基于静态图像的数字水印技术研究
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摘要
数字水印技术为实现有效的知识产权保护提供了一条崭新的思路，近年来已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点问题。文中研究了基于静态图像的离散余弦变换域的数字水印版权保护技术。
通过对JPEG压缩以及人眼视觉系统理论的研究，确定了把水印信息嵌入到图像的离散余弦变换域的中频系数部分；为了加强数据传输时数字水印的安全性，使用了矩阵乱序加密方法；在详细分析数字水印技术特性和需求的基础上，从提高水印的不可见性和鲁棒性出发，对现有算法进行改进，提出了两个新的离散余弦变换域数字水印算法。一个是在分析原有的明文水印算法基础上，通过对原始载体图像进行量化处理来增强水印的嵌入强度。另一个是在分析了中频系数量化盲水印算法基础上，通过对水印信息进行纠错处理改进了该算法，使其表现出更好的鲁棒性。
最后对明文水印算法和盲水印算法及其改进的算法均进行了大量的不可见性和鲁棒性实验。实验结果表明，改进后的算法具有很好的不可见性，对常见的图像处理操作具有很强的鲁棒性。
Digital watermarking provides a novel way for the protection of intellectual property rights, and becomes a hot spot in the research of multimedia data security in recent years. The technique of DCT-Based digital watermarking for copyright protection of static image is studied in this paper.
By studying JPEG compression and HVS theory, watermarking information is embedded in the DCT intermediate frequency coefficient part of the image. In order to enhance security level in the data transfers, matrix scrambling algorithm is used. After deeply analyzing the technical characteristics and requirements of image watermarking, two present algorithms are improved to enhance their imperceptibility and robustness, and two DCT-based image watermarking algorithms which can be applied to copyright protection are put forward in this paper. The first method is an improved DCT-based private watermarking algorithm. The embedment intensity of watermarking is enhanced by the quantization of the originality carrier image. The second method is a DCT-based blind watermarking algorithm. After analyzing the algorithm of intermediate frequency coefficient quantization processing blind watermarking, the robustness of watermarking is enhanced by correcting the watermarking image.
Finally, a lot of experiments are performed to test the imperceptibility and robustness of the private watermarking algorithm and blind watermarking algorithm and the two improved algorithms. The experimental results indicate that the improved algorithms are more imperceptible and robust than the original algorithms.
通过对JPEG压缩以及人眼视觉系统理论的研究，确定了把水印信息嵌入到图像的离散余弦变换域的中频系数部分；为了加强数据传输时数字水印的安全性，使用了矩阵乱序加密方法；在详细分析数字水印技术特性和需求的基础上，从提高水印的不可见性和鲁棒性出发，对现有算法进行改进，提出了两个新的离散余弦变换域数字水印算法。一个是在分析原有的明文水印算法基础上，通过对原始载体图像进行量化处理来增强水印的嵌入强度。另一个是在分析了中频系数量化盲水印算法基础上，通过对水印信息进行纠错处理改进了该算法，使其表现出更好的鲁棒性。
最后对明文水印算法和盲水印算法及其改进的算法均进行了大量的不可见性和鲁棒性实验。实验结果表明，改进后的算法具有很好的不可见性，对常见的图像处理操作具有很强的鲁棒性。
Digital watermarking provides a novel way for the protection of intellectual property rights, and becomes a hot spot in the research of multimedia data security in recent years. The technique of DCT-Based digital watermarking for copyright protection of static image is studied in this paper.
By studying JPEG compression and HVS theory, watermarking information is embedded in the DCT intermediate frequency coefficient part of the image. In order to enhance security level in the data transfers, matrix scrambling algorithm is used. After deeply analyzing the technical characteristics and requirements of image watermarking, two present algorithms are improved to enhance their imperceptibility and robustness, and two DCT-based image watermarking algorithms which can be applied to copyright protection are put forward in this paper. The first method is an improved DCT-based private watermarking algorithm. The embedment intensity of watermarking is enhanced by the quantization of the originality carrier image. The second method is a DCT-based blind watermarking algorithm. After analyzing the algorithm of intermediate frequency coefficient quantization processing blind watermarking, the robustness of watermarking is enhanced by correcting the watermarking image.
Finally, a lot of experiments are performed to test the imperceptibility and robustness of the private watermarking algorithm and blind watermarking algorithm and the two improved algorithms. The experimental results indicate that the improved algorithms are more imperceptible and robust than the original algorithms.
引文
[1] 汪小帆，戴跃伟，茅耀斌，信息隐藏技术方法与应用．机械工业出版社，北京，2001
[2] Petitcolas F, Anderson R, Kuhn M. Information hiding - a survey. Proc. IEEE, 1999, 87 (8): 1062-1078.
[3] Johnson N F, Jajodia S.Exploring steganography-seeing the unseen. IEEE Computer, 1998,31 (2)26-34
[4] W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, A. Lu, Techniques for data hiding. IBM SYSTEM JOURNAL, VOL 35, NOS 3&4, 1996, 313-336
[5] Ross J. Anderson and Fabien A.P. Petitcolas: On The Limits of Steganography, IEEE Journal of Selected Areas in Communications, 16(4): 474-481, May (1998).
[6] 江早，信息伪装——一种崭新的信息安全技术，中国图像图形学报，1998(3)：83—86。
[7] 吴世忠、祝世雄、张文政等译，应用密码学协议、算法与C源程序，北京：机械出版社，2000。
[8] 王颖、黄志蓓等译，数字水印，电子工业出版社，2003。
[9] F.Hartung and M.Kutter "Multimedia Watermarking Techniques,"Proceedings of the IEEE,87(7): 1079-1107,1999.
[10] F.A.P.Peticolas,R.Anderson,and M.G.Kuhn. "Information Hiding:A Survey," Proceedings of the IEEE,87(7): 1062-1077,1999.
[11] 华先胜，静止图像的局部化多类数字水印，北京大学博士论文，2001年5月。
[12] 杜江，信息隐藏与数字水印技术研究，西安电子科技大学博士论文，2001年元月。
[13] A.Tirkel, G. Rankin, R. van Schyndel, W.Ho, N.Mee, and C. Osborne, Electronic watermark, In Proceddings DICTA 1993,666-672, December 1993
[14] 王新伟、余燕忠、潘仁良、刘建华，基于差错控制的图像水印算法，计算机工程Vol．29，No．8，2003年5月。
[15] Koch, E., and J. Zhao, Towards robust arid hidden image copyright labeling, in IEEE Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing, Jun 1995, pp.452-455.
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[18] 钮心忻，杨义先，基于小波变换的数字水印隐藏与检测算法，计算机学报，Vol．23，No．1，2000，PP：69-74。
[19] Xia Xiang-Gen, Charles G. Boncelet, Gonzalo R. Arce, A multiresolution watermark for digital images, Proc. Of IEEE, 1997, pp: 548-55.
[20] Wengwu Zhu, Zixiang Xiong, Ya-Qin Zhang, Multiresolution watermarking for images and video: a unified approach, Proc. Of International Conference on Image Processing, 1998, Vol. 1,pp: 465-468.
[21] 杜鹏超、唐通林，数字水印研究中常用的测试指标，测试技术与应用，No．11．2001。
[22] 卢朝阳，周幸妮，一种新的数据信息置乱算法，计算机工程与科学，Vol．20，No．3，1998，PP：28-31。
[23] 傅朝霞，DCT域明文水印及盲水印的研究，天津工业大学硕士论文，2002年元月。
[24] 刘振华、尹萍，信息隐藏技术及其应用，科学出版社2002。
[25] 孙圣和、陆哲明，矢量量化技术及其应用，科学出版社 2002。
[26] Human Visual System Features Enabling Watermarking, http://www-it.et.tudelft.nl/～inald/pubs/Watermarking/ICME2002.pdf
[27] 基于彩色静止数字图像的信息隐藏技术研究，http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/security/se-eshow/index.shtml
[28] 尤新刚，周琳娜，郭云彪，信息隐藏学科的主要分支及术语，CIHW2001，pp．43。
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[30] 丁玮，数字图像信息安全的算法研究，中科院博士论文，2000．5，北京，中科院计算机研究所．
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[45] 徐飞，施晓红，MATLAB应用图像处理，西安电子科技大学出版社，2002年5月。
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