（通信与信息系统专业论文）版权保护和身份认证中的数字水印及指纹识别算法研究.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of electronic and information engineering research on algorithms for digital watermarking and fingerprint recognition in copyright protection and authentication a thesis in communication and information system by fan jun advised by prof. wu yiquan submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering december, 2011 承诺书承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着多媒体技术的广泛应用，需要加密、认证和版权保护的数字作品也越来越多，因而 如何防范这类数字作品的信息泄露以及发生信息泄漏时怎样追根溯源显得非常重要，因此对 数字作品进行版权保护和身份认证已成为一个迫在眉睫的现实问题。本文在分析总结国内外 学者研究成果的基础上，研究了版权保护和身份认证中的数字水印算法和指纹识别算法，主 要工作如下： 首先，研究了基于核模糊 c 均值聚类、奇异值分解和人类视觉感知模型的复小波域水印 算法。算法首先采用与人类视觉系统相关的载体图像背景和纹理进行核模糊聚类，然后把载 体图像经复小波分解得到的低频系数做奇异值分解处理，最后把水印嵌入到奇异值中。实验 结果表明，该算法具有很好的鲁棒性和不可见性，性能大大优于基于空间域和小波域的相关 水印算法。 其次，提出了基于尺度不变特征变换(sift)、伪 zernike 矩和复 contourlet 变换抗几何攻 击水印算法。算法首先选择复 contourlet 变换低频近似分量作为 sift 算法的样本总体，利用 关键点构造图像的局部兴趣特征点范围，计算此范围的伪 zernike 矩并归一化处理，对每个 图像的局部兴趣特征点范围采用抖动量化矩幅值法嵌入水印。实验证明该算法对几何攻击具 有很强的鲁棒性。 随后，实现了基于灰度级-梯度直方图的二维最小 tsallis 交叉熵阈值分割快速迭代算法。 采用灰度级-梯度直方图及其区域划分方法，导出了基于该二维直方图区域划分的最小 tsallis 交叉熵阈值分割快速迭代算法公式，实现了图像的阈值分割。与原始交叉熵算法和基于灰度 级-平均灰度级直方图的 tsallis 交叉熵算法相比， 该算法在图像分割效果及算法运行时间两方 面优势明显。 接着，给出了一种基于点模式和支持向量分类的指纹特征匹配算法。首先对指纹图像进 行点模式指纹特征匹配，然后采用支持向量机对样本向量进行分类训练，完成对细节特征点 的再次匹配，最后对两种匹配结果进行分类器融合。实验结果表明该算法的匹配精度明显优 于基于传统点模式的指纹特征匹配算法和基于局部特征的点模式指纹特征匹配算法。 最后，讨论了基于 logistic 混沌映射的指纹图像脆弱水印算法及身份认证系统设计。脆 弱水印算法部分，首先对载体图像进行复 contourlet 变换提取低频分量，然后计算低频分量 的奇异值，最后用 logistic 混沌映射产生认证水印，把认证水印嵌入到奇异值中。身份认证 系统部分，首先把合法用户指纹信息作为认证水印嵌入到身份证件中，当进行身份识别时， 提取身份证件中的指纹信息，并与采集的指纹信息进行特征匹配，最终完成身份识别。水印 版权保护和身份认证中的数字水印及指纹识别算法研究 ii 算法具有很好的脆弱性和不可感知性，且由于指纹信息不是来自于数据库，避免了用户篡改 指纹信息，提高了 afis 的安全性。 关键词：关键词：数字水印，指纹识别，复 contourlet 变换，核模糊 c 均值聚类，人类视觉感知模型， 尺度不变特征变换，支持向量分类，伪 zernike 矩 南京航空航天大学硕士学位论文 iii abstract with the extensive application of multimedia technology, more and more digital works need to be encrypted, authenticated and copyright protected. how to prevent information leakage of digital works and how to confirm the copyright of owners when the information leakage occurs are very important. therefore, copyright protection and authentication of digital works have become an imminently practical problem. on the basis of analysis and summary of research results at home and abroad, this thesis studies digital watermarking and fingerprint recognition algorithms in copyright protection and authentication. the main tasks are as follows: firstly, a watermarking algorithm based on kernel fuzzy c-means clustering, singular value decomposition and human visual model in the complex wavelet domain is studied. first, textures and backgrounds of carrier images related to human visual system are processed by kernel fuzzy clustering. then, singular value decomposition is conducted on the low-frequency coefficients of complex wavelet decomposition of carrier image. finally, the watermark is embedded into the singular values. experimental results show that the algorithm has good robustness and invisibility; it has better performance than the watermarking algorithms in spatial domain or wavelet domain. secondly, the watermarking algorithm against geometric attacks based on scale invariant feature transform (sift), pseudo-zernike moments and complex contourlet transform is proposed. low-frequency approximation components of complex contourlet transformation are chosen as the sample population for the sift algorithm. the local interest feature point range of the image is constructed by key points. pseudo-zernike moments of the range are calculated and normalized. watermark is embedded by jitter quantitative moment amplitude method for each local interest feature point range. the experimental results show that the algorithm has strong robustness for geometric attacks. then, a fast iterative algorithm of improved two-dimensional minimum tsallis cross-entropy thresholding based on gray level-gradient histogram is implemented for image segmentation. by using the gray level-gradient histogram and its regional division method, the fast iterative algorithmic formulas of minimum tsallis cross-entropy thresholding method based on the two dimentional histogram regional divisions are derived.the image thresholding segmentation is achieved. experimental results show that the algorithm has better performance and less computing time than the original cross-entropy algorithm and tsallis cross-entropy algorithm based on gray 版权保护和身份认证中的数字水印及指纹识别算法研究 iv level-average gray level histogram. next, a fingerprint feature matching algorithm based on point pattern and support vector classification is discussed. first, the fingerprint images are matched by fingerprint feature of point pattern. then, support vector machine is adopted for the classification training of sample vector, and the detail minutiae are matched again. at last, the two matching results are fused by classifier. the experimental results show that the algorithm has better performance than the fingerprint feature matching algorithm based on traditional point pattern or point pattern of local feature. finally, a fingerprint images fragile watermarking algorithm based on logistic chaotic map and a design of identity authentication system are discussed. in the fragile watermarking algorithm part, low-frequency components are first extracted from the carrier image using complex contourlet transform, and then the singular values of low-frequency components are calculated. at last, the authentication watermark is generated by logistic chaotic map, which is embedded into the singular values. in the identity authentication system part, the fingerprint information of legal users is embedded into id card as authentication watermark. when it comes to personal identification, fingerprint information of id card is extracted and matched with the collected fingerprint information to complete the personal identification. watermarking algorithm shows good vulnerability and imperceptibility, and improves the security of automatic fingerprint identification system (afis) since the fingerprint information is not from the database, which avoids to be tampered by users. keywords: digital watermarking, fingerprint recognition, complex contourlet transform, kernel fuzzy c-means clustering, human visual perception model, scale invariant feature transform, support vector classification, pseudo-zernike moments 南京航空航天大学硕士学位论文 v 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景和意义 . 1 1.2 课题的国内外研究概况 . 2 1.2.1 数字水印技术的研究概况 . 2 1.2.2 指纹识别技术的研究概况 . 4 1.2.3 数字水印和指纹识别技术结合的研究概况 . 5 1.3 本文的章节安排和主要创新点 . 5 1.3.1 本文的章节安排 . 5 1.3.2 本文的主要创新点 . 6 第二章 基于核模糊聚类和奇异值分解的复小波域水印算法 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 相关理论 . 9 2.2.1 核模糊 c 均值聚类（kfcm） . 9 2.2.2 双树复小波变换 . 11 2.2.3 图像的奇异值分解 . 12 2.2.4 双树复小波域的人类视觉系统感知模型 . 13 2.3 水印的嵌入和提取算法 . 13 2.3.1 水印嵌入算法 . 13 2.3.2 水印提取算法 . 14 2.4 实验结果与分析 . 14 2.5 本章小结 . 17 第三章 基于复 contourlet 变换和 sift 的伪 zernike 矩抗几何攻击水印算法 . 18 3.1 引言 . 18 3.2 相关理论 . 19 3.2.1 复 contourlet 变换 . 19 3.2.2 尺度不变特征变换（sift）特征点提取 . 21 3.2.3 伪 zernike 矩. 22 3.3 算法原理及实现步骤 . 23 3.3.1 数字水印嵌入算法 . 23 版权保护和身份认证中的数字水印及指纹识别算法研究 vi 3.3.2 数字水印提取算法 . 24 3.4 实验结果与分析 . 24 3.5 本章小结 . 27 第四章 改进的二维最小 tsallis 交叉熵指纹图像阈值分割的快速迭代算法. 28 4.1 引言 . 28 4.2 灰度级-梯度直方图最小 tsallis 交叉熵阈值分割的快速迭代算法 . 29 4.2.1 灰度级-梯度二维直方图 . 29 4.2.2 快速迭代算法公式 . 30 4.3 算法流程和实现步骤 . 32 4.3.1 快速迭代算法流程 . 32 4.3.2 快速迭代算法实现步骤 . 32 4.4 实验结果与分析 . 33 4.5 本章小结 . 37 第五章 基于点模式和支持向量分类的指纹特征匹配算法 . 38 5.1 引言 . 38 5.2 指纹特征匹配 . 39 5.2.1 基于点模式的指纹特征匹配 . 39 5.2.2 基于支持向量分类的指纹特征匹配 . 41 5.2.3 分类器融合 . 42 5.3 指纹匹配算法流程 . 42 5.4 实验结果与分析 . 42 5.5 本章小结 . 45 第六章 基于 logistic 混沌映射的指纹图像脆弱水印算法及身份认证系统设计 . 46 6.1 引言 . 46 6.2 基于 svd 和 logistic 映射的复 contourlet 域指纹图像脆弱水印算法 . 47 6.2.1 logistic 混沌映射 . 47 6.2.2 认证水印生成与嵌入算法 . 47 6.2.3 认证水印提取算法 . 48 6.2.4 篡改检测及定位 . 49 6.3 指纹特征匹配算法 . 49 6.4 身份认证系统流程图 . 50 6.5 实验结果与分析 . 50 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 6.5.1 脆弱性验证 . 50 6.5.2 篡改检测与定位验证 . 51 6.6 本章小结 . 53 第七章 总结与展望 . 54 7.1 本文的主要工作 . 54 7.2 进一步研究工作及展望 . 55 参考文献 . 57 致 谢 . 64 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 65 版权保护和身份认证中的数字水印及指纹识别算法研究 viii 图表清单 图 2.1 相邻的 8 个像素点示意图 . 10 图 2.2 普通小波变换 . 11 图 2.3 双树复小波变换原理图 . 12 图 2.4 原水印图像 . 14 图 2.5 水印嵌入结果和相应的 psnr 值 . 15 图 2.6 水印在常规信号处理下的实验结果 . 16 图 3.1 contourlet 变换原理图 . 19 图 3.2 contourlet 变换滤波器组结构图及频率分解原理图 . 19 图 3.3 复 contourlet 变换两级