基于隱信息編碼的數(shù)字圖像信息的安全研究.pdf

1、隨著計算機和Web網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，人們的日常生活與工作越來越趨向于數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。大量私有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳播，網(wǎng)絡(luò)交易的日益盛行，都使得傳統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)保護手段和數(shù)據(jù)安全技術(shù)面臨著極大的挑戰(zhàn)和某些難以克服的困難。為了更好的適應(yīng)數(shù)字媒體本身特有的性質(zhì)，滿足數(shù)據(jù)安全保密和版權(quán)保護的要求，學(xué)者們正在積極的尋求新的技術(shù)和方法。本文研究的內(nèi)容，正是在這樣一種背景下產(chǎn)生并發(fā)展起來的。 數(shù)字水印(digitalwatermarking)是向多媒

2、體資料(如圖像、聲音、視頻信號等)中添加某些數(shù)學(xué)信息以達到版權(quán)保護的作用。它一般要求具有魯棒性和不可見性。 本文首先對數(shù)字水印技術(shù)和信息傳輸技術(shù)作了較為詳細地介紹，給出了數(shù)學(xué)水印系統(tǒng)的一般框架，闡明了水印生成、嵌入和檢測的一般方法，介紹了水印領(lǐng)域的重要的研究成果，并討論了水印系統(tǒng)的攻擊行為。 本文的重點是作者在水印領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新。在分析前人的工作和當前水印發(fā)展狀況的基礎(chǔ)上，本文完成了以下工作： (1)提出了一種

3、對水印圖像進行奇異值分解(SVD)，對原始圖像進行分塊Walsh變換的水印嵌入方法。該方法舍棄水印圖像奇異值的次要部分，而把其重要部分循環(huán)重復(fù)嵌入；在提取時根據(jù)重復(fù)水印的統(tǒng)計信息對水印信號數(shù)據(jù)進行檢錯處理后，取可信部分按均值輸出。仿真實驗表明：該水印算法對大多數(shù)攻擊，尤其是剪切攻擊，具有較好的魯棒性。 (2)在已有的與獨立分量分析技術(shù)結(jié)和的水印算法中，提出了一個基于快速獨立分量分析的數(shù)字水印方案。實驗結(jié)果表明：該算法在滿足較高不

4、可見性和魯棒性的前提下，獲得了很高的收斂速度。 (3)結(jié)合小波零數(shù)編碼思想，提出了一種與嵌入式小波編碼相適應(yīng)的水印算法，它將水印信息自適應(yīng)地嵌入到小波變換域某些位平面中幅值大于給定閾值的重要系數(shù)中，實驗結(jié)果表明本算法的具有良好的不可見性，同時對大多數(shù)攻擊，特別是EZW等具有很好的魯棒性。 不過，數(shù)字水印技術(shù)畢竟是一門新興的邊緣學(xué)科，它涉及通信與信息理論，圖像與語音處理，信號檢測與估計，數(shù)學(xué)，密碼學(xué)，人類聽覺與視覺系統(tǒng)，計

5、算機網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用等多種學(xué)科知識，雖然近幾年來在理論和應(yīng)用中取得了很大的發(fā)展，但目前還沒有形成一個完整的理論體系，特別是沒有一個統(tǒng)一的評判標準，仍有許多尚未解決的問題[1]。這些問題包括： (1)大多數(shù)算法尚未很好地利用視覺系統(tǒng)的特性，對視覺特性應(yīng)用的定性/定量描述尚未見到。事實上對視覺系統(tǒng)的研究也仍是一項長期的工作。 (2)水印的不可見性只是一個十分模糊的主觀視覺概念。為了衡量算法的性能，有必要建立一種與視覺特性相匹配的客

6、觀標準。然而，與圖像壓縮的情況相似，建立這樣一種標準并不是件容易的工作。 (3)一些必要的基礎(chǔ)理論和基本方法尚未得到充分研究。例如，在水印算法的性能比較上的研究還不夠深入，盡管已有很多測試水印穩(wěn)健性的軟件，但要科學(xué)地比較算法的優(yōu)劣還需要做非常深入地研究。另外，在許多問題(如嵌入對策、水印結(jié)構(gòu)等)上還存在完全不同的觀點和做法。 (4)水印作為所有權(quán)識別的不確定性問題尚未得到很好解決。不確定性的各種情況以及如何克服需進一步更

7、深入地研究。 (5)有意義水印的研究還不夠。目前的大多數(shù)水印由隨機序列組成，許多應(yīng)用場合將逐步提出嵌入有意義信息的要求且繼續(xù)保留隨機序列水印保密性好的特點。由于有意義的信息不允許有大的檢測錯誤概率(甚至不允許有任何錯誤)，當嵌入數(shù)據(jù)量較大時，水印編碼和檢測將存在較大的難度。 (6)目前絕大多數(shù)水印算法是針對靜止黑白圖像的，只有少數(shù)涉及到視頻信號，涉及彩色的更少。盡管針對靜止黑白圖像的水印算法也可以推廣到視頻信號或彩色圖像

8、上，但視頻信號和彩色圖像有其本身特點，視覺系統(tǒng)對它們也具有某些獨有的視覺特性。 另外，本文作者通過近三年的學(xué)習(xí)和研究，發(fā)現(xiàn)除了上面提到的問題以外，以下幾個方面也非常關(guān)鍵，有待于進一步研究： 水印信號的同步性研究：在一般的理論研究中對于圖像的線性變換考慮較多，如加噪聲及圖像的退化(衰退)，但是在實際應(yīng)用中，多媒體信號可能遭遇到非線性變化的攻擊，如幾何變換，主要包括縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲和其他幾何變換，這樣由于被攻擊的圖像與原圖像

9、不再匹配，導(dǎo)致水印信號的不同步，從而無法正確檢測與提取，因此，水印技術(shù)的同步性研究非常重要。 水印安全性研究：隨著網(wǎng)絡(luò)與計算機的飛速發(fā)展，信息安全性就顯得越來越重要，水印系統(tǒng)的安全性除了可以借密碼學(xué)中的一些方法外，還有其自身的特點，如對于擴頻水印算法，如何設(shè)計偽隨機序列產(chǎn)生器，水印信號的產(chǎn)生方法等問題都值得進一步研究，它可以增強系統(tǒng)的安全性與可靠性。 研究數(shù)字水印技術(shù)與壓縮編碼算法的統(tǒng)一，數(shù)字產(chǎn)品的發(fā)布通常要經(jīng)過編碼和傳

10、輸，傳統(tǒng)的水印技術(shù)往往與壓縮編碼算法分開，應(yīng)該在編碼的過程中嵌入水印，這樣的優(yōu)點在于使用水印對于該編碼算法具有魯棒性，這也是值得進一步研究的方向。 基于高層信息級別的水印系統(tǒng)的開發(fā)，由于建立低層符號己的水印系統(tǒng)完全依賴于計算技術(shù)，因此容易受到攻擊，而基于更高層信息特征，比如說，根據(jù)圖像的內(nèi)容和文本的語義等設(shè)計的水印系統(tǒng)，則可以具有更好的魯棒性，可能是今后的研究方向。 此外，可以考慮其他應(yīng)用程序與水印系統(tǒng)地結(jié)合。如研究在面