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(jì)算機(jī)和Web網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，人們的日常生活與工作越來(lái)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(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(hù)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(lái)的。 數(shù)字水印(digitalwatermarking)是向多媒

2、體資料(如圖像、聲音、視頻信號(hào)等)中添加某些數(shù)學(xué)信息以達(dá)到版權(quán)保護(hù)的作用。它一般要求具有魯棒性和不可見性。 本文首先對(duì)數(shù)字水印技術(shù)和信息傳輸技術(shù)作了較為詳細(xì)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(cè)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(diǎn)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(dāng)前水印發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，本文完成了以下工作： (1)提出了一種

3、對(duì)水印圖像進(jìn)行奇異值分解(SVD)，對(duì)原始圖像進(jìn)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(shí)根據(jù)重復(fù)水印的統(tǒng)計(jì)信息對(duì)水印信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)處理后，取可信部分按均值輸出。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該水印算法對(duì)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(dú)立分量分析技術(shù)結(jié)和的水印算法中，提出了一個(gè)基于快速獨(dú)立分量分析的數(shù)字水印方案。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本算法的具有良好的不可見性，同時(shí)對(duì)大多數(shù)攻擊，特別是EZW等具有很好的魯棒性。 不過(guò)，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(yǔ)音處理，信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)，數(shù)學(xué)，密碼學(xué)，人類聽覺(jué)與視覺(jué)系統(tǒng)，計(jì)

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

6、觀標(biāo)準(zhǔn)。然而，與圖像壓縮的情況相似，建立這樣一種標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(wèn)題(如嵌入對(duì)策、水印結(jié)構(gòu)等)上還存在完全不同的觀點(diǎn)和做法。 (4)水印作為所有權(quán)識(shí)別的不確定性問(wèn)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(jìn)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(jī)序列組成，許多應(yīng)用場(chǎng)合將逐步提出嵌入有意義信息的要求且繼續(xù)保留隨機(jī)序列水印保密性好的特點(diǎn)。由于有意義的信息不允許有大的檢測(cè)錯(cuò)誤概率(甚至不允許有任何錯(cuò)誤)，當(dāng)嵌入數(shù)據(jù)量較大時(shí)，水印編碼和檢測(cè)將存在較大的難度。 (6)目前絕大多數(shù)水印算法是針對(duì)靜止黑白圖像的，只有少數(shù)涉及到視頻信號(hào)，涉及彩色的更少。盡管針對(duì)靜止黑白圖像的水印算法也可以推廣到視頻信號(hào)或彩色圖像

8、上，但視頻信號(hào)和彩色圖像有其本身特點(diǎn)，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)它們也具有某些獨(dú)有的視覺(jué)特性。 另外，本文作者通過(guò)近三年的學(xué)習(xí)和研究，發(fā)現(xiàn)除了上面提到的問(wèn)題以外，以下幾個(gè)方面也非常關(guān)鍵，有待于進(jìn)一步研究： 水印信號(hào)的同步性研究：在一般的理論研究中對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，多媒體信號(hào)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(hào)的不同步，從而無(wú)法正確檢測(cè)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(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，信息安全性就顯得越來(lái)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(diǎn)，如對(duì)于擴(kuò)頻水印算法，如何設(shè)計(jì)偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器，水印信號(hào)的產(chǎn)生方法等問(wèn)題都值得進(jìn)一步研究，它可以增強(qiáng)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(guò)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(guò)程中嵌入水印，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于使用水印對(duì)于該編碼算法具有魯棒性，這也是值得進(jìn)一步研究的方向。 基于高層信息級(jí)別的水印系統(tǒng)的開發(fā)，由于建立低層符號(hào)己的水印系統(tǒng)完全依賴于計(jì)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(shuō)，根據(jù)圖像的內(nèi)容和文本的語(yǔ)義等設(shè)計(jì)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