基于分形和HVS的小波域数字水印的算法研究(可复制)

基于分形和HVS的小波域数字水印的算法研究(可复制) 武汉理工大学硕士学位 摘 要 随着网络通信技术的不断发展，多媒体信息的交换和传输变得异常方便和快捷，借助,,,,,,,,人们可以发布自己的产品、传递重要信息、进行学术交流以及参与电子商务等。但随之而来的副作用也十分明显。任何人都可以通过网络轻而易举地得到他人的原始作品，甚至不经作者的同意而任意加以复制、修改，严重地侵害了作者的著作权。因此，如何在网络中实施有效的版权保护和解决信息安全的问，成为了一个迫在眉睫的研究课题。 目前，一种专门解决多媒体信息版权和完整性保护的技术一数字水印技术，受到学术界的广泛关注。它将水印嵌入到数字化媒体中，然后通过对它的检测提取来对图像的使用情况进行跟踪，从而实现版权保护等功能。本文以静止灰度图像为研究对象，将小波变换、分形技术等图像处理技术和人类视觉系统模型引用到数字水印技术中，和实现了一种利用方向性小波树的分形匹配来确定嵌入位置、利用人类视觉系统模型来确定嵌入尺度的数字水印算法。 本文通过对分形图像编码和小波域数字水印技术的研究，讨论和研究了基于分形和小波变换的数字图像水印算法。对图像进行小波分解后，将小波系数树分解为方向性小波树，并分别构造成域子树和值子树，然后在每一个值子树的相同小波方向子带搜索匹配的域子树，最后在每个方向子带选出匹配度比较高的,部分域子树作为嵌入树，起到很好的保密效果。在水印的嵌入中运用了人类视觉系统模型，不仅将其作为水印嵌入的强度，还根据人类视觉对不同方向子带的噪声敏感度不同的特点，在敏感度较低的方向子带嵌入较多的水印信息，在人类视觉条件允许的情况下最大限度的增加了水印嵌入的强度，保证其不可见的同时最大限度增强了其鲁棒性。 最后，本文对多幅图像进行了几种常见的水印攻击，包括,,,,压缩、添加高斯白噪声、中值滤波、剪切和旋转等。在攻击后进行了水印的提取和相关性检测实验，实验结果表明，本文设计的算法在具有较好的不可见性的同时也具有很好的鲁棒性。在得出实验结果的同时本文还对结果优劣的原因以及实验中出现的问题进行了分析。关键词:数字水印，小波变换，分形编码，人类视觉系统 武汉理工大学硕士学位论文 ,,,,,,;, ,,,, ,,, ,,,,,;,,,,, ,, ,,,,,,, ;,,,,,,;,,,,, ,,;,,,,,,,，,,, ,,;,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,;,,, ,,,, ;,,,,,,,,;, ,,, ,,,,(,, ;,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,，,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,,,,,, ;,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,(,,,,, ,,;,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,, ;,,,,,,,,;,,，,,,,, ,,, ,,,,,,,,;,, ,,,, ,,,, ;,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,(,,, ,,,,,,,，,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,;,, ,, ,,,,,, ,,,,,,(,,,,,,, ,,, ;,,, ,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,’, ,,,,,,,,,，,,,;, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,’, ;,,,,,,,,(,,, ,, ,,,,,;, ,,, ;,,,,,,,, ,,,,;,,,,,, ,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,,, ,, ,, ,,,,,, ,,,,,;,( ,,,,,,,,,，,, , ,,,, ,, ,,;,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ;,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,, ;,,;,,, ,,,,,,,,,,’, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,;,,,,,(，, ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,，,,,,;,,,,,, ,,, ,,;, ,,,;,,,,, ,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,;,,劬;, ,,, ,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,(,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,(，,,,,,,, ,,,,, 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本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 盎叁 日期,竺,:量:』 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名: 整墨导师签名: 术也 武汉理工大学硕士学位论文 第,章绪论,(,数字水印技术的发展及国内外研究现状 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。特别是随着计算机网络通信技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备梢苑奖阊杆俚亟中畔?涞剿谕牡胤健,嬷吹母弊饔檬钦庑?中问降氖菸募蜃髌肥褂卸褚獾母鋈撕屯盘逵锌赡茉诿挥械玫阶髌匪姓叩男砜上驴奖春痛ビ邪嫒ǖ哪谌荩纾衷诘涟嬲呓鲂枨岬慵赶率蟊昃涂梢曰竦糜朐嬉谎母粗破罚?源嘶袢欢恍?哂刑厥庖庖宓男畔?缟婕八痉ㄋ咚希刃畔?蚧嵩獾蕉褚夤セ骱痛鄹奈痹斓鹊取,庖幌盗惺只际醣旧淼目筛粗坪凸惴捍サ奶匦运吹母好嫘殉晌畔?到】党中?沟囊淮笳习,壳埃置教宓男畔踩恫;ず腿现の侍獗涞萌找嫱怀觯乙殉晌质澜缰幸桓龇浅,匾徒羝鹊囊樘狻?密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一【，】，它是基于香农信息论及密码学 理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得其在传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获取机要信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。但这并不能完全解决问题:一方面加密后的文件因其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播;另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且当信息被接收并进行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样，将不再受到保护，无法幸免于盗版。换言之，密码学只能保护传输中的内容，而内容一旦解密就不再有保护作用了。因此，迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够继续保护内容。这样，人们提出了新兴的信息隐藏的概念——数字水印。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是,种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印 武汉理,〔大学硕士学位论文系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印,,,。 一在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者，认证多媒体来源的真实性，识别购买者，提供关于数字内容的其它附加信息，确认所有权认证和跟踪侵权行为。它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、，,,,,,;,数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。 数字水印技术的概念最初是由,,,,,,,于,,,,年提出来的，并用于图像数字水印，其早期开发主要侧重于静止图像(如照片或计算机图形)的版权保护。随着，,,,,,,的推广和普及，专为在因特网上处理图像数据而开发的版权管理和保护软件逐渐得到了广泛的重视，并且由于影像和音乐作品在网上具有广阔的市场前景，故近年来对这类水印技术的开发也在加速进行。 虽然数字水印技术从正式提出到现在时间并不是很长，但随着多媒体和网络技术的不断发展，人们对数字水印的研究兴趣在不断地增长。在欧美，已有以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。,,,,年，美国政府中出现了第一份有关图像数据隐藏的,,报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本,,,信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙,,,,大学、，,,公司,,,,,,研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、,,公司、,,,,公司、,,,研究所以及荷兰菲利浦公司等。 国外水印技术专家和研究学者还积极进行学术交流与合作，,,,,年,月,,日,,月,日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，至今已举办了几届，研究人员发表了许多有关数字水印方面的论文。国际光学工程学会(,,，,)从,,,,年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议的论文主要也都是关于数字水印技术方面的文章。这些会议的举行，大大增加了研究人员们彼此间的交流，促进了数字水印技术的不断发展。 从国际上公开发表的文献看，虽然在数字水印方面的研究刚开始不久，但由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，关于数字水印技术研究的文献甚丰，到目前为止己经有上千篇论文发表，研究的发展速度非常快。,,,,年 , 武汉理工大学硕士学位论文以来，,，,, ,图像处理》、,，,,,会报》、,，,,,通信选题》、,，,,,消费电子学》等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。此外，许多网站还开辟了数字水印技术论坛，这些都为数字水印技术的发展和普及起到了巨大的推动作用。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，,,,,年,,月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。,,,,年,月，由国家“,,,’’智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。,,,,年,月全国第二届信息隐藏学术研讨会(,，,,,,,,)在北京举行，参加研讨会的学者来自全国各地从事信息隐藏技术研究的二十四个高等院校或科研机构。,,,,年,月全国第三届信息隐藏学术研讨会(,,,,,,,,)在古城西安举行，参加会议的专家和学者达百余人。这些会议的举行，给大家提供了交流的机会和展示成果的舞台，大家能互相交流在水印技术研究方面取得的心得和体会，必将大大地促进我国数字水印技术研究的发展。 最初提出数字水印的目的是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们发现了更多更广的应用，有许多是当初人们所没有预料到的。下面列出了七种已提出的或实际的水印应用:广播监控，所有者鉴别，所有权验证，操作跟踪，内容认证，拷贝控制和设备控制。数字水印技术还处于发展之中，上述七个方面也不可能包含其所有可能的应用领域，但可以看出数字水印技术未来的应用市场将会更加广阔，毕竟它还是个方兴未艾的领域【,,】。,(,论文选题的背景及意义 由于小波变换多分辨率分析的特点，很适合表现图像的特征，在图像压缩 武汉理工大学硕士学位论文和数字水印技术中已经得到广泛的应用。小波变换后的系数在同一方向不同分辨率之间、同一分辨率不同方向之间都存在相关性，这就使形成的小波树之间也具有较强的相似性;而分形图像编码技术恰恰能够充分利用图像内部的自相似性，去除图像不同尺度之间的冗余性，从而使图像编码效率得到了大大的提高，成为了图像编码领域被看好的技术之一。 ,,,,,在小波和分形编码的基础上提出了采用小波树的分形图像编码【,卅。本文在此基础上，利用同方向各个子带图像之间的相似性，提出了一种利用方向性小波树的分形匹配来确定嵌入位置、利用人类视觉系统模型来确定嵌入尺度的数字水印解决。 首先把图像的小波系数树分解为方向性小波树，并构造成域子树和值子树。然后对值子树中各个图像,块，在同方向低一级分辨率子带中寻找最佳分形匹配,块，并利用小波系数的树状结构关系，将这些,块拓展成域子树集合，最后在各个值子树最佳匹配的相似域子树中选出相似度比较高的一部分作为嵌入树，在其上实现水印的嵌入。在嵌入水印的过程中，本文利用了小波系数的人类视觉系统特性，一方面将其作为水印嵌入的一个强度因子，另一方面根据人类视觉系统对不同方向子带的噪声敏感度不同的特点，在敏感度较低的方向子带嵌入较多的水印信息，这 样使得水印能够在保证不可见性的前提下最大强度的嵌入，提高鲁棒性。提取时根据最佳分形匹配,块的相对位置来恢复水印信息。此算法特点如下: ,,在对小波树分形匹配的基础上进行了改进，将小波树分解为方向性小波树，并将匹配搜索的范围缩小为本方向子带，这样即降低了匹配的复杂度又缩短了分形匹配的时间。 ,,)引入了人类视觉系统模型，不仅将其作为水印嵌入的强度因子进行水印的嵌入和提取，还根据人类视觉系统对不同方向子带的噪声敏感度不同的特点，在敏感度较低的方向子带嵌入较多的水印信息，充分考虑了水印嵌入系数的人类视觉特性，使水印在人类视觉条件允许的情况下最大限度的增强了嵌入的强度，很好的兼顾了水印的不可见性和鲁棒性。,(,本文所作的工作和章节安排 本论文主要以静态图像为研究对象，利用小波变换的多分辨率分析特点， , 武汉理工大学硕士学位论文结合分形编码的算法和小波域的人类视觉系统,,,(,,,,, ,,,,,, ,,,,,,)特性，探讨了分形编码算法在小波域数字水印技术中的使用，通过研究设计了一种基于分形和人类视觉系统的小波域数字水印算法。 全文共分为六章，具体内容如下: 第,章是绪论部分，介绍了课题涉及的国内外研究现状、研究背景及实际意义、作者的主要工作及论文的整体章节安排。 第,章是数字水印技术概述，介绍数字水印的基础理论知识，包括数字水印的基本概念、分类、基本框架、性能的评估、主要特征以及应用的领域。 第,章是小波变换的理论以及小波域的人类视觉系统，介绍了小波变换理论、小波系数树和方向性小波树以及小波域的人类视觉系统模型。 第,章是分形理论与图像编码，介绍分形的基本理论与应用、分形图像编码的基本思想。 第,章是基于分形和人类视觉系统的小波域数字水印的算法，首先介绍了当前的相关技术概况;然后介绍本文算法的基本思想，并详细阐述算法过程;最后给出实验过程、结果以及对结果的分析。 第,章是总结展望，对本论文的主要工作做一个总结，并结合本论文的不足提出进一步的展望。 , 武汉理工大学硕十学位论文 第,章数字水印技术概述,(,数字水印的概念 数字水印(,,百,,, ,,,,,,,,,,,,)技术是,种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中的孛苄畔?梢允前嫒ū晔丁?没蛄泻呕蛘呤遣废喙匦畔?,话悖枰实钡谋浠缓笤偾度氲绞植分校,票浠缓蟮拿孛苄畔?水印。水印不仅可以为,维序列，也可以是二维阵列，甚至是三维或者高维信号，这通常要根据载体对象的维数来确定，如音频对应一维，静止图像对应二维，动态图像对应三维。理想的数字水印方案应该是只有版权所有者才可以加载水印，但任何人都可以对其进行验证的水印方案。,(,数字水印的分类 数字水印技术的分类方法有很多种，从不同的角度可以对数字水印进行不同的分类。常见的分类有以下几种: ,)按水印的可见性划分 数字水印从可见性上分为可见数字水印和不可见数字水印两大类【,,。若没有特别说明，我们平常所说的数字水印是指不可见水印。 可见水印(,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)是指水印嵌入后在视觉上清晰可见，它与我们通常所说的纸上水印相似。可见水印的主要作用是用来标识其所有权归属，防止非法使用，如电视台节目的台标等。 不可见水印(，,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)是指水印嵌入后在视觉上是不可见的(严格说是无法察觉的)。不可见水印就是将水印信息不可见地嵌入到载体图像中， 它的存在不改变原图像的视觉质量或影响原始图像的视觉效果。不可见数字水印根据其稳健性可分为稳健不可见数字水,,,(，,,,,,,,, ,,,,,, ,,西,,,,,,,,,,,,,,,)和脆弱不可见数字水印(，,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)。稳 , 武汉理工大学硕士学位论文健不可见数字水印嵌入图像后必须能经受一般的信号处理，且不会引起人眼可发现的缺陷，主要用于数字作品的版权保护。脆弱不可见数字水印是指经过一般的信号处理后水印被改变或毁掉。脆弱不可见数字水印主要用于多媒体信息的完整性保护，如证明图像的真实性，检测或确定图像的内容是否被篡改等。 ,)按水印的鲁棒性划分 数字水印按抗攻击能力分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类【,,。 鲁棒水印(,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,),,称为稳健性水印。鲁棒水印要求嵌入的水印经过各种常见的图像处理而不被破坏。嵌入鲁棒水印的图像在遭受攻击后提取的水印和原始嵌入的水印有差别，水印越稳健，这种差别就越小。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识作者、作品序号等著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理，可以从许多质量己被破坏的含水印媒体中抽取出来。 脆弱水印(,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)主要用于保护多媒体信息的完整性，鉴定多媒体内容的真实性等。与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印对图像的改动非常敏感，根据脆弱水印的状态就可以判断图像是否被篡改过，好的脆弱水印甚至能够判断出篡改的位置，进行图像内容的认证。 ,)按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等…,,。 图像数字水印技术是目前研究得最多也是最为成熟的水印技术。很多其它媒体的水印技术都是在图像数字水印的基础上发展起来的。此类水印主要用于数字图像的版权保护。 音频水印技术主要研究低比特位编码、相位编码、基于扩展频谱编码和回声隐藏等四个方面的内容。另外还提出很多基于人类听觉模型,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,)的水印算法。音频水印主要用于网上音乐等音频数字作品的版权保护。 视频水印算法是将水印数据嵌入视频流或压缩视频流中，主要用于网上电影等视频数字作品的版权保护。 文本数字水印技术是通过轻微调整文本中的行距、字距、文字特性(如字体)等来嵌入水印信息。文本水印可以抵抗照相和扫描复制等的文档操作，但很容易被破坏。 , .