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多媒体数字水印若干关键算法研究

作　者: 朱少敏
导　师: 刘建明
学　校: 中国电力科学研究院
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 多媒体信息安全数字水印版权保护内容认证可恢复脆弱水印优化鲁棒水印微分估算脐点量化索引调制零水印
分类号: TP309.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着电力信息化程度的不断提高和多媒体技术的广泛普及,电力生产、运行和管理过程中产生大量的图像、音频、视频、三维模型等多媒体信息。保证这些多媒体信息安全正成为电力信息安全研究与发展中亟待解决的难题之一。数字水印技术是解决多媒体信息安全的一种新型、有效和可靠的方法。随着智能电网的深入建设,数字水印将在电力系统信息安全领域发挥更加重要的作用。本文主要围绕多媒体信息的版权保护和内容认证的数字水印技术展开研究,分别选取数字图像和三维网格模型作为多媒体信息的典型代表和水印算法的研究对象。对涉及的图像和图形特征分析、人眼视觉特性、模式识别和智能计算等相关技术进行了深入研究,为多媒体水印技术的理论发展和实际应用提供有效的解决方案。本文的主要工作和创新点有：(1)提出了一种数字图像空间域自适应可恢复脆弱水印算法在可恢复脆弱水印算法的特性、关键问题和研究进展的基础上,提出了一种基于图像块自适应聚类关联机制的安全可恢复脆弱水印算法。该算法基于扩展的Torus变换生成数字图像的分块映射,由图像块的空间域视觉掩蔽特性组成特征向量,利用智能聚类算法建立水印嵌入块之间的关联关系,将由认证水印和恢复水印组成的特征水印通过混沌加密后,可靠地嵌入到映射块像素的最低有效位之中。实验结果表明该算法不仅篡改检测能力强,篡改定位准确度高,而且能够对篡改区域进行有效地图像内容恢复。(2)提出了一种数字图像变换域的优化鲁棒水印算法针对现有数字图像变换域鲁棒水印算法在水印不可见性和鲁棒性之间难以平衡的问题,提出了一种基于图像变换域差分进化的优化鲁棒水印算法。文中通过分析图像块离散余弦变换下的亮度特征和纹理特征,结合变换域下人眼视觉模型,建立图像块量化步长模型。利用差分进化算法的最优选择性质对模型参数寻优,建立水印嵌入强度的统计优化模型,实现鲁棒水印的自适应嵌入。大量实验结果表明,将智能计算寻优技术与变换域水印嵌入和检测策略有机结合不仅增强了算法的不可见性,而且提高了水印的整体鲁棒性能。(3)提出一种基于微分估算的三维网格视觉掩蔽模型为了获得稳定且独立的三维网格模型视觉特征,提出了一种基于微分几何的三维网格模型视觉掩蔽模型。详细地分析了三维网格模型一阶和二阶微分估算方法,将模型顶点法向量和粗糙度引入其中,为嵌入水印的网格顶点加入一个局部强度函数,使水印嵌入强度根据网格局部特征自适应变化。将该模型应用于复杂度不同的三维模型和不同的水印嵌入策略,实验结果证明了该掩蔽模型具有广泛适应性和较好稳定性。(4)提出了一种基于脐点的三维网格模型鲁棒水印算法三维网格模型中脐点反应了模型内在特征,是三维网格模型特征点。提出了一种基于三维网格脐点的自适应鲁棒水印算法。利用三维网格模型顶点测地邻域的矩阵特征值和特征向量,提取模型中脐点位置。利用模型视觉掩蔽特征,沿着脐点主方向自适应地修改脐点坐标实现水印嵌入。大量的实验结果表明这种算法能够很好地抵抗三维网格模型常规处理攻击和连通性攻击,与已有算法的性能比较也进一步验证了算法的优越性。(5)提出了一种基于自适应量化的三维网格模型盲水印算法为了实现水印算法的盲检测,将数字图像水印算法中的量化索引调制机制引入到图形水印算法研究中,提出了一种基于自适应量化三维网格模型全局几何特征的盲水印算法。利用三维网格模型预处理将模型变换到仿射不变空间,从而实现三维水印系统抵抗几何攻击的目的；结合所提出视觉掩蔽特性,自适应地确定水印量化强度,并实现水印盲检测。与同类算法相比,该算法水印嵌入容量大,不可见性好,且抵抗三维网格模型同拓扑攻击的能力强。(6)提出了一种三维网格模型变换域零水印算法三维网格模型相比其他多媒体水印载体具有复杂度高,敏感性强的特点,一种新的不用改变原始模型数据,而达到三维模型版权保护目的零水印机制日益受到人们广泛重视。提出了一种基于三维网格模型变换域的零水印算法。在深入分析三维网格模型顶点之间距离矩阵的基础上,利用拉普拉斯频谱分析的方法将三维网格模型的点面信息转变为变换域下的频谱系数；利用差值量化中频功率谱系数值的方式,从而得到三维网格模型变换域下的零水印。与同类算法相比,该算法水印唯一性好,且抵御多种三维网格模型攻击的能力强。本论文的研究得到国家电网公司科技项目“多屏同步3D显示技术的研究”和“新一代电力信息通信(ICT)网络模式研究”的资助,同时还得到国网信息通信有限公司科技自建项目“三维网格模型数字水印技术的研究”的资助。项目研究成果对提高电力信息网多媒体信息安全水平有积极的意义,已获得国网信息通信有限公司科技进步一等奖。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景和意义  9-10
  1.2 电力系统多媒体研究与应用现状  10-12
    1.2.1 数字音频的研究与应用  10
    1.2.2 数字图像的研究与应用  10-11
    1.2.3 虚拟现实的研究与应用  11
    1.2.4 可视化技术的研究与应用  11-12
  1.3 本文所做的主要工作  12-15
    1.3.1 论文主要创新成果  12-13
    1.3.2 论文章节安排  13-15
第二章数字水印技术研究  15-23
  2.1 引言  15
  2.2 数字水印模型  15-16
  2.3 数字水印分类  16-17
  2.4 数字水印性能评价  17-18
  2.5 数字水印攻击  18-19
  2.6 数字水印应用  19-20
  2.7 数字水印研究现状  20-23
第三章自适应可恢复图像脆弱水印算法  23-39
  3.1 引言  23
  3.2 基于脆弱水印的图像认证与恢复  23-26
    3.2.1 可恢复脆弱水印特性  24
    3.2.2 可恢复脆弱水印的关键问题  24-25
    3.2.3 可恢复脆弱水印的研究进展  25-26
  3.3 基于自适应可恢复脆弱水印算法  26-37
    3.3.1 k均值聚类算法  26-27
    3.3.2 图像预处理  27-28
    3.3.3 脆弱水印生成与嵌入  28-31
    3.3.4 篡改检测与恢复  31-32
    3.3.5 实验结果与分析  32-37
  3.4 小结  37-39
第四章基于差分进化的图像鲁棒水印算法  39-65
  4.1 引言  39-40
  4.2 差分进化算法  40-44
    4.2.1 差分进化算法的基本原理  40-41
    4.2.2 差分进化算法的基本流程  41-43
    4.2.3 差分进化算法的扩展形式  43-44
  4.3 基于差分优化的图像水印算法  44-64
    4.3.1 相关图像处理基础  44-47
    4.3.2 水印图像预处理  47-48
    4.3.3 人类视觉统计优化模型  48-52
    4.3.4 水印嵌入  52-53
    4.3.5 水印检测  53-55
    4.3.6 实验结果与分析  55-64
  4.4 小结  64-65
第五章三维网格模型空间域鲁棒水印算法  65-107
  5.1 引言  65
  5.2 三维网格模型水印算法研究基础  65-73
    5.2.1 三维模型的建模与表示方法  65-67
    5.2.2 三维网格模型水印算法的特点  67-68
    5.2.3 三维网格模型水印算法的分类  68-71
    5.2.4 三维网格模型水印的攻击与评价  71-73
  5.3 基于脐点的三维网格模型自适应鲁棒水印算法  73-93
    5.3.1 三维网格模型离散微分几何  74-78
    5.3.2 基于微分估算的视觉掩蔽模型  78-80
    5.3.3 水印嵌入  80-81
    5.3.4 水印检测  81-84
    5.3.5 实验结果与分析  84-93
  5.4 基于自适应量化的三维网格模型盲水印算法  93-106
    5.4.1 三维网格模型预处理  93-94
    5.4.2 水印嵌入  94-96
    5.4.3 水印检测  96-97
    5.4.4 实验结果与分析  97-106
  5.5 小结  106-107
第六章三维网格模型变换域零水印算法  107-127
  6.1 引言  107-108
  6.2 三维网格模型零水印模型  108-110
  6.3 三维网格模型频谱分析  110-114
  6.4 基于网格模型变换域零水印算法  114-125
    6.4.1 零水印构造  115
    6.4.2 零水印检测  115-117
    6.4.3 实验结果与分析  117-125
  6.5 小结  125-127
第七章总结与展望  127-129
  7.1 全文总结  127-128
  7.2 展望  128-129
参考文献  129-139
致谢  139-141
在学期间发表的学术论文、科研及获奖情况  141-143

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