（计算机科学与技术专业论文）new+approaches+for+robust+digital+watermarking+using+statistical+model.pdf

t 。 w a t e r m a r ks y s t e mt od e v e l o ps e v e r a lr o b u s tw a t e r m a r ks c h e m e s c h a p t e r2r e v i e w sw d h m m a s ab a c k g r o u n da n dc h a p t e r5e x t e n d sw d h m mt ot h eo n ei nt h es t e e r a b l ew a v e l e td o m a i n b yc o n n e c t i n gt h ew a t e r m a r ks y s t e m t ot h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o nw i t hs i d e i n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t t e r , h i g hc a p a c i t yc a nb ec o n c e p t u a l l yo b t a i n e d t h ei m p l e m e n t a t i o n o fs u c h c o n c e p t l e a d st ot h et e c h n i q u eo fi n f o r m e dw a t e r m a r k i n g a s o n ea l t e r n a t i v e i m p l e m e n t a t i o n ，c h a p t e r3p r e s e n t sa ni n f o r m e dw a t e r m a r k i n gu s i n gw d h m m b a s e do nt h e w d h m m t h et h e o r yo fl o c a l l yo p t i m u mt e s t i n g ( l o t ) a n dt a y l o rs e r i e sa p p r o x i m a t i o na r e a p p l i e dt od e v e l o pat a y l o re x p a n s i o na p p r o x i m a t e dl o t ( t l o t ) d e t e c t o r , a t t e m p t i n gt ob o t h， a d d r e s st h ep r o b l e mt h a tt h ee x a c te m b e d d i n gs t r e n g t hi su n a v a i l a b l ea tt h er e c e i v e ra n db e t t e r g u i d et h ep r o p o s e do p t i m i z a t i o np r o c e s s t h e nb a s e do nt h et l ( ) td e t e c t o ra n dt h r o u g ht h e a n a l y s i so nd i r t y p a p e rc o d e ( d p c ) d e s i g n ，t h eh m m b a s e ds p h e r i c a lc o d e sa r ec o n s t r u c t e dt o p r a c t i c a l l yt r a d eo f fr o b u s t n e s sa n dd i s t o r t i o n t h ei n f o r m e de m b e d d i n ga i m i n gt oa c h i e v eaf i x e d r o b u s t n e s sw i t hl e a s td i s t o r t i o ni sf o r m u l a t e da sa no p t i m i z a t i o np r o b l e mu n d e rt h er o b u s t n e s s a n dd i s t o r t i o nc o n s t r a i n t sa n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) w i t hp o w e r f u lc a p a b i l i t yi nf i n d i n g g l o b a lo p t i m u ms o l u t i o ni se m p l o y e dt os o l v et h i so p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w h e r et h er o b u s t n e s s m e t r i ci sd e r i v e dv i at l c ) td e t e c t o rw h i l et h ev i s u a ld i s t o r t i o ni sm e a s u r e dw i t ht h ep r o p o s e d p e r c e p t u a ld i s t a n c ei nt h ew a v e l e td o m a i n s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d i n f o r m e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh a sh i g hr o b u s t n e s sa g a i n s tc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n d s h o w sc o m p a r a b l ep e r f o r m a n c et ot h es c h e m eo fs t a t eo ft h ea r ta tg r e a t l yr e d u c e dc o m p l e x i t y t oc o u n t e r a c tg e o m e t r i c a lm a n i p u l a t i o n s ，w ed e s i g nad e f o r m a b l em u l t i s c a l et r a n s f o r m ( d m s t ) w i t hp r e f e r a b l eg e o m e t r i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e na p p l y i tt od e s i g nt w or o b u s ti m a g e l a b s t r a c t w a t e r m a r ks c h e m e sr e s i l i e n tt og e o m e t r i c a lt r a n s f o r m c h a p t e r4g i v e st h ed e s i g no fd m s t t h e d m s ti se x t e n d e d f r o mt h es t e e r a b l ep y r a m i dt r a n s f o r m ( s p t ) b yf a c t o r i z i n gt h er a d i a l c o m p o n e n t so fs t e e r a b l ea n a l y s i sf i l t e r si n t oan u m b e ro fs c a l a b l eo n e sw h i l ek e e p i n gt h ea n g u l a r c o m p o n e n t su n c h a n g e d ，w h i c hy i e l d sa na s y m m e t r i cs t r u c t u r et h a th a sb o t hs t e e r a b l ea n a l y s i s a n ds y n t h e s i sf i l t e rb a n k sw h e r e a so n l yh a v i n gd e f o r m a b l ea n a l y s i sf i l t e rb a n k s t h ed e s i g n e d d m s th a s t b e ，p r o p e r t i e so ft r a n s l a t i o ni n v a r i a n c ea n dj o i n ts h i f t a b i l i t yi no r i e n t a t i o na n ds c a l e t h ej o i n ts h i f t a b i l i t yi no r i e n t a t i o na n ds c a l ei st h e na p p l i e di n c h a p t e r5t oc o n s t r u c ta r o b u s ti m a g ew a t e r m a r ks c h e m er e s i l i e n tt or o t a t i o na n ds c a l i n g t h ep r o p e r t i e so fd m s ta r e u s e dt od e r i v et h e o r e t i c a l l yt h ep r i n c i p l e sf o rg e o m e t r i c a ls y n c h r o n i z a t i o n c o n s i d e r i n gt h a tt h e t r a n s l a t i o nw o u l da f f e c tt h ee s t i m a t i o no fr o t a t i o na n ds c a l i n g , t h es y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l e sv i a j o i n ts h i f t a b i l i t yi no r i e n t a t i o na n ds c a l i n ga r em e r e l yu t i l i z e dt oa c h i e v et h er o t a t i o na n ds c a l i n g s y n c h r o n i z a t i o n i nt h ef r a m e w o r ko fb l i n dw a t e r m a r ks y s t e m ，t h et e m p l a t ei si n c o r p o r a t e da n d a ne f f i c i e n tt e m p l a t em a t c h i n gi sd e v e l o p e dt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r so fr o t a t i o na n ds c a l i n g a l s o , t h ew d h m mi se x t e n d e dt ot h eo n ei ns t e e r a b l ew a v e l e td o m a i na n df u r t h e re x p l o i t e dt o d e r i v ead e t e c t o rt oi m p r o v et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e 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 e p r o p o s e ds c h e m eh a sh i g hr o b u s t n e s sa g a i n s tc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n ga t t a c k si ns t i r m a r k4 1 ， g l o b a lr o t a t i o na n ds c a l i n gm a n i p u l a t i o n s ，a n dt h e i rj o i n ta t t a c k s t of u r t h e rr e s i s ta g a i n s tt h et r a n s l a t i o n ，c h a p t e r6p r e s e n t sa n o t h e rr s t - i n v a r i a n tr o b u s t w a t e r m a r k i n gs c h e m eu s i n gt h ep r o p e r t i e so ff o u r i e rt r a n s f o r ma n dd m s t t ou n c o u p l et h e t r a n s l a t i o nw i t hr o t a t i o na n ds c a l i n g ，t h em a g n i t u d eo ff o u r i e rt r a n s f o r mo fi n p u ti m a g ei st a k e n a st h ec o v e rw o r k , w h i c ha c h i e v e st r a n s l a t i o ni n v a r i a n c e w h i l et h er o t a t i o n a n ds c a l i n g s y n c h r o n i z a t i o ni so b t a i n e db ya p p l y i n gt h ej o i n ts h i f t a b i l i t yi no r i e n t a t i o na n ds c a l eo fd m s to n t h em a g n i t u d eo ff o u r i e rt r a n s f o r m t h e s ea r ei m p l e m e n t e db yd e r i v i n gt h ep r i n c i p l ef o rr o t a t i o n a n ds c a l i n gs y n c h r o n i z a t i o ni nt h ec o m p o s i t ef o u r i e ra n dd m s td o m a i na n dt h e na p p l y i n gt h e s y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l et oc o n s t r u c tag e o m e t r i c a l l yr e s i l i e n tr o b u s tw a t e r m a r ks c h e m e ，w h e r e t h et e c h n i q u e ss i m i l a rt ot h o s ei nc h a p t e r5a r ea d o p t e d 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 e p r o p o s e ds c h e m eh a sg o o dr o b u s t n e s sa g a i n s tt h ec o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n g ，g l o b a lg e o m e t r i c a l m a n i p u l a t i o n s ，a n dt h e i rj o i n ta t t a c k s k e yw o r d s ：r o b u s td i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，i n f o r m e dw a t e r m a r k i n g ，f i l t e rd e s i g n ，h m m ，h i g h c a p a c i t y ，t e m p l a t em a t c h i n g ，g e o m e t r i c a lt r a n s f o r m i i 尽管近十余年米鲁棒数字水印取得了长足的进展，但如何以可行的视觉失真和计算时问 获得大容量和预设的鲁棒性以及如何有效抵抗几何变换仍然是鲁棒数字水印所需应对的课 题。为了解决这些问题，本文利用小波域隐马尔科大模型表征小波系数，并进一步基于此统 计模型设计鲁棒数字水印算法。作为本文的研究背景，第2 章b i 顾小波域隐马尔科夫模型； 作为常规小波的拓展，第5 章将介绍可旋转( s t e e r a b l e ) 小波域的隐马尔科夫模型。 通过把水印系统当作是嵌入端含边信息的通信问题，我们可以在理论上获得大的嵌入容 量，而这一理论模型的具体实现则产生了有信( i n f o r m e d ) 水印技术。作为有信水印的其中 一种实现方法，本文第3 章介绍了一种基于小波域隐马尔科夫模型的有信水印算法。在小波 域隐马尔科夫模型的框架下，我们首先利用局部最优假设检验和泰勒级数推导出了t l 0 下检 测器，以便解决因有信嵌入而使得检测端无法获得确切的嵌入强度的问题，同时也使得能更 好地引导本文所提出的优化算法以获得良好的优化效果。基于t l o t 检测器的特点及“脏纸 编码”的设计分析，我们提出了基于隐马尔科夫模型的球面码，从而在鲁棒性和失真之间获 得良好的折衷。通过利用t l o t 检测器特点定义鲁棒性测度及利用本文所构造的小波域视觉 距离定义失真测度，本文将有信嵌入转化为一个在鲁棒性和失真约束下的最优化问题，并采 用具有良好全局优化能力的遗传算法来求解此最优化问题。实验仿真表明，第3 章所提出的 算法对于常见信号处理攻击具有很好的鲁棒性，且能以大幅降低的计算复杂度获得与同类最 好算法可相比拟的性能。 为了抵抗诸如旋转、缩放和平移之类的几何攻击，我们设讣了一类具有良好几何特性的 可变形多尺度变换( d m s t ) ，然后再应用这些特性来设计抵抗几何攻击的鲁棒数字水印。第 4 章给出了d m s t 的设计细节。我们基于可旋转金字塔变换( s p t ) 来设计d m s t ，即我们把 s p t 中的可旋转( s t e e r a b l e ) 分析滤波器组的尺度分量分解为若t 可缩放( s c a l a b l e ) 滤波器， 但同时保持可旋转分析滤波器组的角度分量不变。这样设计得到的d m s t 具有异步结构，即 同时具有可旋转和可变形的分析滤波器组，但只有可旋转的综合滤波器组。此设计的滤波器 同时具有旋转不变性及在角度和尺度方而的可变形特性。 本文第5 章利用d m s t 在角度和尺度方面的可变形特性，构造了一种能抵抗旋转和缩放 的鲁棒数字水印。我们首先基于d m s t 的特性推导几何同步机制，但考虑到d m s t 的特性表 摘要 明平移会影响到旋转和缩放的估计，凶此只足将基于d m s t 香：角度和尺度方而的可变形特性 得到的旋转和缩放几何同步机制应) t j 至l j 水印系统中。在盲水印系统框架下，我们借助于模板 并构造有效的模板匹配算法来识别旋转和缩放参数。另外，常规小波域的隐马尔科大模型进 一步拓展到可旋转小波域，并基于假设检验理论推导m 最优检测器来提高水印检测性能。实 验结果表明，第5 章所提山的算法能很好抵抗常见信号处理攻击、全局旋转和缩放攻出以及 它们的联合攻击。 为了进一步抵抗平移攻击，笫6 章给出了另外一个利用了傅里叶变换和d m s t 特性的、 能同时抵抗平移、旋转和缩放的鲁棒图像数字水印算法。为了能将平移与旋转缩放进行解 耦，我们将输入图像傅里叶变换的幅度当作为宿主信号，从而获得平移不变性。在此基础上， 旋转和缩放的同步则通过在输入图像傅里叶变换的幅度上应用d m s t 的角度和尺度可变形 特性米获得。为此，我们首先根据d m s t 在角度和尺度方面的可变彤特性推导m 在傅里叶和 d m s t 复合变换域中的旋转和缩放同步机制，然后应用这些机制构造几何不变的鲁棒数字水 印算法。其中，采用了类似于第5 章所提算法的相关技术。实验结果表明，算法能很好抵抗 常见信号处理攻击、全局几何攻击以及它们的联合攻击。 关键词：鲁棒数字水印、有信数字水印、滤波器设计、隐马尔科夫模型、大容量、模板匹配、 ， 几何变换 a b s t r a c t i 摘要i i i t a b l eo fc o n t e n t s v l i s to f t a b l e s i x l i s to ff i g u r e s x i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1h i d d e nm a r k o vm o d e i 2 1 2i n f o r m e dw a t e r m a r k i n gs c h e m eu s i n gh i d d e nm a r k o vm o d e li nt h ew a v e l e td o m a i n 2 1 3d e s i g no fd m s ta n di t sa p p l i c a t i o nt or e s i s ta g a i n s tg e o m e t r i c a lm a n i p u l a t i o n s 4 2h i d d e nm a r k o vm o d e ii nt h ew a v e l e td o m a i n 9 2 1h i d d e nm a r k o vm o d e li nt h ew a v e l e td o m a i n 9 2 2v e c t o rh i d d e nm a r k o vm o d e ii nt h ew a v e l e td o m a i n 1 0 2 3e s t i m a t i o no fm o d e ip a r a m e t e r s 1 1 3a ni n f o r m e dw a t e r m a r k i n gs c h e m eu s i n gh i d d e nm a r k o vm o d e li nt h ew a v e l e td o m a i n 1 3 3 1i n t r o d u c t i o n 1 3 3 2h m m b a s e dt l o td e t e c t o r 。1 6 3 2 1h m m b a s e dd e t e c t o r 。1 6 3 2 2t l i 丁rd e t e c t o r 1 8 3 2 3p e r f o r m a n c ee v a t i u a t o i o n 。1 9 3 3p e r c e p t u a ld i s t a n c ei nt h ew a v e l e td o m a i n 2 1 3 4h m m b a s e di n f o r m e dw a t e r m a r k i n g 2 2 3 4 1m e s s a g ee m b e d d i n g 2 3 3 4 2m e s s a g ee x t r a c t i o n 2 4 3 5d e s i g no fh m m b a s e dd i r t y - p a p e rc o d e s 2 4 3 5 1c o d ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n 2 4 3 s 2d e s i g no fh m mb a s e dr e p r e s e n t a t i v ec o d e w o r d s 2 7 3 6g a b a s e di n f o r m e de m b e d d i n g 2 8 3 6 1r o b u s t n e s sa n dd i s t o r t i o nm e t r i c s 2 9 3 6 2f o r m u l a t i o no fi n f o r m e de m b e d d i n g 3 0 3 6 3a t t a c ks i m u l a t i o nt e s t 3 3 3 7e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 6 3 7 1e x p e r i m e n t a ls e t t i n g s 3 6 3 7 2j u s t i f i c a t i o no ft h et l 0 下d e t e c t o r 3 7 3 7 3p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en o n i n f o r m e da n di n f o r m e dh m m b a s e d w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m 3 8 3 7 4p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep r o p o s e di n f o r m e dw a t e r m a r k i n ga n dt h e t r e l l i s b a s e do n e 【1 1 l 一4 1 3 7 se v a l u a t i o no fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 4 4 3 8s u m m a r y 4 6 v c o n t e n t s 4d e s i g no fd e f o r m a b l em u l t i s c a l et r a n s f o r m 5 1 4 1i n t r o d u c t i o n ! ；】 4 2b a c k g r o u n d j ! ；：； 4 2 1s h i f t a b l ef i l t e r s ! ；4 4 2 2s t e e r a b l ep y r a m i dt r a n s f o r m 5 6 4 3d e s i g no fd e f o r m a b l em u l t i s c a l et r a n s f o r m s 9 4 3 1d m s td e s i g nu s i n gs v d 6 0 4 3 2d m s td e s i g nv i at h e o r e t i c a id e r i v a t i o n 6 3 4 3 3i l l u s t r a t i 石nb f t f t bo i j s i g n e dd e f o r m a b l ef i l t e r s 6 5 4 4s u m m a r y 6 6 5ag e o m e t r i c a l l yr e s i l i e n tr o b u s tw a t e r m a r k i n gs c h e m eu s i n gd e f o r m a b l em u l t i s c a l e t r a n s f o r m 6 9 s 1i n t r o d u c t i o n 6 9 5 2p r i n c i p l e sf o rg e o m e t r i c a is y n c h r o n i z a t i o n 7 1 s 2 1t r a n s l a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nv i as h i f ti n v a r i a n c e 7 1 5 2 2r o t a t i o na n ds c a l i n gs v n c h r o n i z a t i o nu s i n gd e f o r m a b l ef i l t e r s 7 2 5 3h m mi nt h es t e e r a b l ew a v e l e td o m a i n 7 4 5 4t h ep r o p o s e dr o b u s ti m a g ew a t e r m a r k i n gs c h e m er e s i l i e n tt og e o m e t r i c a lt r a n s f o r m 7 6 5 4 1w a t e r m a r ka n dt e m p l a t ei n s e r t i o n 7 7 5 4 2e f f i c i e n tt e m p l a t em a t c h i n gv i ad e f o r m a b l ef i l t e r s 8 0 s 。4 3s w d - h m mb a s e dw a t e r m a r ke x t r a c t i o n 8 ：1 5 5e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 8 3 5 5 1e x p e r i m e n t a is e t t i n g sa n df i d e l i t yo fw a t e r m a r k e di m a g e 8 4 s 5 2p e r f o r m a n c e sa g a i n s ti n d e p e n d e n ta t t a c k s 8 4 5 5 3p e r f o r m a n c e sa g a i n s tj o i n ta t t a c k s 8 7 s 5 4p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt or e l a t e ds c h e m e si nt h eu t e r a t u r e 8 9 5 5 5a n a l y s i so fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 9 2 5 6s u m m a r y 9 ：l 6a nr s t - i n v a r i a n tr o b u s ti m a g ew a t e r m a r k i n gs c h e m eu s i n gd f ta n dd m s t 9 5 6 1p r i n c i p l e sf o rg e o m e t r i c a is y n c h r o n i z a t i o ni nt h ec o m p o s i t ef o u r i e ra n dd m s td o m a i n 9 6 6 2t h ep r o p o s e dr s t - i n v a r i a n tw a t e r m a r k i n gs c h e m e 9 8 6 2 1i n s e r t i o no ft e m p l a t ea n dw a t e r m a 9 8 6 2 2e f f i c i e n tt e m p l a t em a t c h i n g 1 0 0 6 2 3w a t e r m a r ke x t r a c t i o n 1 0 1 6 3e x p e r i m e n t a ir e s u l t sa n da n a l y s i s 1 0 2 6 3 1e x p e r i m e n t a ls e t t i n g sa n dw a t e r m a r k e di m a g e s 1 0 2 6 3 2p e r f o r m a n c e sa g a i n s ta t t a c k s 1 0 3 6 3 3c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 1 0 4 6 4s u m m a r y 1 0 4 7c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k i ，1 0 7 7 1c o n c l u s i o n 1 0 7 7 2f u t u r ew o r k 1 0 9 r e f e r e n c e s 1 1 1 v l l v l i l t a b l e3 2 c o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yf o re m b e d d i n gp r o c e s s 4 6 t a b l e5 1d e t e c t i o np e r f o r m a n c ea g a i n s tm e d i a nc u t ，g a u s s i a nf i l t e r i n g ，s h a r p e n i n g ，a n d g e o m e t r i c a lm a n i p u l a t i o n s 8 6 t a b l e5 2p e r f o r m a n c e sa g a i n s tr o t a t i o n ( 4 5 1 。) + s c a l e ( 0 7 9 ) + ( m e d i a nc u t ，g a u s s i a n f i l t e r i n g ，o rs h a r p e n i n g ) ”8 9 t a b l e5 3p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es c h e m ei n 【5 7 】a n dt h ep r o p o s e do n e 9 0 t a b l e5 4 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep r o p o s e do n ea n dt h es c h e m ei n 【2 8 1 9 1 t a b l e5 5t h en u m b e ro fr e q u i r e dm u l t i p l i c a t i o n s ( m u l s ) a n da d d i t i o n s ( a d d ) f o re a c h t e m p l a t e m a t c h i n go p e r a t i o n 9 3 t a b l e6 1p e r f o r m a n c e sa g a i n s tc o m m o np r o c e s s i n ga t t a c k si ns t i r m a r k4 1 1 0 3 t a b l e6 2 p e r f o r m a n c e sa g a i n s tg l o b a lg e o m e t r i c a la t t a c k si ns t i r m