認(rèn)證與恢復(fù)統(tǒng)一的自嵌入水印算法及其拓展應(yīng)用研究.pdf

1、近年來,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)字多媒體己深入到社會生活的各個領(lǐng)域。這些數(shù)字作品在傳播與使用過程中很容易被攔截、復(fù)制、篡改、偽造和刪除等,這些行為破壞了多媒體信息的私有性、完整性、可信性和可用性,因此對多媒體作品實(shí)施有效的保護(hù)已成為一個急迫而又現(xiàn)實(shí)的問題。傳統(tǒng)的密碼技術(shù)和數(shù)字簽名技術(shù)對數(shù)字作品的內(nèi)容保護(hù)具有一定的局限性,而新興的數(shù)字水印技術(shù),特別是自嵌入水印技術(shù),不僅能夠認(rèn)證數(shù)字作品的真實(shí)性與完整性,還可以區(qū)分惡意篡改與

2、合法處理,并能對作品的篡改進(jìn)行定位及恢復(fù),為數(shù)字作品的認(rèn)證提供了一個有效的解決方案,成為近年來信息安全領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。
　　數(shù)字多媒體作品主要包括文本、圖形、圖像、音頻和視頻等。本論文以數(shù)字圖像為主要研究對象,重點(diǎn)研究了當(dāng)前數(shù)字水印領(lǐng)域的一個熱點(diǎn):自嵌入水印,并就現(xiàn)有的自嵌入水印算法面臨的矛盾以及自嵌入水印算法與基于信息隱藏(水印)的多媒體錯誤檢測和掩蓋算法在實(shí)現(xiàn)原理上的異同進(jìn)行了較為深入的分析、研究。主要包括以下內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

3、:
　　(1)分析了現(xiàn)有的自嵌入水印算法的特點(diǎn):認(rèn)證與恢復(fù)相分離。在這類自嵌入水印算法中,認(rèn)證信息和恢復(fù)信息獨(dú)立生成又獨(dú)立使用。通過研究自嵌入水印算法中性能評價(jià)要素間的相互約束關(guān)系,揭示了這種認(rèn)證與恢復(fù)分離的自嵌入水印算法更加凸顯了各性能評價(jià)要素間的矛盾,特別是水印容量與透明性、恢復(fù)效果、安全性、魯棒性和定位精度之間的矛盾,進(jìn)而提出了認(rèn)證與恢復(fù)相統(tǒng)一的自嵌入水印算法的全新設(shè)計(jì)思想和理念。
　　(2)圍繞將認(rèn)證信息和恢復(fù)信息相

4、統(tǒng)一,減輕水印容量壓力這個目標(biāo),提出了一個基于圖像塊間DCT系數(shù)關(guān)系的自嵌入水印算法。算法通過把圖像塊間的DCT系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系即關(guān)系系數(shù)作為水印信號,實(shí)現(xiàn)了將認(rèn)證信息和恢復(fù)信息的合二為一。算法不但能對惡意篡改和非惡意操作進(jìn)行有效甄別、對篡改區(qū)域進(jìn)行較精確恢復(fù),而且通過將實(shí)系數(shù)作為水印信號,拓展了傳統(tǒng)的二值水印概念,為各類水印算法設(shè)計(jì)在水印信號的表示上提供了新的思路。
　　(3)鑒于現(xiàn)有的自嵌入水印算法的安全性大多依靠實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)獲得,

5、缺乏可定量估計(jì)、分析的手段這一不足,在認(rèn)證和恢復(fù)相統(tǒng)一算法設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下,提出了一個基于圖像特征聚類的自嵌入水印算法。算法通過將表征圖像特征的DCT變換的直流系數(shù)和低頻系數(shù)按塊聚類,把塊聚類號引入塊索引后的碼字作為水印信息分別嵌入到本塊及其后繼塊的中頻系數(shù)中,通過這些塊聚類號之間的一致性比較實(shí)現(xiàn)篡改和惡意操作的檢測,利用遭篡改塊的原始類的中心點(diǎn)數(shù)據(jù),替換該遭篡改圖像塊以恢復(fù)其概貌。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該算法相較于現(xiàn)有的DCT域?qū)崿F(xiàn)

6、的自嵌入水印算法具有更好的篡改區(qū)域圖像恢復(fù)質(zhì)量和更強(qiáng)的抗攻擊能力,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了算法的安全性可定量估計(jì)的目標(biāo)。
　　(4)針對現(xiàn)有的基于分塊的自嵌入水印算法抗幾何攻擊的能力都較弱這一狀況,在空間域提出了一個用于對幾何攻擊類型進(jìn)行估計(jì)和恢復(fù)的輔助水印算法,借助輔水印能對常見的幾何攻擊類型進(jìn)行較精確的估計(jì)和恢復(fù),結(jié)合主水印能對各種幾何與非幾何的組合攻擊進(jìn)行有效的檢測和恢復(fù),進(jìn)一步強(qiáng)化了算法抗攻擊的能力。
　　(5)針對現(xiàn)有的多媒體錯

7、誤掩蓋算法大多缺乏錯誤檢測能力這一現(xiàn)狀,通過分析、研究自嵌入水印算法與基于信息隱藏的多媒體錯誤檢測和掩蓋算法在實(shí)現(xiàn)原理上的相通性,結(jié)合錯誤檢測和掩蓋算法的特性,在空間域和變換域提出了兩個基于特征聚類并結(jié)合信息隱藏技術(shù)的錯誤檢測和掩蓋的算法,成功地將這種認(rèn)證與恢復(fù)相統(tǒng)一的自嵌入水印算法拓展到了多媒體錯誤檢測和掩蓋領(lǐng)域。算法不但突破了傳統(tǒng)的基于內(nèi)容相關(guān)性進(jìn)行錯誤估計(jì)掩蓋的束縛,同時(shí)也打破了那些基于信息隱藏的多媒體錯誤掩蓋算法中將用于錯誤掩蓋

8、的原始圖像的各種低分辨率版本作為隱藏信息直接進(jìn)行嵌入的思維定式。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了這兩個算法不但具備了錯誤檢測能力,而且對隱寫圖像的質(zhì)量影響較小,同時(shí)又可以獲得可比較的恢復(fù)圖像質(zhì)量,為圖像在有噪信道中進(jìn)行壓縮傳輸提供了一個有效的錯誤檢測和掩蓋方法。
　　總之,本文的自嵌入水印算法的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了認(rèn)證與恢復(fù)相統(tǒng)一的自嵌入水印算法設(shè)計(jì)思想的可行性和有效性。這一思想不但對自嵌入水印算法的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義,同時(shí)也