（电力电子与电力传动专业论文）基于超复数频域的视感知数字水印算法研究.pdf

r e s e a r c ho fi m a g ew a t e r m a r k i n gb a s e do nh y p e r c o m p l e xf o u r i e r t r a n s f o r ma n dv i s u a lp e r c e p t i o n b y l ib a o s e n b e ( h u a n g h u a iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e e o f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd | r i v e s i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ic e m a y , 2 0 1 1 l _ - - 一 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：专复疲 日期：加年。y 月膳e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：李盅森 导师签名：苍渠q，、 日期：弘f 年。r 月汐e 1 日期：锄7 年 月夕日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 附图索引 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 课题研究现状。2 1 3 本文的主要研究内容：。：4 1 4 本文的组织结构5 第2 章数字水印技术原理。7 2 1 数字水印的基本概念7 2 2 数字水印的分类：7 2 3 数字水印的理论模型7 2 4 数字水印的经典算法8 2 4 1 时( 空) 域水印算法8 2 4 2 变换域水印9 2 5 数字水印的攻击及评价标准l o 2 5 1 数字水印的攻击1o 2 5 2 数字水印的评价标准一1 1 2 6 本章小结1 1 第3 章超复数及超复数傅里叶变换1 3 3 1 超复数及基本运算规则l3 3 1 1 超复数的基本概念1 3 3 1 2 超复数的基本运算规则1 3 3 2 超复数傅里叶变换15 3 2 1 四元数的偶对分解及傅里叶变换1 5 3 2 2 超复数快速傅里叶变换一1 6 3 3 超复数在数字图像处理中的应用简介1 7 基于超复数频域的视感知数字水印算法研究 3 4 本章小结1 8 第4 章超复数频域相位谱的显著性检测算法研究1 9 4 1 视觉注意力机制概述1 9 4 2 几种常见的显著性区域检测算法简介2 0 4 2 1i t t i 视觉注意力模型2 0 4 2 2 谱残差显著性检测模型2 1 4 3 超复数空域相位谱的视觉显著性检测算法2 3 4 3 1p q f t 算法概述2 4 4 3 2p q f t 测试实验结果2 5 4 4 基于多尺度超复数频域相位谱的显著性区域检测算法研究2 7 4 4 1 图像的尺度空间2 7 4 4 2m s p q f t 算法的实现。2 8 4 4 3m s p q f t 实验结果3 0 4 5 本章小结_ 3 3 第5 章基于超复数频域视感知的数字图像水印算法3 4 5 1 超复数水印算法的原理3 4 5 1 1 彩色图像的超复数水印模型3 4 5 1 2 超复数频域水印嵌入的前提条件3 6 5 1 3 采用量化索引调制实现盲检测。3 7 5 2 交互单区域的超复数水印的嵌入与提取3 7 5 2 1 水印嵌入前的预处理3 8 5 2 2 水印嵌入流程3 9 5 2 3 水印的检测和提取4 0 5 3 单显著性区域的超复数水印的嵌入与提取4 0 5 4 双显著性区域的超复数水印的嵌入与提取4 1 5 5 抗攻击测试4 2 5 6 本章小结。4 7 结论与展望4 8 参考文献5 0 弱c 谢5 4 附录a 发表的学术论文目录5 5 硕士学位论文 摘要 随着信息化进程的不断推进，计算机视觉、数字通信及多媒体技术诸多领域研究的 深入，使得信息的提取、分析、创作以及传播形式愈加便捷。数字媒体作品具有易于制 作、修改、存储及传播等众多优点，使其得到越来越广泛的应用；与此同时，数字多媒 体信息被非法拷贝和篡改等也越来越容易。因此，如何在现代信息环境中保护数字多媒 体作品版权及其完整性等已成为一个亟待解决的问题。数字水印技术作为实现图像认 证、版权保护等的有效手段，越来越受到人们的关注。 本文针对新闻、广告、平面艺术等彩色数字作品内容频频被侵权这一典型版权内容 保护问题，在超复数频域的整体框架下，提出了一种基于视觉显著性的超复数频域彩色 图像数字水印的解决方案。文中，研究了如何提取彩色图像的视觉显著性区域；以及如 何针对这些常常代表数字作品内容的待保护区域，利用超复数频域系数间的相关性，对 鲁棒版权水印嵌入、提取技术及抗攻击能力等进行了有益地尝试。本文的主要工作如下： 首先，在视觉显著性区域往往就是数字版权作品待保护区域这一事实的基础上，结 合已有的超复数频域显著性检测方法，提出了一种多尺度超复数频域相位谱的视觉显著 自动提取算法。该算法在更加符合人类视觉感知的h s v 颜色空间构建彩色超复数四元 数模型，并利用人类视觉的多尺度分辨特性及频域相位谱可反映图像结构信息等特性， 实现了对彩色图像显著性区域的快速检测算法。实验结果表明：大多数情况下，所提算 法优于传统的显著性提取算法，能够准确的检测出图像的显著“内容 区域。 其次，在超复数颜色矢量空间的傅立叶变换域中，研究了用户自定版权保护区域与 自动提取显著性保护区域情况下的数字水印算法。在用户交互指定的版权保护区域或自 动提取的显著性区域获得后，算法首先对该区域进行超复数傅立叶变换，并实现版权水 印的混沌置乱；随后再根据置乱后的水印，对区域内中频段的频域系数进行量化调制， 实施版权水印的嵌入。其反过程，则为水印提取过程。自动提取的显著性区域由于与用 户指定内容大多数情况下趋于一致，故算法实现了版权水印的自动嵌入与提取，具有较 强的实用性。 最后，通过实验表明，本算法具有良好的隐藏性和抗攻击性能，对彩色图像内容的 版权及完整性等起到了很好的保护作用，具有较强的实用价值。 关键词：数字水印；显著性区域检测；超复数；超复数傅立叶变换；混沌置乱 基于超复数频域的视感知数字水印算法研究 a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u sp r o g r e s so ft h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o n , t h ef u r t h e rr e s e a r c h e si n m a n yf i e l d ss u c ha sc o m p u t e rv i s i o n , d i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g ym a k e i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n , a n a l y s i s ，c r e a t i o na n dt h ef o r mo fd i s s e m i n a t i o nm o r ec o n v e n i e n t d u e t om a n ya d v a n t a g e so fe a s yt op r o d u c t , m o d i f y ，s t o r a g ea n dd i s s e m i n a t e ，s od i 西t a lm e d i a w o r k sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ；a tt h es a m et i m e ，d i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ni s p r o n et ob ec o p i e da n da l t e r e di l l e g a l l y t h e r e f o r e ，h o wt op r o t e c tt h ec o p y r i g h ta n di n t e g r i t y o fd i g i t a lm u l t i m e d i ai nt h em o d e mi n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n th a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y ，a sa ne f f e c t i v em e a n so fi m a g ea u t h e n t i c a t i o na n d c o p y r i g h tp r o t e c t i o n , h a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ef o c u s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni s s u e st h a tn e w s ，a d v e r t i s i n g ， g r a p h i ca r t sa n dc o l o rc o n t e n to fd i g i t a lw o r k sa r ef r e q u e n t l y 蛐g e d , am e t h o do fc o l o r i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nv i s u a ls i g n i f i c a n tu n d e rt h eo v e r a l lf r a r i l e w o r ko ft h e u l t r a - c o m p l e xf r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e d ，i nt h i sp a p e r ，w es t u d yh o wt oe x t r a c tv i s u a l s i g n i f i c a n tr e g i o no ft h ec o l o ri m a g ea n dh o wt ou s ec o r r e l a t i o nb e t w e e nu l t r a - c o m p l e x f r e q u e n c yd o m a i nc o e 街c i e n t si nt h e s ea r e a sp r o t e c t e do nb e h a l fo fd i g i t a lw o r kc o n t e n t , a n d t h e nw et e s tw a t e r m a r ke m b e d d i n g ，e x t r a c t i o na n da n t i a b i l i t yo nt h er o b u s t n e s so ft h e c o p y r i g h t ，t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so fv i s u a la r e a st h a ti so f t e nas i g n i f i c a n ta r e a st ob ep r o t e c t e d c o p y r i g h tw o r k s ，c o m b i n e dw i t hs i g n i f i c a n td e t e c t i o nm e t h o d so fu l t r a - c o m p l e xf r e q u e n c y d o m a i n , a n a u t o m a t i ce x t r a c t i o na l g o r i t h mt h a tm u l t i s c a l ev i s u a l s i g n i f i c a n tu s i n gp h a s e s p e c t r u m i ns u p e rc o m p l e x f r e q u e n c y d o m a i ni s p r o p o s e d , w h i c hc o n s t r u c t s c o l o r h y p e r - e o m p l e xq u a t e m i o ni nh s vc o l o rs p a c et h a ti sm o r ec o n s i s t e n t 、衍也h u m a nv i s u a l p e r c e p t i o n , a n du s i n gh u m a nv i s u a l sm u l t i - s c a l er e s o l u t i o np e r f o r m a n c ea n df r e q u e n c yp h a s e s p e c t r u mt or e f l e c tt h ei m a g es t r u c t u r ei n f o r m a t i o na n do t h e rc h a r a c t e r i s t i e s a n dt h e n a c h i e v i n gr a p i dd e t e c t i o na l g o r i t h mo fs i g n i f i c a n tr e g i o ni nac o l o ri m a g e t h er e s u l t ss h o w t h a t ：i nm o s tc a s e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ls a l i e n c ye x t r a c t i o n a l g o r i t h m s ，a n da c c u r a t e l yd e t e c t ss i g n i f i c a n t ”c o n t e n t ”a r e ai na l li m a g e s e c o n d l y ，i nt h eu l t r a - c o m p l e xf o u r i e rt r a n s f o i t nd o m a i no ft h ec o l o rv e c t o rs p a c e ，w e s t u d yt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi nc a s eo fu s e r sc u s t o m i z e dc o p y r i g h tp r o t e c t e d a r e a sa n da u t o m a t i ce x t r a c t i o np r o t e c t e da r e a a f t e ro b t a i n i n gt h eu s e ri n t e r a c t i o ns p e c i f i e dc o p y r i g h tp r o t e c t e da r e a so ra u t o m a t i c e x t r a c t i o ns i g n i f i c a n t r e g i o n a l ，f i r s t l yt h ea l g o r i t h mp e r f o r m sf o u r i e rt r a n s f o r mo ft h e 硕士学位论文 o b t a i n e dr e g i o na n da c h i e v ec h a o t i cs c r a m b l i n go fc o p y r i g h tw a t e r m a r k s ；t h e na c c o r d i n gt o t h ew a t e r m a r ks c r a m b l e d , f r e q u e n c yd o m a i nc o e f f i c i e n t so ff x e q u e n c yb a n da r cq u a n t i z e di n t h er e g i o n , t h ec o p y r i g h tw a t e r m a r ke m b e d d 吨i si m p l e m e n t e d t h ea n t i - p r o c e s si st h e w a t e r m a r ke x t r a c t i o n p r o c e s s b e c a u s eo ft h ea l m o s tc o n s i s t e n t a u t o m a t i ce x t r a c t i o n s i g n i f i c a n tr e g i o n 、7 i ，i t l lu s e r - s p e c i f i e d c o n t e n ta r e ai nm o s te a s e s ，t h ea l g o r i t h mc a n a u t o m a t i c a l l ye m b e da n de x t r a c tc o p y r i g h tw a t e r m a r k ，w h i c hi sv e r yp r a c t i c a l f i n a l l y ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c eo ft h e h i d d e na n dt h er e s i s t a n c et oa t t a c k , w h i c hh a sav e r yg o o dp r o t e c t i o nf o rc o p y r i g h ta n d i n t e g r i t yo fc o l o ri m a g ec o n t e n ta n das t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；s i g n i f i c a n tr e g i o nd e t e c t i o n ；h y p e r c o m p l e x ； h y p e r c o m p l e xf o u r i e rt r a n s f o r m ；c h a o t i cs c r a m b l i n g i i i 基于超复数频域的视感知数字水印算法研究 附图索引 图1 1 恶意篡改的伪造图片。1 图2 1 水印信号嵌入框图。7 图2 2 水印信号提取框图8 图3 1l e n a 图像的水平分量和垂直分量1 6 图4 1 视觉显著性目标或区域1 9 图4 2 视觉注意力示例2 0 图4 3i t t i 提出的视觉注意力算法示意框图一2 1 图4 4i t t i 模型和s r 模型的显著性检测结果对比2 2 图4 5 利用p q f t 显著性模型的实验结果2 6 图4 6 图像的高斯金字塔2 8 图4 7m s p q f t 算法框图。2 8 图4 8 利用m s p q f t 方法得出的实验结果。3 2 图4 9 利用m s p q f t 方法检测失效的例子一3 2 图5 1 超复数频域水印嵌入3 5 图5 2 超复数频域水印提取3 5 图5 3 频域中的中频段( 灰色区域即为中频段) 3 6 图5 4 水印嵌入的位置3 7 图5 5 水印图像、置乱图像与恢复图像( k e y = 1 0 ) 3 8 图5 6 以l e n a 为载体图像水印嵌入3 9 图5 7 对已嵌入水印的l e n a 图像进行水印提取4 0 图5 8l e n a 图像及人工交互区域4 0 图5 9 单显著性区域水印嵌入框图4 1 图5 1 0 对巨石阵图像提取显著性区域4 1 图5 1 1 对i t t i 图像进行显著性区域提取4 l 图5 1 2 对l e n a 图像进行测试4 3 图5 1 3 提取的水印图像( 1 e n a ) 4 3 图5 1 4 对巨石阵图像进行测试4 4 图5 1 5 对i t t i 图像进行测试4 5 图5 16 提取的水印图像( i t t i ) 4 5 图5 1 7 对特定区域进行保护性实验4 6 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 水印研究的层次及其特点3 表2 1 常见数字水印的分类7 表2 2 几种空域算法及其特性8 表2 3 变换域算法及其特性9 表4 1 算法平均运行时间比较3 l 表5 1 不同阶数( 1 d 下二维a r n o l d 变换的周期3 8 表5 2 对l e n a 图像攻击的结果4 3 表5 3 对巨石图像攻击的结果4 4 表5 4 对i t t i 图像攻击的结果4 6 表5 5 对特定区域图像攻击的结果：4 7 v 一 硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 随着计算机和网络技术的发展，多媒体已经成为信息交流的重要手段。数字多媒体 信息( 数字图像、音频、视频等) 的存储、复制、传播等已经非常方便迅捷。加之，多媒 体数据的数字化特点，以及功能强大的图像处理和编辑软件的出现，使得多媒体数据的 拷贝、篡改等操作也变得极为便捷。这些技术的出现，在极大满足和丰富各国人民的社 会生活的质量和需求的同时，但也使得内容篡改、版权侵犯等行为越来越加便利并极具 隐蔽性，这对数字作品原创者、所有者以及转播商造成了巨大的经济损失。据国际唱片 协会( i f p i ) 称全球每年因盗版而造成的经济损失高达5 0 亿美元j j 更进一步，对多媒体数 据的修改，还很可能会造成严重后果。比如，对医学图片的修改，会造成误诊和医疗事 故的隐瞒；篡改后的法庭证据照片，会造成误判，正义难以伸张；刻意“编辑”过的重 大新闻事实报道的图片被不正当使用，会造成混淆视听等等。如图1 1 所示，左图为某 国刻意宣扬武装力量，夸大事实的伪造新闻图片；右图则为轰动全国的假华南虎伪造图 片事件，这些屡屡涉及图像鉴伪与版权认证的事件，已经成为危害社会安全、经济发展 的隐患，亟待解决。总而言之，世界互联网和高效通讯网络的迅猛发展，在给信息的数 字化传播提供优良平台的同时，又因数字信息的保护等技术落后于实际应用的需求，大 大制约了信息数字化技术的进一步应用和纵深发展。为此，人们必须采取有效的措施和 技术来应对数字媒体产品在现代网络中的版权问题。 图1 1 恶意篡改的伪造图片 通常，概括数字媒体产品的非法操作和侵权行为主要分为以下三类【l j ： 非法访问：即在未经允许的情况下，从网站中拷贝或转印数字多媒体版权产品。 刻意篡改：侵权人对数字媒体作品进行内容剪切、特征插入等有侵权目的的刻 意篡改并进行重新传播，致使原有数字媒体产品的版权信息缺失。 版权侵犯：侵权嫌疑人通过非法复制拷贝具有版权的数字产品，在未经版权所 有人授权下进行商品交易牟取暴利。 基于超复数频域的视感知数字水印算法研究 为此，国内外诸多研究人员和机构进行了广泛的研究。在上个世纪九十年代，t t r k e l 和v a ns c h y n d e l 等人首次提出用于图像保护的概念数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 训。数字水印技术，是一种将特殊的，不可见标记，内嵌隐藏在数字图像，视频，声音 等数字多媒体内容中，并由此判定版权所有者、认证数字内容来源真实性、识别购买者、 提供关于数字内容的其他辅助信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。数字水印的出现， 为数字媒体信息安全问题，特别是版权保护问题的解决提供了一条崭新思路，也是目前 国际信息安全学术界研究的一个前沿方向，为多媒体产品版权保护和传播创造了一种全 新的方式【3 】。 传统的数字图像水印技术，主要是一种将全图作为整体版权载体实施版权水印的嵌 入。长期以来，这类技术虽对数字产品的版权保护起到了一定作用，但也带来了内容保 护针对性弱，特别是在背景替换、目标内容移动情况下难以提取版权信息等诸多问题。 然而，伴随着数字水印技术的不断发展，人们无法仅仅满足于对全图区域整体嵌入数字 水印的传统方式，特别是在诸如平面设计、广告、新闻媒体和网络数字媒体业务等诸多 实际应用领域中，作品所有者往往更加关心图像作品中那些视感知“强烈 的重要区域 的保护，更希望实现对这类数字作品中的实质性版权内容的保护【4 】。因此，如何设计有 效保护图像特定区域内容，特别是设计一种能够对彩色图像视感知“重要区域 的自动 检测与数字水印潜入与提取的算法，已经成为了数字水印技术领域中一个极富实际意义 的学术前沿问题。 1 2 课题研究现状 目前，数字水印是国际学术界的研究热点之一，学者们对数字水印的研究热情不断 高涨。自19 9 3 年，t i r k e l 发表了一篇文章，第一次提出了电子水印( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g ) 的说法。随后，v a ns c h y n d e l 在i c p 9 4 会议上发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k 的文 章，其中阐明了一些关于水印的重要概念正式提出了“数字水印”这一术语。自此以后， 国际学术界开始发表有关数字水印的文章，且文章数量呈快速增长趋势。学术界也召开 了一些具有较大影响力有关数字水印和数据隐藏技术的国际会议如a c mm u l t i m e d i a 、 i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e0 1 1i m a g ep r o c e s s i n g ( i c l p ) ，i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n a c o u s t i c s ，s p e e c h ，a n ds i g r l a lp r o c e s s i n g ( i c a s s p ) 等以及国际权威杂志p r o c e e d i n gi e e e s i g n a lp r o c e s s i n g 、i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so i lc o m m u n i c a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n so f a c m 等也相继出版了有关数字水印的专题和文章【5 】。 随着数字水印理论的发展和技术的进步，产业界对数字水印的应用也越来越重视。 i b m 已经在其数字图书馆的研究计划中采用了可见数字水印技术，该计划的研究成果已 经被美国国会图书馆等采用。n e c 公司的研究重点为如何将数字水印技术应用到d v d 系统的拷贝保护机制中。一些国际标准项目也致力于发展实用的数字水印算法，如欧洲 的t a l i s m a n ，其目标是建立在全欧洲范围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供版 权保护的机制。o c t a l i s 的主要目的是将有条件的访问机制和版权保护融合起来。同 时，随着水印技术应用的推广，其标准化工作也越来越受到重视。1 9 9 9 年2 月i b m ， 2 硕士学位论文 s o n y ，h i t a c h i ，n e c 和p i o n e e r 等五家公司宣布了一个保护数字视频和数字电影 的水印标准协议，标志着水印标准化已经逐步走向正轨。 近十几年来，我国学术界对此前沿领域也倾注了极大的热情，诸多机构和高校均开 展了相关领域的研究工作。1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院 士、蔡吉人院士与相关研究单位联合发起了我国第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ， 至今已成功举办了九届全国会议( 2 0 1 0 年9 月，第九届c i h w 在成都举办) 。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 计划智能计算机系统专家组主办、模式识别国家重点实验室等单位 承办的首次我国数字水印技术研讨会在北京举行，并取得了圆满成功。在产业应用方面， 我国也相继出现了一些致力于数字水印及票据防伪的公司，其中有代表性的如由中科院 自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人创办的上海阿须数码技术有限公司，以及上海复旦 天臣新技术有限公司、北京握奇信安网络技术有限公司等。 目前数字水印研究主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格 水印等几个方向，其中大部分水印研究都集中在鲁棒水印的研究上。其原因在于数字图 像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为数字水印的应用提供了大量的需求。图像 鲁棒水印相对于文本水印、音频水印和视频水印等比较容易实现，其研究成果有很大一 部分可以应用于其它类型的水印上。其研究内容主要分为以下三个层次 6 1 ： 表1 1 水印研究的层次及其特点 基础理论研究主要目的在于建立一个完善的数字水印的理论框架模型，解决数字水 印的信息容量、数字水印的信息论分析等基本理论问题。 应用基础研究主要针对某种具体的载体数据( 如数字图像、音频、视频和文本等) ，研 究相对应的具有稳健性和安全性等特性的水印嵌入与提取算法，以及 如何测试和评估水印系统的性能等。 实际应用研究主要致力于将数字水印运用到实际生活中，来解决现实中存在的相关 问题。一般是针对某项具体的应用，研发出相应的软件，从而运用到 ， 实际的工作中。 。 当前针对数字水印的研究，主要集中在以上三个层次。其中，鲁棒水印理论与算法 研究是目前数字水印研究的重要内容，鲁棒性是影响水印质量的一个极为重要的性能， 许多学者都致力于改变水印嵌入域、水印隐藏位置等嵌入策略和嵌入强度等方法来增强 数字水印的鲁棒性。 在数字水印研究的初期阶段，人们研究的数字水印基本上都是空域的。空域最典型 的算法是最低有效位算法( l s b 算法) ，其基本思想是使用图像值的最后一位来表示嵌入 的秘密信息位。这个算法实现起来比较简单，但是其抗攻击的能力较差，缺乏安全性。 1 9 9 6 年，p i t , a s 提出了一种基于空域的盲水印方案。后来，v o y a t z i s 等将混沌的方法引入 到数字水印算法中，使得该算法的稳健性得到了进一步的提高，但是算法仍局限于空间 域。 1 9 9 5 年，c o x 等人提出了一种基于扩频通信的思想，具体做法是将水印嵌入到图像 3 基于超复数频域的视感知数字水印算法研究 感知上最重要的频域分量。利用离散余弦变换等技术，将水印嵌入到图像中，以提高水 印对图像处理的抗攻击性。从其实验结果，我们可以知道该方案对各种常见的图像处理 操作具有良好的鲁棒性。但是仍旧存在一些缺点，其中最重要的一个方面就是该方案提 取的时候需要原始图像的参与，即不是盲水印方案。 总之，在数字水印发展的十几年中，理论尚未完全成熟，许多理论模型正在探索中， 随着数字水印技术的蓬勃发展和纵深研究，一些针对彩色图像内容保护的数字水印技术 也相继提出。这些新技术主要表现在以下两个方面： 一方面，数字水印技术的变换域也从简单的离散变换域( d c t ，d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 、多分辨率多尺度离散小波域( d w t ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 发展到了考 虑建立在彩色图像颜色矢量空间的超复数四元数傅立叶变换域( q f t ，q u a t e m i o nf o u r i e r t r a n s f o r m ) 。2 0 0 0 年由t a e l l 等人提出超复数傅立叶变换分解方法在图像表示及其在 图像处理中的应用日益得到重视。对于彩色图像来说，过去常常视其为三个分量，对各 个分量单独进行处理，这样处理忽略了彩色图像各个分量之间的内在联系。而超复数图 像处理在多维空间上把彩色图像像素作为一个矢量整体进行处理，体现了图像的色彩关 联，成为数字水印技术的一个新的有效变换域【7 1 。我国复旦大学的江淑红等人亦提出了 彩色图像超复数空间的自适应水印算法，并进行了超复数域彩色图像处理技术的广泛研 究 7 1 。 另一方面，由于近年来计算机视觉与图像处理领域关于图像分割、特征提取以及视 觉注意力机制的广泛研究所取得的最新成果，也使得数字水印的嵌入区域由传统的全图 嵌入模式发展到图像感兴趣区域【8 】、图像特征区域【9 】等视觉感知注意力集中区域。目前， 大多数数字水印算法都利用了图像视觉特性进行水印全图嵌入，一定程度上提高了水印 系统的鲁棒性，但却未能考虑图像结构特性以及人们对图像注意力集中的内容区域，也 就是说水印信号只是被盲目地嵌入到了整个载体图像中，而不是有选择的仅嵌入在那些 图像的“重要内容”区域。基于视感知注意力区域的意义在于对传统的图像处理技术提 出了一个更高的要求。理解载体内容，明确载体所表达的内容，知道什么是重点，才可 以对图像进行相应的操作【1 0 1 。这些技术的出现为进一步提高数字水印的内容版权保护技 术水平起到了积极地促进作用。 综上所述且在前人研究基础上，本文将视觉显著性区域快速提取技术与彩色图像的 超复数频域变换技术相结合，在超复数频率变换域的统一框架下进行数字水印技术的应 用基础研究，并提出了一种基于视感知区域的超复数频域数字水印算法。 1 3 本文的主要研究内容 本文在数字水印经典算法研究的基础上，将数字水印技术、超复数频率域变换的相 关理论及视觉显著性区域提取技术相结合，提出了一种超复数频域的基于图像显著性的 数字水印模型。通过在超复数频域下提取图像显著性区域，同时进行超复数傅里叶变换 ( q f t ) ，最终实现将版权水印嵌入到显著性区域的超复数频域中，较好的利用了图像显 4 硕士学位论文 著性内容的重要性和超复数的相关性质。实验表明，所提算法具有良好的数字版权保护 作用。本文在超复数频率变换域下，主要实现了一种多尺度超复数相位谱的视觉显著性 区域提取算法和一种基于视感知区域的超复数频域数字水印算法的研究。 视觉显著性区域往往就是需要版权保护的重要“感兴趣”内容区域。人类的视觉系 统具有前期预注视的视觉选择性注意机制，本文在分析传统i t t i 模型和谱残差等主要视 觉注意力模型的基础上，并在更符合人类视觉颜色感知的h s v 空间，提出了一种基于 多尺度的超复数相位谱视觉显著性区域提取算法。实验结果表明，本文所提算法具有很 好的视觉显著性区域提取效果。 本文在对超复数的基本概念、运算法则及其在数字图像处理中的应用介绍