數(shù)字圖像變換域魯棒性水印算法研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)字媒體作品（如圖像、視頻、聲音等）的使用和傳播日益增長(zhǎng)。數(shù)字媒體可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)途徑向外發(fā)布或者下載，這給人們的生活和工作帶來(lái)了極大的便利。然而，由于數(shù)字媒體很容易被復(fù)制、修改和傳輸，有些人在不經(jīng)過(guò)作者的同意的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單途徑就可以就將他人的作品進(jìn)行進(jìn)行復(fù)制和修改，然后用于自身的商業(yè)活動(dòng)。這給原創(chuàng)者的自身利益帶來(lái)巨大的損失。所以數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受人們的關(guān)注，數(shù)字媒體認(rèn)證問(wèn)

2、題也日益突出。數(shù)字水印作為保護(hù)多媒體作品版權(quán)的有效途徑，已成為信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。數(shù)字水印技術(shù)將多媒體作品的版權(quán)信息或者來(lái)源信息作為水印隱藏于數(shù)字載體中。盡管數(shù)字載體受到一定的水印攻擊，人們還是可以從受保護(hù)的載體中提取出水印信息來(lái)進(jìn)行數(shù)字媒體作品的版權(quán)歸屬、認(rèn)證等。
　　本文主要針對(duì)數(shù)字圖像，研究其變換的魯棒水印算法。主要研究了分?jǐn)?shù)階Krawtchouk變換、三元數(shù)Fourier變換、分?jǐn)?shù)階Bessel-Fourier矩和奇異

3、值分解這幾類變換，然后根據(jù)每種變換的特征，設(shè)計(jì)了各類合適的變換域水印算法。分析了水印的不可見(jiàn)性，魯棒性等特點(diǎn)。主要工作及貢獻(xiàn)如下:
　　(1)提出了一種基于分?jǐn)?shù)階Krawtchouk變換的水印算法
　　首先，基于特征值分解的分?jǐn)?shù)階變換構(gòu)造方法，我們將傳統(tǒng)的Krawtchouk變換推廣到了分?jǐn)?shù)階，從理論上給出了Krawtchouk變換矩陣的特征值并證明了其特征值的重?cái)?shù)，并且推導(dǎo)了一組與特征值相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正交的特征向量;然后，設(shè)

4、計(jì)了分?jǐn)?shù)階Krawtchouk變換域的魯棒水印嵌入和提取算法，由于傳統(tǒng)的Krawtchouk變換是分?jǐn)?shù)階Krawtchouk變換的一個(gè)特例，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的分?jǐn)?shù)階階數(shù)，可以得到不同的分?jǐn)?shù)階變換系數(shù)，所以分?jǐn)?shù)階變換具有更多的適用性;最后，驗(yàn)證了水印算法的水印不可見(jiàn)性及常見(jiàn)的信號(hào)攻擊下的魯棒性，并分析了不同分?jǐn)?shù)階數(shù)下的Krawtchouk變換對(duì)水印魯棒性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的Krawthcouk變換相比，分?jǐn)?shù)階Krawtchouk變換

5、域的水印算法在合適的分?jǐn)?shù)階數(shù)選取后，會(huì)有較好的水印魯棒性及不可見(jiàn)性;此外，通過(guò)與常見(jiàn)的其他變換域（如DCT，DWT等）水印算法相比，文中算法的魯棒性也較高。
　　(2)提出了一種基于奇異值分解和視覺(jué)加密的彩色圖像零水印算法
　　首先，構(gòu)造了彩色圖像的一組魯棒的特征。由于圖像小波變換的低頻系數(shù)對(duì)圖像噪聲和壓縮比較魯棒，所以我們選取了彩色圖像小波變換后的低頻系數(shù)作為構(gòu)造基礎(chǔ)。在對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行分塊后，將每個(gè)彩色圖像塊轉(zhuǎn)化為一個(gè)二維

6、矩陣。接下來(lái)對(duì)該每塊生成的二維矩陣進(jìn)行奇異值分解，選取其第一個(gè)奇異值作為圖像魯棒的特征，并將其二值化。然后結(jié)合視覺(jué)加密算法，把圖像二值化后的特征作為水印的一個(gè)分享份，再結(jié)合水印生成第二個(gè)分享份，可以將第二個(gè)分享份存儲(chǔ)于認(rèn)證機(jī)構(gòu)用于圖像認(rèn)證。最后通過(guò)與已有的零水印算法相比，文中算法具有較高的魯棒性。
　　(3)提出了一種基于離散三元數(shù)Fourier變換的彩色圖像水印算法
　　首先，基于已有的三元數(shù)Fourier變換，我們對(duì)其定

7、義中的單位三元數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，給出了更一般形式，并應(yīng)用于離散三元數(shù)Fourier變換的定義中，給出了相應(yīng)的離散三元數(shù)Fourier逆變換，并推導(dǎo)了通過(guò)傳統(tǒng)Fourier變換及其逆變換的快速算法來(lái)計(jì)算離散三元數(shù)Fourier變換及其逆變換的表達(dá)式;然后，設(shè)計(jì)了離散三元數(shù)Fourier變換域的彩色圖像水印算法。該算法將彩色圖像分塊處理后對(duì)每塊進(jìn)行離散三元數(shù)Fourier變換，將水印比特嵌入到每塊的變換系數(shù)，然后反變換得到水印后的圖像;最后我們通

8、過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中彩色圖像水印算法的魯棒性、水印不可見(jiàn)性，并且分析了所提算法的水印容量。通過(guò)與傳統(tǒng)的基于四元數(shù)Fourier變換的水印算法相比較，文中的算法具有較高的魯棒性及嵌入容量，并且不存在基于四元數(shù)Fourier變換水印算法中存在的能量損失的問(wèn)題。
　　(4)提出了一種基于分?jǐn)?shù)階Bessel-Fourier矩的抗圖像幾何攻擊的魯棒水印算法
　　首先，將傳統(tǒng)的Bessel-Fourier矩的徑向基函數(shù)擴(kuò)展到分?jǐn)?shù)階，提出了分

9、數(shù)階Bessel-Fourier矩，并給出了其旋轉(zhuǎn)不變量、縮放不變量;然后，利用旋轉(zhuǎn)不變量和縮放不變量，構(gòu)造了能夠抵抗圖像幾何攻擊（旋轉(zhuǎn)、縮放）的圖像水印算法;最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水印算法對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、旋轉(zhuǎn)和縮放幾何攻擊的魯棒性，并且驗(yàn)證了圖像幾何攻擊與幾類常見(jiàn)信號(hào)攻擊（如濾波、噪聲）組合下的魯棒性。由于分?jǐn)?shù)階Bessel-Fourier矩比傳統(tǒng)的Bessel-Fourier矩具有一個(gè)多的可調(diào)節(jié)的自由度，通過(guò)調(diào)節(jié)改參數(shù)，可得到水印的魯