基于数字水印的图像信息安全技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.87MB 59 页 15积分

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摘要

近年来，互联网的迅速发展使我们的生活日新月异。信息技术在给人们生活带来便

利的同时，也带来了许多这个时代特有的困难和威胁。人们可以轻易地从网上找到多种

多样的多媒体的信息，并且这些作品的复制、修改与传播变得越来越容易。因此，如何

在享受信息乐趣的同时保护多媒体信息安全的问题就成为信息安全领域的研究重点。数

字水印是信息隐藏学科的一个分支，它的出现和发展为解决现阶段的多媒体信息安全技

术提供了很好的技术支持。数字水印技术作为一种新兴的图像信息安全保护技术，成为

了学术界的研究焦点。

本文首先分析了现阶段用于图像信息安全保护的主要技术以及优劣；对数字水印的

发展、国内外研究现状以及研究意义和应用价值做了介绍；对数字水印从概念、基本特

征、分类方法、性能评估方法和现有的经典算法等几方面做了概述；对目前数字水印技

术研究存在的问题做了简要的分析。

其次，分析了奇异值分解理论的基本性质，通过分析奇异值分解理论几何不变形的

优势，在 MATLAB 环境下实现了一种基于奇异值分解的数字水印算法。然后分析了该算

法的优劣，通过引入混沌理论改进了算法，大大提高了算法的透明性即峰值信噪比的值，

同时引入的混沌序列由一对密钥调制而成，更加随机，更加安全，保证了水印嵌入位置

的随机性和安全性。

之后，介绍了小波变换的基本理论，对小波变换的优势进行了分析。实现了基于

SVD-DWT 的算法，对小波域算法中嵌入位置、嵌入强度对算法的影响进行了比较分析，

得出将水印嵌入到低频子带中的 PSNR 值最高且稳定性最好，同时指出了传统的通过经

验以及感知分析来确立嵌入位置的不合理性，指出数字水印的研究应该更加的科学化和

标准化。为了进一步改进算法，文中尝试将水印信息平均嵌入到四个子带中，经过大量

实验验证，这种平均嵌入水印的方法比将水印信息嵌入单个子带的方法透明性更好，同

时鲁棒性也更好。

最后，介绍了双数复小波变换的优势和发展，提出了一种新的基于奇异值分解和复

小波分解的非盲数字水印算法。新的算法充分发挥了SVD与CWT双方面的优势，克服了

一般SVD分解算法对非几何攻击抵抗性差的弱点，鲁棒性得到了很大的提高。证明了基

于双数复小波变换的数字水印技术值得深入推广和研究。

关键词：数字水印图像版权保护奇异值分解离散小波变换双树复小波

变换透明性鲁棒性

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of the Internet, many changes have taken

place to our lives. Information technology makes our lives more convenience than before, as

well as brings us some unique difficulties and threats which only belong to this era. People

can easily find a variety of multimedia information from the Internet, and the copy and

modify about these works is becoming increasingly easier. Therefore, how to protect the

information security while enjoying the fun which the information sharing brings us becomes

a key issue in the information security field. Digital watermarking is a branch of information

hiding disciplines, its emergence and development provides an excellent technical support to

solve the multimedia information security problem. Digital watermarking as a new image

In the beginning of the thesis, the author introduce the main technologies for image

information security protection, then analysis their advantages and disadvantages; Then

introduce the basic theories of watermarking, including the background, concept, basic

character, classification, application and several typical watermarking algorithms. Finally,

analyzes the problems which exist in the watermarking research briefly.

In the next chapter, it analyzed the basic character and advantages of singular value

decomposition, and achieved a SVD-based digital watermarking algorithm in MATLAB7.0

environment. Then through analyzing the advantages and disadvantages of the algorithm, the

author proposed an improved algorithm by introducing chaos theory. The experiment results

proved that the algorithm greatly improved the transparency. Because the chaotic sequence is

introduced by a pair of key modulation, more random and security, that ensured the

randomness of the watermark embedding position.

Then, the thesis introduced the basic theory of wavelet transform, analyzed the

advantages of wavelet analysis, implemented a SVD-DWT based algorithm, and compared

the results of experiments through choosing different embedded position and different

embedded strength. The result shows that the transparency of the algorithm which embedding

the watermark in the low frequency sub-band is better that embedding in other sub-bands. In

order to further improve the algorithm, the paper attempts to embed the watermark

information into all four sub-bands on average. After a large number of experiments, proved

this improved method has better performance than the old methods.

Finally, the thesis introduced basic theory and advantages of the dual-tree complex

wavelet transform, proposed a new SVD-CWT-based non-blind watermarking algorithm.

Since the proposed algorithm takes the advantages of the CWT and SVD methods

simultaneously, the extracted watermarks are more robust against all mentioned attacks.

Proved that CWT-based method is worthy of further promotion and research.

Key Words: Digital watermarking, Image information security, Singular

value decomposition, Discrete wavelet transform, Dual-tree

complex wavelet transform, Transparency, Robustness

摘要

ABSTRACT

第一章绪论…………………………………………………………………………1

§1.1 引言……………………………………………………………………………1

§1.2 数字水印领域研究现状………………………………………………………2

§1.3 论文主要研究工作……………………………………………………………4

§1.4 论文结构………………………………………………………………………4

第二章图像信息安全技术…………………………………………………………..6

§2.1 图像信息安全…………………………………………………………………6

§2.2 图像信息安全技术……………………………………………………………6

第三章数字水印基本理论………………………….……………………… ………9

§3.1 数字水印概念………………………………….………………… ………….9

§3.1.1 数字水印的原理…………………………….…….………… …………..9

§3.1.2 数字水印的特征………………………………….………………………9

§3.1.3 数字水印的分类………………………………….……………………..10

§3.2 数字水印系统的设计………………………………….……………………11

§3.2.1 水印生成…………………………………………….…………………..11

§3.2.2 水印嵌入…………………………………………….…………………..12

§3.2.3 水印检测……………………………………….………………………..13

§3.3 用于版权保护的鲁棒性透明水印…………………………………………..13

§3.3.1 鲁棒性透明水印的特性………………………………………………...13

§3.3.2 典型算法及分析………………………………………………………...14

§3.4 数字水印性能评估…………………………………………………………..15

§3.4.1 数字水印算法透明性评估……………………………..………………16

§3.4.2 数字水印算法鲁棒性评估……………………………………………..18

§3.5 目前数字水印研究中存在的问题…………………………………………..18

第四章基于混沌理论的 SVD 算法研究…………………………….……………..20

§4.1 奇异值分解理论……………………………………………………………..20

§4.1.1 数字图像的奇异值分解……………………….………………………. 20

§4.1.2 奇异值分解对几何失真不变形的分析………………………………...20

§4.2 基于 SVD 的数字水印算法…………………………………………………21

§4.2.1 算法思想. ……………………………………………………………….22

§4.2.2 水印的嵌入与提取. …………………………………………………….23

§4.2.3 实验结果. ……………………………………………………………….23

§4.3 引入混沌理论改进算法. ………………………………………………...…25

§4.3.1 用混沌序列提取子图像. ……………………………………………….25

§4.3.2 改进算法嵌入和提取算法测试. ………………………………….……27

§4.3.3 改进算法的鲁棒性分析. …………………………………………….…29

§4.4 本章小结. ……………………………………………………………………33

第五章基于 SVD-DWT 的数字水印算法研究. ……………………………..……34

§5.1 小波变换理论. ………………………………………………………………34

§5.1.1 一维小波变换. ………………………………………………………… 34

§5.1.2 二维图像小波变换. …………………………………………………… 36

§5.1.3 图像经过小波变换后的系数分析. ……………………………………38

§5.2 基于 SVD-DWT 的数字水印算法. …………………………………………39

§5.2.1 算法的实现. …………………………………………………………….39

§5.2.2 研究不同的嵌入位置对算法性能的影响. …………………………….40

§5.3 水印嵌入位置的改进. ………………………………………………………42

§5.3.1 嵌入和提取算法测试. ………………………………………………….42

§5.3.2 算法的鲁棒性分析和比较. ……………………………………………43

§5.3.3 比较不同的嵌入位置水印的鲁棒性. ………………………………….44

§5.4 本章小结. ……………………………………………………………………45

第六章基于 SVD-CWT 的数字水印算法. ……………………………..…………46

§6.1 双树复小波变换. ……………………………………………………………46

§6.2 双树复小波变换的优势. ……………………………………………………47

§6.3 算法设计. ………………………………………...…………………………47

§6.4 实验结果. ……………………………………………………………………48

§6.4.1 嵌入和提取算法测试. ………………………………………………….48

§6.4.2 与前文算法的鲁棒性比较. ……………………………………………49

§6.5 本章小结. ……………………………………………………………………50

第七章展望和总结. ………………………………………………………………..51

参考文献. ……………………………………………………………………………52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果…………………………..55

致谢. ………………………………………………………………………………..56

第一章绪论

§1.1 引言

互联网近些年来的飞速发展，使得信息共享变得非常容易。信息科技给人们生活

带来的便利的同时，也带来了很多属于这个时代的特定的威胁和困难，多媒体信息的

安全问题就是信息时代带来的问题。如今社会上主要的信息来源和交流都通过网络实

现，使得信息的获得和处理变得非常容易。任何在享受信息共享乐趣的同时，保证诸

数字水印技术就是在这样的背景下诞生的一个新兴学科，它主要研究如何将水印

信息隐藏到多媒体数据，以此达到保护版权以及内容认证之类的保护效果。

有关图像的信息安全问题主要涉及两个方面：

(1)版权保护(Copyright Protection) 随着互联网络技术的发展和普及，对数字

产品的复制、下载以及修改等操作变得越来越容易，这就导致了侵犯版权的行为越来

越严重。因此，怎样有效的保护这类数字产品的版权就成为一个非常重要的问题。

(2)内容认证(Content Authentication)图像处理技术的发展使得人们对图像篡

改的能力得到了很大的提高。在很多实际应用中，内容的真实性是非常重要的，尤其

是当数字产品要被用在法庭、医学以及商业活动时，就经常需要认定数字作品的内容

的真实性，确认作品是否经过修改、是否是伪造的或者经过某种特殊处理过。

目前，应用于图像信息安全保护的技术主要有：加密技术，数字签名技术及信息

隐藏技术等。数字水印技术是信息隐藏学科的一个分支，已经成为了多媒体信息安全

研究领域的一个热点。

数字水印[1]是这样一门学科，它主要研究如何将具有一定意义的水印信息不可感

知地嵌入到多媒体数据中以此来证明产品的归属、真伪鉴别等问题。这里所讲的多媒

体数据可以是图像、声音、视频等载体，而嵌入的信息种类可以是序列、图片也可以

是文字等多种类型。

数字水印根据不同的使用目的主要可以分为两类鲁棒性水印和脆弱性水印。鲁棒

性是指水印抵抗各种攻击的能力强，这类水印主要应用于版权保护问题中，嵌入的水

印可以是产品的版权信息，这类水印即使在图像经过一些常见的攻击之后依旧能够从

载体中检测出来，证明版权的归属。脆弱水印主要用于图像内容认证领域，脆弱性是

指水印对载体的变化非常敏感，即使是微小的篡改也能通过检测出的水印反应出来，

这类算法常常能够定位图像的篡改位置。

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摘要近年来，互联网的迅速发展使我们的生活日新月异。信息技术在给人们生活带来便利的同时，也带来了许多这个时代特有的困难和威胁。人们可以轻易地从网上找到多种多样的多媒体的信息，并且这些作品的复制、修改与传播变得越来越容易。因此，如何在享受信息乐趣的同时保护多媒体信息安全的问题就成为信息安全领域的研究重点。数字水印是信息隐藏学科的一个分支，它的出现和发展为解决现阶段的多媒体信息安全技术提供了很好的技术支持。数字水印技术作为一种新兴的图像信息安全保护技术，成为了学术界的研究焦点。本文首先分析了现阶段用于图像信息安全保护的主要技术以及优劣；对数字水印的发展、国内外研究现状以及研究意义和应用价值做了介绍；...

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