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基于版权保护的图像数字水印研究

作　者: 许文丽
导　师: 王育民
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 密码学
关键词: 版权保护数字水印差错控制编码混沌置乱扩频水印码分多址零知识证明安全承诺方案 RSA公钥密码体制
分类号: TP309.7
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

数字水印作为信息隐藏技术研究领域的重要分支,是实现版权保护或跟踪侵权行为的有效方法。它是通过一定的算法将某些秘密信息—水印嵌入到被保护的数字多媒体(如静止图像、音频、视频等)内容中,但不影响原内容的价值和使用,并且不能被人的感知系统察觉。数字水印必须难以被清除和破坏,这表明,对版权保护应用领域来说,数字水印技术必须具有较强的透明性、安全性和鲁棒性,在这个前提下,水印容量越大越好。本文主要对基于版权保护的图像数字水印及其零知识证明进行了研究,取得的主要成果如下:1.研究了数字水印系统的基本理论,包括数字水印生成技术、数字水印嵌入技术和数字水印提取、检测技术等。进一步研究了乘法水印的基于变换域系数分布模型所构造的鲁棒最优检测器及其检测阈值的确定方法,从而使得检测性能最优,或使检测错误率最低。2.结合伪随机置乱技术,提出了基于差错控制编码的数字水印方案。数字水印系统实际上可看作是一个通信系统,为了减少水印数据在载体信道中的传输错误,提高其安全性和隐蔽性,很有必要采用差错控制编码技术。采用伪随机序列对原始水印图像进行置乱,提高了水印的安全性、隐蔽性和抗剪切攻击的鲁棒性。3.提出了基于混沌置乱和混合变换域的扩频数字水印方案,该方案综合利用扩频技术所具有的抗干扰、抗衰落、抗多径干扰的能力以及很好的隐蔽性,利用混沌置乱技术能够增强数字水印的安全性和抗剪切攻击的能力以及利用混合变换域中DWT的多分辨率特性和DCT的能量压缩、去相关能力。实验结果表明,应用该方案,数字水印的安全性和隐蔽性有了很大提高,而且对剪切、平移、旋转等各种几何失真攻击和常见的信号处理(如添加噪音、JPEG压缩和滤波)攻击具有很强的鲁棒性,即使嵌有水印的图像遭受攻击后受损很严重,水印信息还是能够完好地提取出来。4.提出了基于Turbo码和CDMA的数字水印方案。CDMA是通信系统中一种有效的通信方式,具有抗噪声、抗干扰能力强,隐蔽性好,可多址复用,容量大等优点。将其应用于水印系统中,既能提高了水印的安全性和鲁棒性,还能够增加水印容量。在此基础上,为了减小水印提取过程中多址干扰(MAI)的影响,我们还采用了性能较好的编译码方法(如Turbo码)来降低接收机的检测门限,编码性能的改善直接提高了CDMA系统容量。5.对于CDMA数字水印系统,如果在一定数量(如64×64)的载体变换域系数中嵌入的水印数据量很大(如256×256),就会出现较强的同址分组干扰、宿主图像降质较严重和多址干扰等问题。对此,我们采取了三个有效措施:首先,在水印分组过程中,采用排序法构造水印分组矩阵,提取水印时,变害为利,使干扰信号变成彼此的增强信号,提高了提取出的水印质量;第二,通过对合路器合成后的编码水印序列中的每一个元素都加或减一个常数,使水印序列的幅值控制在一个适当的范围内,这样就有效解决了PSNR值下降较大的问题;第三,通过应用线性最小均方误差估计的方法对水印信息进行检测,进一步减小了MAI的影响。实验结果表明,所提出的方案和方法,切实实现了水印容量很大,宿主图像失真很小,水印的安全隐蔽性好,抗干扰、噪声以及常见图像处理攻击鲁棒性强等优点。6.在安全承诺方案和RSA公钥密码体制的基础上,提出了基于版权保护的零知识数字水印认证协议。协议采用的水印系统是乘法水印嵌入规则及其基于变换域系数分布模型构造的鲁棒优化检测器。我们还对前面提出的CDMA数字水印方案,提出了基于CDMA的零知识水印认证协议。对协议进行安全性分析表明,应用上述协议证明水印存在的同时,没有将水印、水印嵌入位置、提取密钥等敏感信息泄露出来,蓄意攻击者也就无法对水印进行修改、破坏或去除掉,协议满足完备性、正确性和零知识性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-28
  1.1 数字水印技术的研究背景  14-18
  1.2 数字水印技术的发展历史及国内外研究现状  18-20
  1.3 数字水印技术的基本理论  20-24
    1.3.1 数字水印定义、特点和分类  20-21
    1.3.2 数字水印系统的基本框架  21-23
    1.3.3 基于通信系统的数字水印模型  23-24
  1.4 本文的主要工作和内容安排  24-28
第二章数字水印系统基本理论  28-48
  2.1 数字水印生成技术  28-29
  2.2 数字水印嵌入技术  29-42
    2.2.1 空间域数字水印嵌入技术  29-31
    2.2.2 变换域数字水印嵌入技术  31-40
    2.2.3 压缩域数字水印嵌入技术  40-41
    2.2.4 基于人类视觉系统的视觉掩蔽模型  41-42
    2.2.5 嵌有水印的图像的质量评估  42
  2.3 数字水印检测技术  42-47
    2.3.1 数字水印检测器  42-46
    2.3.2 检测阈值的确定  46-47
  2.4 本章小结  47-48
第三章基于差错控制编码的数字水印方案  48-64
  3.1 引言  48-49
  3.2 TURBO码及其特性  49-58
    3.2.1 Turbo码编码器  49-50
    3.2.2 Turbo码译码器  50-53
    3.2.3 Turbo码软输入软输出译码算法  53-58
  3.3 编码水印的产生  58
    3.3.1 伪随机置乱  58
    3.3.2 Turbo码编码水印  58
  3.4 基于TURBO码的数字水印方案  58-62
  3.5 仿真实验及结果分析  62-63
  3.6 本章小结  63-64
第四章扩频数字水印方案  64-80
  4.1 图像置乱  64-67
    4.1.1 Arnold变换  65-66
    4.1.2 混沌动力系统  66-67
  4.2 数字信号直接序列扩频系统  67-70
    4.2.1 扩频通信的理论基础  67-69
    4.2.2 直接序列扩频原理  69-70
  4.3 扩频数字水印的生成  70
    4.3.1 置乱变换  70
    4.3.2 扩频水印的生成  70
  4.4 扩频水印的嵌入和提取  70-73
    4.4.1 变换域的选择  70-72
    4.4.2 扩频水印的嵌入  72
    4.4.3 扩频水印的提取和检测  72-73
  4.5 仿真实验  73-79
  4.6 本章小结  79-80
第五章基于CDMA的数字水印系统研究  80-102
  5.1 CDMA系统  81
    5.1.1 CDMA系统原理  81
    5.1.2 CDMA的特点  81
  5.2 CDMA水印的产生  81-83
  5.3 基于CDMA的数字水印系统  83-86
    5.3.1 CDMA数字水印嵌入  83-84
    5.3.2 数字水印的提取和检测  84-85
    5.3.3 嵌有水印的图像的质量评估  85-86
  5.4 CDMA水印系统容量和性能分析  86-91
    5.4.1 CDMA水印系统容量  86-87
    5.4.2 CDMA水印系统性能分析  87-91
  5.5 基于CDMA的大容量数字水印方案  91-94
    5.5.1 排序法构造分组矩阵产生CDMA水印  91-92
    5.5.2 CDMA水印的预处理  92
    5.5.3 基于线性最小均方误差估计的数字水印检测  92-94
  5.6 仿真实验  94-101
  5.7 本章小结  101-102
第六章零知识数字水印认证  102-124
  6.1 引言  102-103
  6.2 秘密承诺  103-105
  6.3 交互式证明系统  105-107
  6.4 零知识证明预备知识  107-111
    6.4.1 RSA公钥密码机制  107
    6.4.2 符号表示  107
    6.4.3 强RSA假设  107
    6.4.4 承诺方案  107
    6.4.5 知识证明子协议  107-111
  6.5 数字水印系统  111-112
  6.6 基于承诺方案的零知识水印认证协议及安全性分析  112-116
    6.6.1 基于承诺方案的零知识水印认证协议  112-114
    6.6.2 检测阈值的确定方法  114-115
    6.6.3 协议安全性分析  115-116
  6.7 基于RSA的零知识水印认证协议及安全性分析  116-119
    6.7.1 基于RSA的零知识水印认证协议  116-118
    6.7.2 协议安全性分析  118-119
  6.8 基于CDMA水印系统的零知识水印认证协议  119-123
    6.8.1 CDMA数字水印系统  119
    6.8.2 基于CDMA的零知识水印认证协议  119-122
    6.8.3 协议安全性分析  122-123
  6.9 本章小结  123-124
结束语  124-126
致谢  126-128
参考文献  128-138
攻读博士学位期间的研究成果  138-139

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