连接法对图像几何畸变进行畸变校正，首先对图像进行预处理，

放大几何畸变，进行图像增强、边缘检测和轮廓提取，然后利用点连接法确定校

正直线，从而完成图像几何畸变的校正。实验证明，本文中的几何畸变校正算法

比Photoshop 更适宜批量自动校正畸变，适合嵌入到软件和扫描仪中，有较强的实

用性。

4、研究了 K-means 均值，将图像分为细节信息的前景区和边缘信息的背景区，

根据人眼视觉系统的特点，结合具有抗旋转能力的奇异值分解处理，增强了图像

的抗裁切和抗旋转能力。在图像边缘区域嵌入水印不易被人眼识别，所以在图像

背景区结合小波变换和奇异值分解，进行双随机相位加密全息水印的嵌入，实验

证明，在一定程度上此算法能够满足抗旋转攻击和裁切攻击，适合进行版权保护。

5、研究了基于图像特征点区域的水印算法。不是所有的边缘区域均适合水印

嵌入，为了改进这一问题，研究了基于图像特征点区域的水印算法。首先确定图

像的特征点，Harris 角点检测算法简单，但不能适应不同尺度的变换，本文采用在

此基础上发展而来的 Harris-Laplace 特征点提取算法，利用 LoG 金字塔适应尺度

变化，找到特征点，构造水印嵌入区域，然后利用双随机相位加密全息水印算法，

结合小波变换和奇异值分解，进行水印的嵌入和提取。此算法嵌入到图像的部分

区域，具有良好的抗几何攻击能力，适于印刷和打印。

关键词：半色调水印双随机相位加密小波变换图像边缘特征点

ABSTRACT

In 21 century, people enjoy the convenience from new science and technology, also

suffer the hurt from illegal copying. Piracy is growing rapidly，who brings baneful

influence to the traditional publishing industry. Copyright protection work needs to keep

pace with the times. Digital watermarking is a kind of important means to protect the

of digital watermarking. Due to its efficient, convenient and economy, digital

watermarking has got great attention from experts and scholars, also obtained great

development. Research and development on halftone image was limited because of non

white or black. But the halftone image exists widely in industry of printing and

publishing, who suffer piracy seriously. It is urgent to find a robust watermarking for the

for halftone images.

This paper states views from theory and application, theoretically analysis

the halftone algorithm and watermarking system. To realize embedding and extraction

of holographic watermark in the area of feature and points characteristics, studying

characteristics of the halftone image, gray image as the carrier, using the frequency

domain algorithm and singular value decomposition, combined with the characteristics

of human visual system. Ensure the invisibility of the watermark and the watermark

capacity, robustness. The main study contents are as follows:

1. Three kinds of halftone algorithm were studied: pattern dithering, error

diffusion, point diffusion. Analysis theory and experiment, found that dot diffusion

algorithm got the best results. So halftone algorithm in this paper is diffusion algorithm.

In addition, this paper also introduces basic theory of digital watermarking, and the

halftone image watermarking system must meet these requirements.

2. Principle of optical holographic watermark is analysised. Peep one spot and

know everything. This paper adopts the double random phase encryption Holographic

Watermarking algorithm. Security of the algorithm is increased by two random

template p and b. And then verify the superiority of the dot diffusion algorithm

compared with the error diffusion and the actual printing for the holographic

watermark extraction.

3. Halftone watermarking involves the print-scan process, who will seriously

attack image’s quality, especially bring geometric distortion, increases the difficulty for

watermark’s extraction. This paper uses the connection method to correct distortion.

Firstly, preprocess the image by HE, Canny and Randon. And then use the connection

method to correct distortion. Experiments show that, the geometric distortion correction

algorithm in this paper is more suitable than Photoshop for scanning picture.

4. The K-means clustering algorithm together with human visual system, combined

with DWT and SVD, enhance the abilityto anti shear and rotation. embed double

random phase encryption holographic watermark. Experiments show that, to a certain

extent, this algorithm can satisfy the need of resisting rotation attack and cutting attacks.

It is suitable for copyright protection.

5. Watermarking based on image points feature was studied, because not all the

edge region is suitable for watermark embedding. Firstly, determine the feature points of

the image. Harris corner detection algorithm is simple, but can not adapt to the different

scale transform. This paper uses the Harris-Laplace feature point extraction algorithm

who based on Harris. Find out the image feature points, determine the watermark

embedding area, based on DWT and SVD, adopt the double random phase encryption

holographic watermarking algorithm, to finish embedding and extraction of watermark.

This algorithm is embedded into part region of the image, has a good ability to resist

geometric attacks, suitable for printing and printing.

Key Word: Halftone Watermark, Double Random Phase Encryption,

DWT, Image Feature Area, Points Characteristic

中文摘要

ABSTRACT

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

1.1 研究背景 ...................................................... 1

1.2 研究意义 ...................................................... 1

1.3 国内外研究现状 ................................................ 2

1.4 论文的研究内容和结构安排 ...................................... 5

第二章半色调算法及半色调水印技术概述 ............................... 8

2.1 半色调技术概述 ................................................ 8

2.1.1 模式抖动 ................................................... 8

2.1.2 误差扩散 ................................................... 9

2.1.3 点扩散 .................................................... 10

2.1.4 三种算法的比较 ............................................ 12

2.2 水印技术概述 ................................................. 12

2.2.1 水印的基本特性 ............................................ 12

2.2.2 水印分类 .................................................. 14

2.2.3 水印系统的构成 ............................................ 15

2.2.4 水印经典算法 .............................................. 17

2.2.5 水印系统的评价指标 ........................................ 20

2.3 半色调水印技术 ............................................... 22

2.3.1 半色调前嵌入水印 .......................................... 22

2.3.2 半色调中嵌入水印 .......................................... 23

2.3.3 半色调后嵌入水印 .......................................... 23

2.4 本章小结 ..................................................... 24

第三章全息水印抗半色调攻击的技术研究 .............................. 25

3.1 全息水印技术研究 ............................................. 25

3.1.1 光全息技术研究 ............................................ 25

3.1.2 双随机相位加密全息水印技术研究 ............................ 28

3.1.3 加密与解密实现过程 ........................................ 30

3.2 全息水印抗半色调攻击研究 ..................................... 31

3.2.1 设置对照实验 .............................................. 31

3.2.2 实验结果对比 .............................................. 32

3.3 本章小结 ..................................................... 33

第四章基于扫描图像的几何畸变算法研究 .............................. 35

4.1 图像预处理 ................................................... 35

4.1.1 图像增强 .................................................. 35

4.1.2 边缘检测 .................................................. 36

4.1.3 轮廓提取 .................................................. 37

4.2 连接点法畸变校正 ............................................. 37

4.3 畸变校正流程 ................................................. 38

4.4 Matlab 实现畸变校正 .......................................... 39

4.5 本章小结 ..................................................... 41

第五章基于图像特征的全息水印算法研究 .............................. 43

5.1 小波变换理论分析 ............................................. 43

5.2 奇异值分解 ................................................... 45

5.3 K-means 均值确定水印嵌入位置 ................................. 46

5.4 水印的实现与验证 ............................................. 47

5.4.1 水印的嵌入与提取算法 ...................................... 47

5.4.2 点扩散半色调化后测试水印性能 .............................. 49

5.5 本章小结 ..................................................... 51

第六章基于特征点区域的全息水印技术研究 ............................ 52

6.1 特征点的提取 ................................................. 52

6.1.1 Harris 特征点提取算法 ..................................... 52

6.1.2 Harris-Laplace 特征点提取算法 ............................. 53

6.2 特征点区域的的构造 ........................................... 54

6.3 基于图像特征点的全息水印算法 ................................. 55

6.3.1 水印的嵌入与提取算法 ...................................... 55

6.3.2 点扩散半色调化后测试水印性能 .............................. 56

6.4 本章小结 ..................................................... 58

第七章结论和展望 .................................................. 60

7.1 结论 ......................................................... 60

7.2 展望 ......................................................... 60

参考文献 ........................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 66

致谢 .............................................................. 67

第一章绪论

1.1 研究背景

随着计算机技术和互联网技术的飞速发展，各种现代化手段日益普及，盗版、

非法复制等不法手段能够轻易的获得高质量副本，盗版问题层出不穷，手法变化

多端，方式五花八门，严重打击了原创者的创作积极性，使得出版社、正版书店

等多方遭受了不可估计的经济损失和名誉打击[1]。打击盗版，增强反盗版能力，

需要新型防伪技术与现有反盗版手段共同投入使用。

进行防伪处理和版权信息隐藏，可以在印前阶段或数字作品阶段进行加密，

从而降低防伪信息的制作成本。图像水印的嵌入本质是改变图像像素信息，人眼

视觉有一定的可感阈值，在人眼不可察觉的范围内，对某些像素进行适当修改。

数字水印技术是一种重要的防伪手段和信息隐藏技术，在版权保护、信息防伪、

身份识别、盗版追踪等方面的重要性日益突出，显示出其不可替代的重要作用。

适于平面印刷出版的数字作品经打印输出时，存在由连续调向半色调的转变

的过程，所谓半色调技术，简单来讲就是利用二值图像表示阶调丰富的连续调图

像[2]，而保持视觉上尽量相似的技术。半色调图像只有“0”和“1”两种像素，

即不打点和打点两种状态，冗余数据量极少。半色调水印的嵌入意味着图像像素

的对调，即“1”对调为“0”，“0”对调为“1”，从根本上改变了图像信息，所以，

半色调水印嵌入方法和嵌入位置，比一般连续调图像，要求更高。

本文主要研究半色调数字水印技术，找到适合半色调图像的鲁棒水印。为了

更好的进行研究和优化，首先介绍数字水印的定义。

1.2 研究意义

1993 年，Charles Osborne 与Andrew Tirkel 共同提出了“数字水印”的概念，

数字水印（Digital Watermarking）技术是在人眼不可察觉范围内，在不影响视觉

效果和原载体使用价值的基础上，利用数字作品中的冗余信息，以直接方式或间

接方式，嵌入特定信息的手段[3]；直接方式是将数字水印标识信息直接嵌入多媒

体、文档、软件[4]等载体中；间接手段则是修改特定区域的结构；对盗版者而言，

数字水印不易破解和再次修改，具备一定鲁棒性，对生产方而言，数字水印满足

快速识别和辨认；被数字水印生产方准许的参与者（内容创作者、运营方、购买

方等）可以通过隐藏在载体中的的水印信息，实现信息溯源，保护信息安全，判

断载体是否被盗版、非法复制、篡改等。

相比利用特殊防伪纸张、油墨，加贴条形码等物理手段，半色调水印的优势

主要体现在以下几个方面，如图 1-1 所示。

上海理工大学硕士学位论文

图1-1 水印优势体现

（1）复杂度低。数字水印技术不需要特定的设备和器械，更没有复杂的加工

工艺，简单的数字水印软件即可完成水印的嵌入和提取，大大降低了流程的复杂

度，提高了劳动效率。

（2）成本低。数字水印不涉及特殊设备、器械、纸张、油墨等，与之相关的

成本几乎为零，所以防伪成本大大降低。仅需要考虑一套数字水印软件的成本和

后期更新升级费用。

（3）防伪安全度高。水印具有一定的鲁棒性和安全性，没有秘钥的前提下，

不易破解，盗版者难以复制或者在复制时很容易破坏水印原始信息。

（4）科技含量高。信息时代不能仅仅依靠简单的物理防伪手段，要利用科技

的力量，数字水印直接将版权信息在印刷流程中嵌入到半色调图像中。生产者容

易嵌入和管理，用户易于提取和检测，而盗版者却难以复制和传播。

（5）适用范围广。半色调数字水印因其便捷的可操作性和高效的安全防伪性，

广泛应用于印刷产品。只要涉及印刷、打印，半色调水印均适用，而不受设备和

承印材料的限制。

1.3 国内外研究现状

半色调图像数字水印技术自提出之际，便得到众多科研单位、学术组织、政

府部门、商业机构的研究热情。

空间域水印算法的研究起步较早，最为经典的是 LSB 算法[5]，但 LSB 算法容

易被抹除，为了增强水印的鲁棒性，W.BENDER 等人提出 PATCHWORK 方法和

纹理映射编码方法[5]；前者通过调整像素亮度嵌入水印信息，后者仅适用于纹理

细节丰富的图像且需要人工参与，无法自动识别[6]。PIT AS 等人提出盲水印的概

念，基于统计原理的空间域盲水印具有算法简单、鲁棒性强的优点，但其水印只

能是随机数列[6]，限制了水印信息的容量。常见的空间域水印算法如表 1-1 所示。

水印的优势

防伪安全度高适用范围广

复杂程度低

成本低

科技含量高

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摘要随着互联网技术的发展和数字作品的普及，人们在享受科技带来便利的同时，也饱受非法复制等的侵害，传统出版业受盗版的影响也日益加剧，与之相匹配的版权保护工作需要与时俱进。数字水印是保护版权信息的一种重要手段，半色调水印是数字水印研究中的一个重点方向。半色调图像因为自身非白即黑的特点，相对应的研究和发展有限，而半色调图像又广泛存在于受盗版侵害严重的印刷出版行业，亟需找到适合半色调图像特点的鲁棒水印进行版权保护工作。本文主要研究基于半色调图像的鲁棒水印。本文从理论和应用角度出发，理论分析了半色调算法和水印系统，研究半色调水印的特点，选取加水印后半色调化的流程，以灰度图像为载体，降低了提取水印时的难度...

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