基于數(shù)字水印的圖像認證技術研究本科畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文基于數(shù)字水印的圖像認證技術研究目 錄目 錄i摘 要iiiabstractiii第1章 緒 論11.1 選題背景及意義11.1.1 信息安全技術11.1.2 信息隱藏技術11.1.3 數(shù)字水印技術11.2 圖像認證技術研究概況21.2.1 空間域方法21.3 本文所做的的工作2第2章 數(shù)字水印的圖像認證技術22.1 認證水印的一般模型32.2 認證水印的算法分類42.3 認證水印的設計要求及評價指標42.3.1 認證水印的設計要求42.3.2 認證水印與魯棒水印的差別42.3.3 認證水印的評價標準42.4 一些典型的認證水印算法42.4.1 空域認證水印42.4.2 頻域認證水印5第3

2、章 基于混沌的空域脆弱認證水印53.1 人類視覺系統(tǒng)(hvs)53.1.1 圖像的位平面分解53.1.2 圖像的位平面表示63.2 混沌理論63.2.1 混沌動力系統(tǒng)與混沌序列73.2.2 logistic映射73.3 基于混沌的脆弱性認證水印算法設計73.3.1 水印的生成73.3.2 水印的嵌入83.3.3 篡改檢測和定位83.4 性能分析和仿真實驗93.4.1 性能分析93.4.2 仿真實驗9第4章 一種實用的可恢復脆弱認證水印94.1 認證水印算法設計94.2 圖像的置亂技術94.3 水印的生成和嵌入104.3.1 水印的生成104.3.2 仿真實驗10第5章 抗jpeg壓縮的自嵌入半

3、脆弱水印105.1 半脆弱數(shù)字水印概述105.2 相關基礎知識115.2.1 jpeg簡介115.3 水印信號設計115.4 水印嵌入過程115.5 水印差別檢測和圖像認證過程115.6 性能分析和仿真實驗115.6.1 性能分析115.6.2 仿真實驗及結果12第6章 結 論126.1 結論126.2 展望13參考文獻14致 謝15摘 要數(shù)字水印是信息隱藏技術研究領域的一個重要分支。關于數(shù)字多媒體信息的版權保護已有諸多論文闡述，而對信息內容的真實性認證，以及圖像的完整性認證是近幾年來隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展而產(chǎn)生并發(fā)展起來的，其迫切的市場需求和廣泛的應用前景已吸引了眾多的研究者投入到這一行列內，使

4、之成為當前信息認證領域研究的熱點。但關于（半）脆弱性水印技術的研究目前尚處于初級階段，在理論和實際成果方面還遠不如魯棒水印技術那么成熟，還存在許多問題有待于繼續(xù)研究和探討。本文主要研究數(shù)字水印的重要分支圖像認證水印：（略）關鍵詞：認證水??；(半)脆弱水印；混沌映射；jpeg壓縮abstractdigital watermarking is an important branch of information hiding technology. digital multimedia information on copyright protection has been discussed b

5、y a lot of papers, while the reality authentication of information content and the integrity authentication of image have developed with the development of network technology in recent years. the eager market demand and the wide application prospects have been attracting many researchers into the fi

6、elds so that the current information authentication becomes hot in the field of research. however, the (semi-) fragile watermarking technology is still in the initial stage, and far less mature than robust watermark technology in the results of theoretical and practical aspects. there are still many

7、 problems to be studied and explored. in this paper, an important branch of the digital watermark - a watermark image authentication is mainly discussed.key words: authentication watermark; (semi-)fragile watermark; chaotic map; jpeg compression第1章 緒 論1.1 選題背景及意義現(xiàn)代科學技術日新月異，隨計算機網(wǎng)絡技術和通信技術飛速發(fā)展，多媒體數(shù)字化浪潮

8、席卷全球，人們獲取信息的手段和資源極大豐富，這大大增強了人們處理信息的能力，標志著人類從此步入了信息時代。（略）1.1.1 信息安全技術信息安全技術隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機信息安全問題越來越受關注，因此，掌握信息安全管理和安全防范技術是非常必要的。隨著信息技術的發(fā)展而發(fā)展，是一門集數(shù)學、物理、通信、計算機等諸多領域的綜合交叉學科。信息安全的內涵在不斷的延伸，從最初的信息保密性發(fā)展到信息的完整性、可用性、可控性和不可否認性，進而又發(fā)展為“攻(攻擊)、防(防范)、測(檢測)、控(控制)、管(管理)、評(評估)”等多方面的基礎理論和實施技術馮登國.國內外信息安全研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢,網(wǎng)絡安全

9、技術與應用, 2001, 1:8-13.。（略）1.1.2 信息隱藏技術信息隱藏技術作為信息安全技術的一個新的研究領域，在計算機、通訊、保密學請用腳注說明。及網(wǎng)絡等領域有著廣闊的應用前景和巨大的社會需求，已經(jīng)吸引了眾多科研人員的目光。（略）1.1.3 數(shù)字水印技術此節(jié)可進一步概括。信息隱藏技術信息隱藏技術是把機密信息隱藏在大量信息中不讓對手發(fā)覺的一種技術。不斷地向縱深發(fā)展，（略）數(shù)字水印技術是指在多媒體信息中嵌入與之相關的或不相關的信息，而不影響原信息的使用價值，一般的要求是不為人的知覺系統(tǒng)所察覺華先勝,石青云.易損數(shù)字水印若干問題的研究,中國圖象圖形學報, 2001,6a(11): 1089

10、-1095.。（略）1.2 圖像認證技術研究概況數(shù)字水印技術是根據(jù)其應用一般可分為：用于版權信息保護的魯棒水印(robust watermaking)和用于篡改檢測的認證水印(authentication watermarking)。（略）1.2.1 空間域方法空間域方法是（略），其算法設計思想是由hash函數(shù)控制的圖像像素點的最低有效位schyndel r g, tirkel a z, osborne c f. a digital watermark.first ieee international image processing conference,austin,texas,1994,

11、2:86-90.。（略）在提取認證水印時重新計算圖像的checksum值并與水印信息中的checksum值是否一致即可walton s. information authentication for a slippery new age, drs dobbs journal, 1995, 20(4):18-26.。（略）在checksum算法的基礎上引入密碼系統(tǒng)加密，由密鑰控制水印的嵌入位置和幅度。該算法可以避免共謀攻擊，能夠檢測出多種篡改情況，增強了認證水印系統(tǒng)的安全性li c t, yang f m, lee c s. oblivious fragile watermarking sche

12、me for image authentication. proc ieee international conference on acoustics, speech, usa, 2002:3445-3448.（略）。（略）1.3 本文所做的的工作本文研究的主要工作是基于數(shù)字水印的圖像認證技術，針對圖像認證技術中的重點問題(包括篡改檢測、篡改定位精度和是否能夠區(qū)分正常的圖像處理和惡意篡改等)，在閱讀大量國內外相關資料，對圖像認證技術進行了深入研究和探討，包括圖像認證技術的基本思想；認證水印的定義、算法分類、設計要求以及與魯棒水印的區(qū)別；設計圖像認證系統(tǒng)應該注意的問題等。（略）第2章 數(shù)字水印

13、的圖像認證技術認證水印技術是隱藏通信與傳統(tǒng)密碼學相結合的產(chǎn)物，涉及到通信理論、圖像處理技術、密碼學等方面的理論，是一項交叉性很強的技術。（略）2.1 認證水印的一般模型圖像認證技術是對數(shù)字圖像的感知內容進行認證的一門技術，它主要回答兩個問題：（略）通用的認證水印系統(tǒng)包含兩個基本的模塊，即水印嵌入過程和水印提取過程(也稱為水印檢測)，數(shù)字水印嵌入的一般過程框架如圖 21所示。（略）圖 21認證水印嵌入的一般過程框架可以定義認證水印嵌入過程的通用公式：（略） (2.1)由式(2.1)可知。（略）水印提式取的一般過程基本框架如圖 22所示。（略）圖 22認證水印檢測的一般過程框架檢測時需要有原始圖像

14、i時： (2.2)由式(2.2)可知。（略）檢測時需要有原始水印w時：（略） (2.3)2.2 認證水印的算法分類認證水印的分類方法有很多種，分類的出發(fā)點不同其分類結果也不同，它們之間是既有聯(lián)系又有區(qū)別的。（略）2.3 認證水印的設計要求及評價指標2.3.1 認證水印的設計要求在實際應用中，一個實用的數(shù)字圖像認證系統(tǒng)應大致滿足以下要求：(1)對篡改操作與否應具備極強的判斷能力；(2)應對數(shù)字圖像圖像信息被篡改的程度進行有效描述；（略）2.3.2 認證水印與魯棒水印的差別認證水印的目的是檢測出圖像在傳輸或分發(fā)過程中是否被非法編輯、修改、破壞或惡意篡改過。而魯棒水印是為了保護數(shù)字圖像的版權，他能夠

15、追蹤產(chǎn)品的傳播，控制非法拷貝，追查盜版的來源。（略）2.3.3 認證水印的評價標準對于不同的認證水印算法，我們需要有一個算法好壞的評價標準。以下是常用的評價指標。（略）2.4 一些典型的認證水印算法2.4.1 空域認證水印最早提出的水印算法是將水印信息嵌入到隨機選擇的圖像點的最低有效位(lsb,least significant bit) ，這里的水印信息是通過計算像素值高7位的校驗和(checksum)得到的。（略）其嵌入算法框圖可見圖 23所示。圖 23 wong的水印嵌入算法2.4.2 頻域認證水印相對于空域而言，在變換域中，我們可以針對原始圖像的不同頻率分量進行不同的處理，從而大大的提

16、高認證水印的魯棒性及防篡改能力；（略）第3章 基于混沌的空域脆弱認證水印脆弱水印作為一項新型數(shù)字媒體認證技術，主要應用領域有電子商務、電子政務、法庭舉證、醫(yī)學鑒定、記實照相機等。（略）3.1 人類視覺系統(tǒng)(hvs)為了尋找數(shù)字水印不可覺察性與嵌入信息量之間的最佳平衡點，人們希望對自身的視覺系統(tǒng)進行更為精確的描述和分析。（略）3.1.1 圖像的位平面分解圖像信息隱藏的核心問題是在圖像中的不易被hvs所察覺的部分嵌入特定信息。（略）將整幅圖像分解8個位平面(如圖 31)來分析各個位平面的圖像特征。圖 31圖像cameraman的位平面分解圖3.1.2 圖像的位平面表示所謂位平面的表示就是將一個像素

17、的灰度值分解為二進制值，所有具有同權值的二值(0或1)構成的平面。（略）設i(m,n)是該圖像的一個像素，（略） (3.1)與之相反，圖像信號i(m,n)的合成可表示為：（略） (3.2)由式(3.2)可知。（略）3.2 混沌理論數(shù)字水印技術除了水印嵌入和提取外，還有許多工作需要做，如水印信號的選擇、編碼和調制等，（略）3.2.1 混沌動力系統(tǒng)與混沌序列近年來，采用混沌序列作為水印信號或調制水印信號己成為一個研究方向?；煦绗F(xiàn)象是非線性動力系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性的、類似隨機的過程。（略）一維離散時間非線性動力系統(tǒng)定義如下: (3.3)式(3.3)中，（略）3.2.2 logistic映射logist

18、ic、tent、chebyshev、henon映射等都可應用于生成混沌序列，其中一類簡單卻被廣泛研究的是logistic映射，（略）圖 32是初值分別為0.00011和0.00012的混沌序列軌跡。（略）圖 32混沌序列的初始敏感性3.3 基于混沌的脆弱性認證水印算法設計本文算法的基本思想是把圖像的分塊像素灰度均值作為水印信息，即分塊像素灰度均值二值化后由6位整數(shù)和2位小數(shù)組成。（略）3.3.1 水印的生成水印的產(chǎn)生框圖如圖 33所示。（略）圖 33水印的產(chǎn)生框圖3.3.2 水印的嵌入水印的嵌入框圖如圖 34所示。（略）圖 34 水印的嵌入框圖3.3.3 篡改檢測和定位水印的檢測和定位框圖如圖

19、 35所示。（略）圖 35 水印的篡改檢測和定位框圖3.4 性能分析和仿真實驗3.4.1 性能分析脆弱水印要求加入的水印不可察覺，為了評價嵌入水印后的圖像和原始圖像之間的差別，引入峰值信噪比(psnr)。（略）3.4.2 仿真實驗本算法在matlab 7.0平臺下進行了本實驗，采用了多幅標準圖像進行測試。（略）第4章 一種實用的可恢復脆弱認證水印圖像的完全認證應用于電子商務、電子政務、法庭舉證、醫(yī)學鑒定、記實照相機等領域，所有的這些應用要解決的核心問題鑒別圖像的真實性、完整性（略）4.1 認證水印算法設計本章提出的可恢復完全脆弱水印算法用于完整性認證和近似恢復被篡改部分?；舅枷胧窍葘D像按2

20、2大小不重疊分塊，計算圖像塊中4個像素點高6位比特的灰度均值作為水印信息。（略）4.2 圖像的置亂技術置亂技術可以作為水印圖像的預處理和后處理，它利用數(shù)字圖像具有的數(shù)字陣列的特點將原始圖像中像素的位置或顏色變得雜亂無章、面目全非，（略）4.3 水印的生成和嵌入4.3.1 水印的生成為便于算法描述，我們考慮一幅靜止灰度圖像錯誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。其大小為mn像素，其中m和n均為2的整數(shù)倍。（略）4.3.2 仿真實驗本算法在matlab 7.0平臺下進行了仿真，（略）。第5章 抗jpeg壓縮的自嵌入半脆弱水印jpeg(joint photographic experts group)圖像

21、格式己成為一個事實的標準，網(wǎng)絡上存在和傳輸?shù)膱D像大部分都是以jpeg格式存儲的。（略）5.1 半脆弱數(shù)字水印概述目前用于數(shù)字圖像內容認證的方法主要是半脆弱數(shù)字水印技術。對于數(shù)字圖像來說，一般保持圖像主要內容特征不變的失真被視為合理失真，如jpeg有損壓縮、濾波、亮度及對比度調整等；（略）5.2 相關基礎知識5.2.1 jpeg簡介jpeg是第一個被廣泛接受的單色和彩色靜止圖像壓縮標準。jpeg標準草案于1991年公布，1992年正式批準為國際標準，其后這個工作的進一步增強和擴展形成了iso 10918-3和itu-t建議t.84. （略）5.3 水印信號設計半脆弱認證水印的關鍵問題之一就是要找

22、到能表征圖像的特征集,最佳狀態(tài)是找到的特征集足夠穩(wěn)定(能抵抗一些常見的圖像處理如jpeg壓縮)，（略） 5.4 水印嵌入過程本文以三級harr離散小波變換后近似子帶ll3系數(shù)矩陣作為水印信息，滿足水印信息和圖像內容相關，（略） 5.5 水印差別檢測和圖像認證過程圖像的整個認證過程包括水印差別檢測和圖像認證（判斷是否是惡意篡改和進行篡改定位）等幾個部分。（略）5.6 性能分析和仿真實驗5.6.1 性能分析在算法安全性方面,采用logistic混沌映射機制加密調制生成水印，使得水印具有良好的安全性和隨機性。（略）5.6.2 仿真實驗及結果由實驗可知，該算法可以接受任何高于標準質量因子的jpeg壓縮

23、，而其它的操作均視為不合理篡改操作，且根據(jù)未通過認證的分塊可以確定篡改位置，精度為88塊。（略）第6章 結 論6.1 結論隨著網(wǎng)絡通訊技術的迅速發(fā)展和多媒體數(shù)字產(chǎn)品的增多，(略)。本文以靜止圖像中的認證水印技術為主要研究對象，對現(xiàn)有的各種認證水印算法進行了研究，并提出了一些新的方法和應用框架。下面總結本論文的工作主要包括幾個方面:(1)對己有的典型認證水印算法進行了系統(tǒng)的研究，總結歸納了認證水印的理論基礎及關鍵技術，對當前最新認證水印技術的發(fā)展進行了總結和評價。(2)提出了一種新的基于混沌的脆弱性數(shù)字水印，基于圖像22大小分塊，提取圖像分塊中各像素灰度高6位均值在混沌加密調制后，嵌入到每個像素點的最低2比特位。實驗仿真表明：該方案具有良好不可見性，可精確檢測圖像篡改和定位篡改精度。在此方案的基礎上，采用了置亂技術實現(xiàn)了篡改局域的近似恢復，計算過程簡單，容易實現(xiàn)是一個安全且實用的圖像認證算法。(3)在深入研究jpeg對小波低頻近似子帶影響的基礎上，提出了一種抗jpeg壓縮的認證水印算法，解決了jpeg壓縮對水印信號的破壞問題；提出了數(shù)字圖像認證分為兩個過程水印差別檢測和圖