数字水印技术在图像与图形中的研究

伴随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，数字水印被广泛地应用于版权保 护，数据跟踪与监视，多媒体认证等方面。针对不同的应用目的，学者们提出了 不同的解决方案及水印算法。本文从数字水印的实际应用出发，围绕着数字水印 技术在多媒体认证、数字地图和三维模型版权保护三个方面实际应用中需要解决 的问题，并对以上三个方面研究现状进行系统分析与论述的基础上，展开了深入 的研究与探讨，提出了如下一些新的水印算法和解决方案: 关于半脆弱水印算法及其在多媒体信息认证方面的应用，本文工作如下: (1)通过分析MHB算法，发现MHB算法中不仅认证码的生成部分和嵌入部分 完全分离，而且嵌入过程按比特位独立进行，各比特的嵌入互不相关，因而攻击 者可以改变一个嵌入块不会影响其它的嵌入块，且嵌入部分的改变不影响认证结 果。为此，本文对MHB算法进行改进，构造一种互相关策略，不仅使得认证码生 成块与嵌入块之间互相关，而且嵌入块与嵌入块之间也是互相关的，实现了一种 安全的子块相关半脆弱数字水印算法。理论证明显示改进的算法明显提高了篡改 攻击的安全性，且实验结果表明在质量因子Q)50的JPEG压缩下算法是鲁棒的， 对其它恶意攻击具有敏感性。 (2)针对数字签名在多媒体信息认证方面存在签名容易被删除，有损压缩 极易导致签名失效等缺陷，提出将半脆弱水印用于多媒体信息完整性与真实性认 证的方案。构建了一个集成加密、信息隐藏和半脆弱水印技术的网络安全交易模 型，系统地阐述了模型的组成、认证过程，分析并形式化证明了模型的安全性。 同时，探讨了将模型应用于电子商务信息安全交易的可行性。 关于数字地图版权保护方面的应用，本文工作如下: (1)基于数字栅格地图特有的着色机制和亮度统计特性，实验分析表明可 以在地图的直流分量中嵌入比一般自然图像更强的水印信号。据此本文提出分别 在离散余弦变换的直流分量和高频分量中重复嵌入有意义的水印信息，有效地解 决了直流分量中嵌入水印抗噪声性能差，高频分量中嵌入水印抗几何攻击能力弱 的问题。并依据地图固有特性寻找特征点，在提取前对水印地图做基于几何特征 的校准预处理，从而全面提高栅格地图水印抗综合攻击性能。 (2)分析并利用了遥感图像纹理特征和小波分解后的频域统计特性，提出 首先将大幅面的遥感图像划分成合适的大小，再对各子块图像作基于双正交7/5 小波分解，采用一定策略将二值水印图像嵌入到除低频子带外的其余子带中，并 实现盲检测。同时在嵌入过程中，通过对双正交9/7小波视觉模型的扩展，构造 摘要 了基于视觉系统7/5小波域量化噪声的视觉权重分析方法，使得水印嵌入强度能 够自适应于遥感图像子块。此外，采用求解方程组来求得Anrold反变换算法，避 免了反复进行水印置乱处理的巨大计算代价。 (3)通过对MQ以D算法的深入分析，找出引起MQUAD算法错误的关键因素， 并分别对其进行修正和扩展。提出在道路、河流等为代表的长折线层中直接嵌入 水印信息，而在其余地物层采用改进的MQUAD算法嵌入水印信息。具体嵌入时不 仅对纵横坐标同时嵌入水印，而且引入纵横坐标值位移的差值门限和位移量的门 限，实现矢量地图的双重扩频嵌入。实验结果表明提出的双重嵌入算法明显提高 了算法抗变形、噪声及各种剪切攻击性能。 (4)利用B样条曲线良好的持续逼近性，提出以非均匀三次B样条曲线拟合 等高线。基于B样条曲线的仿射不变性，根据等高线图的比例尺对坐标点序列作 适当的放大调整后，直接采用等高线图坐标点序列作为节点矢量，反算拟合三次 B样条曲线的控制顶点，并以纵横坐标构造相应的复数序列。采用离散小波变换 将序列分解，根据随机水印序列与模值特征系数的关系嵌入水印信号，并实现了 水印的盲检测。 关于三维网格模型水印算法，本文的工作如下: 基于Nielsno仿射不变量，本文提出了一种新的三维网格模型盲水印算法。 该算法首先计算模型网格顶点集的Nielsno仿射不变量，接着采用K一平均聚类算 法对不变量分组，以组为单位，分别应用QIM嵌入策略重复将水印信息调制到不 变量序列，求解Nielsno仿射不变量约束优化方程组，反算得嵌入水印后的网格 顶点。水印提取过程只需计算水印网格模型顶点的Nielsno仿射不变量，在分组 后应用嵌入的逆过程即可得到水印序列。此外，由于算法过程无需顶点的拓扑连 接关系信息，本文算法适用于具有顶点信息的任意几何模型。 综上所述，本文对半脆弱水印及其应用、数字地图水印和三维网格模型水印 的研究现状及算法实现进行了系统的分析和深入的研究，取得了一系列研究成 果。本文的研究工作丰富和完善了数字水印技术，对多媒体信息的版权保护发展 起到了积极的推动作用，尤其是数字地图水印的开拓性研究将进一步推动地理信 息系统的深入应用。