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可逆图像水印及可逆图像认证技术研究

作　者: 罗剑高
导　师: 韩国强
学　校: 华南理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 可逆图像水印图像水印重同步可逆图像认证图像局部特征插值误差灰度直方图调整技术
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在解决数字图像的版权保护、内容认证等信息安全问题上,数字图像水印扮演着重要的角色。常规的数字图像水印嵌入会使宿主图像产生永久失真,这在一些应用中是不可接受的,特别是在一些医学图像、军事图像等应用中。可逆图像水印技术解决了这个问题,它不仅可以获得所需水印,还能从水印图像中恢复原始图像。本文重点对大容量的可逆图像水印算法和具有篡改定位能力、抗剪裁能力的可逆图像认证算法展开研究。论文的主要贡献包括:1.提出一种基于扩展嵌入技术和插值技术的可逆图像水印算法(RW-IEE)。RW-IEE采用一种基于像素4近邻的插值技术,有效地利用了图像像素间固有的相关性。实验结果表明,RW-IEE算法的水印容量-失真性能高于现有可逆图像水印算法。通过多次嵌入,RW-IEE可嵌入大于1bpp的有效水印量。2.针对用于解决灰度溢出问题的灰度直方图调整技术的稳健性较差,提出一种灰度直方图自适应调整技术(HAM)。HAM给出一种评价函数来确定合适的灰度合并位置,提高了现有灰度直方图调整技术的稳健性。基于HAM,提出一种采用插值误差直方图位移技术的可逆图像水印算法(HSHAM)。实验结果表明HSHAM增强了现有可逆图像水印算法对各种类型图像的性能稳定性,HAM技术是有效的。3.提出一种基于图像块的可逆图像水印算法框架(RIWFB),并在该框架下实现了一种可逆图像水印算法(RIWB)。RIWB一方面通过迭代处理解决图像块间的水印分配和失真平衡问题,消除了水印图像可能出现的方块效应;另一方面有效地控制了辅助信息量。由于充分利用了图像局部特征,RIWB提高了现有基于全图操作的可逆图像水印算法的性能。实验结果表明,RIWB算法的水印容量-失真性能高于现有基于全图操作的可逆图像水印算法。4.提出一种基于图像特征点坐标的图像同步算法(GSCA)。相比特征点模板中包含特征点描述符的同步算法,GSCA同步模板用于存储相同特征点的数据量大为减少,且所采用的统计平均处理方式使同步校正的结果更加鲁棒、精确。GSCA结合鲁棒的特征点检测算子可提供一种有潜力的图像同步技术。实验表明GSCA是有效的,在可逆图像水印的同步校正中,采用具有各向同性的特征点检测算子时,如SUSAN,合法几何变换下GSCA同步校正精度达100%。5.提出一种篡改定位精度可调的可逆图像认证框架(RIAF-VTLA),RIAF-VTLA采用动态的方式确定具体认证块的大小,可提高篡改定位能力。在该框架下,提出一种抗矢量攻击、盲认证的可逆图像认证算法(RADATL),RADATL一方面采用认证块动态生成的方式,提高了篡改定位能力;另一方面采用在认证块中多次嵌入的方式实现图像编号的鲁棒传送,解决了抗矢量攻击方案中图像编号的管理和传输问题。另外,RADATL还能够对ROI和RONI区别处理,进一步改善ROI的篡改定位能力;最后,通过有效的同步措施,如本论文的GSCA,RADATL还可实现抗剪裁和合法几何变换的能力。仿真实验表明RADATL是有效的,篡改定位精度可根据要求进行动态调整。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
主要符号对照表  13-15
第一章绪论  15-28
  1.1 研究背景、目的和意义  15-18
    1.1.1 研究背景  15-17
    1.1.2 研究目的、意义  17-18
  1.2 基础知识和相关技术研究现状  18-25
    1.2.1 数字水印  18-22
    1.2.2 基于脆弱水印的数字图像精确认证技术  22-25
  1.3 研究内容和研究方法  25-26
    1.3.1 研究内容  25
    1.3.2 研究方法  25-26
  1.4 论文的组织结构  26-27
  1.5 本章小结  27-28
第二章可逆图像水印技术  28-38
  2.1 可逆图像水印的特性  28-29
    2.1.1 可逆图像水印的概念  28
    2.1.2 可逆图像水印的特性  28-29
  2.2 可逆图像水印算法的性能评价  29-31
  2.3 可逆图像水印技术的发展概况及研究现状  31-33
  2.4 可逆图像水印分类  33-36
    2.4.1 按鲁棒性分类  33-34
    2.4.2 按水印是否可见分类  34
    2.4.3 按嵌入方式分类  34-36
    2.4.4 按水印嵌入的域分类  36
  2.5 可逆图像水印算法的分析与讨论  36-37
  2.6 本章小结  37-38
第三章基于扩展嵌入和插值技术的可逆图像水印算法  38-54
  3.1 引言  38-39
  3.2 相关工作及分析  39-41
    3.2.1 JPEG-LS 预测误差扩展嵌入可逆水印算法  39-40
    3.2.2 基于插值误差的可逆图像水印算法  40-41
  3.3 基于插值误差扩展的水印嵌入  41-46
    3.3.1 水印的插值误差扩展嵌入方式  41-42
    3.3.2 插值误差计算  42-46
  3.4 基于插值误差扩展的可逆图像水印算法(RW-IEE)  46-50
    3.4.1 辅助信息及水印载荷结构  46-48
    3.4.2 水印嵌入过程  48-49
    3.4.3 水印提取/图像恢复过程  49
    3.4.4 多层嵌入  49-50
  3.5 实验结果与分析  50-52
    3.5.1 RW-IEE 单层水印嵌入算法的性能分析  50-52
    3.5.2 RW-IEE 多层水印嵌入算法的性能分析  52
  3.6 本章小结  52-54
第四章基于灰度直方图自适应调整的可逆图像水印算法  54-65
  4.1 引言  54
  4.2 相关工作及分析  54-56
    4.2.1 Xuan 方案  55-56
    4.2.2 Tai 方案  56
    4.2.3 Tsai 方案  56
  4.3 基于HAM 的可逆水印算法(HSHAM)  56-61
    4.3.1 灰度直方图自适应调整技术(HAM)  57-58
    4.3.2 灰度溢出处理  58-60
    4.3.3 辅助信息处理与载荷结构  60
    4.3.4 水印嵌入过程  60-61
    4.3.5 水印提取和图像恢复过程  61
  4.4 实验结果与分析  61-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章基于图像分块的可逆图像水印算法  65-85
  5.1 引言  65-66
  5.2 基于图像分块的可逆图像水印算法框架(RIWFB)  66-69
  5.3 适于小尺寸图像的可逆图像水印算法  69-76
    5.3.1 水印嵌入阶段  70-72
    5.3.2 水印提取和图像恢复阶段  72
    5.3.3 灰度溢出处理及水印载荷结构  72-76
  5.4 基于图像分块的可逆图像水印算法(RIWB)  76-84
    5.4.1 图像分块水印嵌入次序及图像水印载荷结构  76-78
    5.4.2 图像块中的可逆图像水印算法  78
    5.4.3 失真平衡处理及水印嵌入参数的确定  78-80
    5.4.4 RIWB 水印嵌入  80
    5.4.5 RIWB 水印提取和图像恢复  80
    5.4.6 算法分析  80-81
    5.4.7 实验结果及分析  81-84
  5.5 本章小结  84-85
第六章基于特征点坐标的图像同步算法  85-103
  6.1 引言  85-86
  6.2 背景知识及问题描述  86-89
    6.2.1 基于特征点同步模板的水印算法框架  86
    6.2.2 基于特征点的几何变换确认技术-(TII)  86-88
    6.2.3 现有特征点同步模板存在的不足  88-89
  6.3 平面点集合的空间属性分析  89-93
    6.3.1 三点组合的RST 不变几何结构  89-90
    6.3.2 平面三点组合对象RST 变换参数的一致性  90
    6.3.3 三点组合对象的分组  90-92
    6.3.4 三点组合对象分层属性的变化  92-93
  6.4 基于图像特征点坐标的图像同步方案(GSCA)  93-97
    6.4.1 图像特征点的检测  94-95
    6.4.2 匹配对象的设计  95
    6.4.3 对象匹配的判定准则  95
    6.4.4 几何变换确认与错误匹配影响的处理  95-97
    6.4.5 匹配算法的优化  97
  6.5 GSCA 算法分析  97-98
  6.6 实验结果及分析  98-100
  6.7 GSCA 在可逆图像水印中的应用  100
  6.8 GSCA 与现有特征点同步模板的性能比较  100-101
  6.9 本章小结  101-103
第七章篡改定位精度可动态调整的可逆图像认证方案  103-118
  7.1 引言  103-104
  7.2 问题描述  104-105
  7.3 篡改定位精度可调的可逆图像认证框架(RIAF-VTLA)  105-106
    7.3.1 RIAF-VTLA 认证信息嵌入阶段  106
    7.3.2 RIAF-VTLA 水印提取、图像恢复和认证阶段  106
  7.4 篡改定位精度可动态调整的可逆图像认证算法(RADATL)  106-114
    7.4.1 认证块结构动态生成及标识  107-108
    7.4.2 可逆水印嵌入  108-109
    7.4.3 认证信息及认证块水印载荷生成  109
    7.4.4 认证端对有效认证块的识别  109-110
    7.4.5 可逆图像水印提取与图像恢复  110
    7.4.6 认证块签名验证  110-111
    7.4.7 算法分析  111-112
    7.4.8 实验结果及分析  112-114
  7.5 RADATL 对ROI 与RONI 的区别处理  114-115
  7.6 RADATL 抗剪裁处理  115-117
  7.7 本章小结  117-118
总结与展望  118-120
  一、工作总结  118-119
  二、工作展望  119-120
参考文献  120-131
攻读博士学位期间取得的研究成果  131-132
致谢  132-133
附件  133

可逆图像水印及可逆图像认证技术研究

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