（通信与信息系统专业论文）纹理活动改进测度与逐像素屏蔽水印算法.pdf

s o u t h w e s tj i a o t o n g u n i v e r s i t y m a s t e r d e g r e et h e s i sp a g e i 摘要 数字水印是把信息嵌入在数字信号( 音乐、照片、电视等) 里面的 过程。随着数字内容的需求性扩大与传播系统( 比如因特网) 的发展， 数字水印已成为保护著作权的方法。水印和信号有关联的；如果信号被 复制，水印就被复制。为了改善水印的参数( 容量、不可见性、鲁棒 性) ，设计了很多的图片水印算法，其中人类视觉系统( h v s ) 算法即是利 用人类眼睛的敏感性计算“感性屏蔽”。其中，逐像素屏蔽是由l e w i s 和k n o w l e s 最先提出的。本论文首先简要分析了小波变换以及基于人类 视觉感知的水印技术研究现状，然后深入研究了人类视觉质量并提出了 改进型逐像素屏蔽水印算法。 在计算逐像素屏蔽时，利用方差来测量纹理活动。根据已有研究， 纹理活动测度的手段可以被改善。这种简化的测量方法在一些复杂的地 区不能给出精确解，由此带来的偏差可能损害水印图案的性能。本论文 给出了三个新的测度( 点检测，线检测，梯度模型) ，以代替方差测度。 每个新测度都基于梯度分析，梯度可以检测出图片光亮的不连续性，即 纹理活动。 基于以上提出的新测度，论文提出了三种用于水印处理的屏蔽方 法，以改善由g u ix i e a n dh o n gs h e n 提出的逐像屏蔽算法的鲁棒性和 不可见性。仿真结果表明，简单的代替并不能满足性能要求，为了解决 这个问题，论文提出在同视觉质量的条件下检测鲁棒性。解决办法是在 屏蔽计算期间引入1 3 系数，b 的取值根据小波子带的水平以及测度手 段而定。研究结果表明，线检测逐像素屏蔽的改进方案是有效的。 最后，本论文给出了研究工作总结，并提出了进一步工作的研究思 路。 关键字? 觥7 x g 玎, 逐像素屏蔽，纹理活动测量，人类视觉系 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sap r o c e s so fe m b e d d i n gi n f o r m a t i o ni n t oad i g i t a ls i g n a l s u c ha sa u c h o ，p i c t u r eo rv i d e o w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o n t e n tp r o d u c t i o n a n di t sd i f f u s i o nt h r o u g hs y s t e ml i k ei n t e m e t ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga i m sa tp r o t e c t i n g s i g n a lc o n t e n ta n da u t h o r sr i g h ti no r d e rt of a c et om a l i c i o u su s e r s s i n c et h e w a t e r m a r ki sd e e p l yl i n k e dt ot h ew a t e r m a r k e ds i g n a l ，i ft h es i g n a li sc o p i e d 。t h e nt h e w a t e r m a r kj sa l s oc a r r i e di nt h ec o p y s of a r , m a n yw a y so fe m b e d d i n gt h ew a t e r m a r k i n t oap i c t u r eh a v eb e e nd e v e l o p e dt oe n h a n c et h ew a t e r m a r kp a r a m e t e r s ( c a p a c i w , i m p e r c e p t i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ) o n eo ft h em e t h o d se x p l o i t st h ek n o w l e d g eo f h u m a ne y es e n s i t i v i t y , i e t h eh u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) b yc o m p u t i n ga p e r c e p t u a lm a s k ，r e v e a l i n gt h ee y e si n s e n s i t i v i t yi ns o m ep a r t so fap i c t u r e i nt h i s t h e s i s ，t h es o c a l l e d p i x e l - w i s em a s k o r i g i n a l l yd e v e l o p e db yl e w i sa n dk n o w l e s a n daw a v e l e t - b a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，d e s i g n e db yp o d i l c h u k ，a r es t u d i e d t h et h e s i s f i r s t l ya n a l y s e sb r i e f l yt h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n a n dt h ee x i s t i n g w a t e r m a r kr e s e a r c hs t a t u sb a s e do nh u m a nv i s u a lp e r c e p t i o n ，t h e ni n v e s t i g a t e si n d e t a i lt h eh u m a nv i s u a ls y s t e ma n dt h ei m p r o v e dp i x e l w i s em a s k i n gw a t e r m a r k i n g s c h e m e d u r i n gt h ec o m p u t a t i o no ft h ep i x e l 丽s em a s k t h ev a r i a n c ei su s e df o rt h e m e a s u r eo ft e x t u r ea c t i v i t y , w h i c hi s ，f o l l o w i n gs e v e r a le x i s t i n gr e s e a r c h e s n o tt h e b e s tp o s s i b l em e a s u r e r n l i ss i m p l em e a s u r ec a nn o tn o r m a l l y 西v et h em o s tp r e c i s e a p p r e c i a t i o n e s p e c i a l l yt or e c o g n i z et h e1 0 c a ld e t a i l si nac o m p l e xa r e a t h ev a r i a n c e i st h e r e f o r el i k e l yt oc o m p r o m i s et h ep e r f o r m a n c e so ft h ew a t e r m a r k i n gs c h e m e t h u s ， t h i st h e s i sp r e s e n t s3n e wm e a s u r e s ( p o i n td e t e c t i o n 1 i n ed e t e c t i o na n dg r a d i e n t m o d e l ) s o 弱t os u b s t i t u t et h ev a r i a n c e a 1 1t h e s em e a s u r e sa r eb a s e do na l la n a l y s i so f t h eg r a d i e n tw h i c hi sk n o w nt ob em o r el i a b l et od e t e c tt h el u m i n a n c ed i s c o n t i n u i t i e s i nap i c t u r e ，i e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e x t u r ea c t i v i t i e s b a s e do ne a c hn e wm e a s u r e ，t h r e en e wm a s k sa r ef u r t h e rd e s i g n e df o ra w a t e r m a r k i n gp r o c e s ss o 邵t oc o m p e t ew i t ht h er o b u s t n e s sa n di m p e r c e p t i b i l i t y p e r f o r m a n c e so ft h ep i x e l - w i s e m a s kr e c e n t l yp r o p o s e db vg u ix i ea n dh o n gs h e n s i m u l a t i o nr e s u l t so nt h en e wm a s kp e r f o r r n a n c et e s t sr e v e a lt h a tas i m p l e s u b s t i t u t i o no ft h ev a r i a n c ei sn o ts a t i s l y i n g t os o l v et h ep r o b l e m 。t h i st h e s i ss u g g e s t s t e s t i n g 也er o b u s t n e s su n d e rt h ec o n c h t i o no ft h es a m ev i s u a lq u a l i t y t om e e tt h i s c o n d i t i o n ，i ti sp r o p o s e dt oi m p l e m e n tac o e 简c i e n tbi nt h em a s kc o m p u t a t i o n ，a n d t h ec h o i c eo f6v a l u ed e p e n d so nt h el e v e lo ft h ew a v e l e ts u b b a n da n dt h et e x t u r e a c t i v i t ym e a s u r eu s e d p e r f o r m a n c er e s u l t sf r o mt h i sl a s tm o d i f i c a t i o ne x h i b i t s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si nt e r mo fr o b u s t n e s s m o s t l yf o rt h e1 i n ed e t e c t i o nm e a s u r e f i n a l l y , t h et h e s i sc o n c l u d e sb ye x p l a i n i n gt h ec o n t r i b u t i o n so ft h er e s e a r c ha n d p r o p o s i n gf u t u r ed i r e c t i o n s k e y w o r d s ：i m a g e ，w a t e r m a r k i n g ，p i x e l - w i s e ，t e x t u r ea c t i 们饥h u m a nv i s u a ls y s t e m 西南交通x 一- - t ”- -酋南父逋 学位论文版权使用授权书 本学蕴论文箨耆竞全了辩学校有关攥謦、使露学位论文嚣裁定，翼意擎技景蜜 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件粒电子版，允许论文被查阅和借阕。本 人授粳西南交邋大学可以将本论文瀚全部或部分内容编入有关数据库迸行橡索，可 以采鲻影零、缩窜藏摆搂等复印手段保存帮汇编本学搜论文。 本学位论文属于 1 保密嚣，在年察整麓遥蘑搴授权书； 2 。幂傺密圈，使瘸本授权鹊。 ( 请在以上方框内打“辨) 学霞论文律者签稻：姒指霉老 基期：细3 。l 晓孑 蹬凝： 西南交通大学学位论文创叛性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所撂的成果。除文中已经注明弓l 用酶内容外，本论文不包禽经鹰其 他个人或集体已经发袭或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人秘集体，均已在文中作了明确鲍说翡。本人完全意识到本声臻的法 律结果由本入承担。 本学位论文麴主要谶新点翔下： 1 ) 提出了一种在计算逐像素屏蔽时新的纹理活动测度的方法。用新的纹 理活动测度代替方差计算方法，获丽褥到了三种新豹逐像索屏蔽模型。 2 ) 在计算逐像素屏蔽时弓l 入1 3 系数，在霹视觉条件下考查鲁棒性。 的取值根据小波予带的水平以及测度手段而定。研究结果表明，葶l 入1 3 系数的线检测逐像素屏蔽改进方案是有效的。 3 ) 通过分析水印算法的数学模型，对1 3 值的查找算法做简化，使新的 逐像素屏薮算法速度有了大幅度酶提高。 沏氛，i o 0 s o u t hx e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e 1 _ - _ _ - _ _ _ i i 1 l l l l l ij i i l li i i l l l l i l l i _ _ _ o i - c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n i nt h i s c h a p t e r , t h eg e n e r a lc o n c e p to fw a t e r m a r k i n gi sp r e s e n t e d s e v e r a l w a t e r m a r k i n gm e t h o d sh a v eb e e nd e s i g n e di nt h el a s td e c a d ea n dt h i st h e s i si s c o n c e n t r a t e do nt h ep i c t u r ew a t e r m a r k i n gi nt h ew a v e l e td o m a i n ，u s i n gv i s u a l p e r c e p t u a lc o n s i d e r a t i o n ，g i v i n gb a s i so ft h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，t h et h e s i st h e n p r e s e n t sa s t a t eo ft h ea r to ft h em e t h o d sd e s i g n e db e f o r ei nt h i ss p e c i f i cf i e l d 量。1i n t r o d u c t i o n n e a r l y2 0y e a r sa g o ，t h ew o r l de n t e r e dan e wa g eo fi n f o r m a t i o nw i t ht h e a r r i v a l so f & g i t a lt e c t m o l o g i e s ，l i k ei n t e m e t l o wc o s ta n df a s td i f f u s i o nc r e a t e da n e x p l o s i o no fe a s i l yb r o a d c a s ta n da c c e s s i b l ep u b l i ci n f o r m a t i o n t h i sr e s u l t e di n u n a n t i c i p a t e dc h a l l e n g e st op r o t e c tt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dr e v e n u e so ft h e c r e a t o r so fm u s i c 。v i d e o s ，p h o t o s ，w r i t i n g s ，s o f t w a r ep r o p o s e da l la r o u n dt h ew o r l d t h e s ep e r s o n a lp r o d u c t i o n sn e e dt ob e 辩c u r e df r o mm a l i c i o u su s e r ss t e a l i n gw o r k s 1 i k e l yt ou s et h e mw i t h o u tt h ea g r e e m e n to ft h e i rp r o d u c e r s 。叠疽st h e s i sw i l le x a m i n e as o l u t i o n ：t h ew a t e r m a r k i n g t h ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya i r r 速a ti n c r u s t i n gam a r ki n t ot h ew o r 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st h ew a t e r m a r ki n t oah o s ts i g n a lm a n ym e t h o d sh a v e b e e np r o p o s e dt oe m b e dt h ew a t e r m a r ka n dt h e yc a nb ec l a s s i f i e df o l l o w i n gt w o c r i t e r i a ：t h ep l a c ei nt h eh o s ts i g n a l ( s p a t i a lo rt r a n s f o r m a t i o nd o m a i n ) ，t h ew a yo f a d d i n gt h ei n f o r m a t i o n ( 1 i t e r a l l ya d d i n gi to rs u b s t i t u t i n ge x i s t i n gf i l em f o r m a r i o n ) 2 ) t h et r a n s m i s s i o no f t h ew a t e r m a r k e ds i g n a lr e v e a l st h ev u l n e r a b i l i t yo f t h e w h o l ep r o c e s s ；t h ep i c t u r ei ss u b m i t t e dt oi n t e n t i o n a lo ri l l e g a i t r e a t m e n t s ( n m s e ， c o m p r e s s i o n ，c r o p p i n ge t o ) d a m a g i n gt h ep i c t u r ea n ds dt h ew a t e r m a r k 幻o r d e rt o a c h i e v ep e r f e c t l yt h ep r o c e s s ，t h ee m b e d d i n gm e t h o dm u s tb ec l e a r l ya w a r eo ft h e p i c t u r et r e a t m e n t s 3 ) t h er e s t o r a t i o n ，t h e f i n a ls t e p ，d e c i d e s i f t h e w a t e r m a r kc a nb e f o u n do in o t i n t h e w a t e r m a r k e d p i c t u r et h er e s t o r a t i o no f t h e w a t e r m a r kc a l l b e i n f o r m e do r b l i n d ， t h ef i r s t i c c h m q u eu s e st h et w oo r i g i n a la n dw a t e r m a r k e dp i c t u r e st oe x t r a c tt h e w a t e r m a r k ，a st h es e c o n do n ed e t e c t st h ew a t e r m a r ko n l yf r o mt h ew a t e r m a r k e d p i c t u r et e c h n i c a l l y ，t h eb l i n dr e s t o r a t i o n i s m o r ec h a l l e n g f n g “a t e r m a r k e d s i g n a l a n e r 1r a n s n l i s s j o n f i g u r e2 ：w a t e r m a r k i n gs y s t e ms c h e m e 扎谂m 。 澄娥哿 德谧 s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e ，3 。 p o s s i b i l i t i e sd u r i n gt h ee m b e d d i n ga n dt h er e s t o r a t i o ng i v eal a r g ec h o i c eo f s c h e m e st ow a t e r m a r kap i c t u r e 。a sp r e s e n t e di ns e c t i o n1 2 3 ，t h e s em e t h o d sc a nb e a p p l i e di n al o to fa r e a s ；也c yn e e da l s ot ob ee v a l u a t e di nf u n c t i o no fm e 静 p e r f o r m a n c e s l a s t l y , t h ew a t e r m a r k i n gs c h e m eu s e df o rt h es t u d yw i l le m b e d i n f o r m a t i o ni nt h ew a v e l e tt r a n s f o r md o m a i no ft h ep i c t u r ea n dt h er e s t o r a t i o nw i l lb e b l i n d 1 2 2e v a l u a t i o no f 饿ew a t e r m a r k i n gs y s t e m s t h en u m b e ro fw a t e r m a r k i n gm e t h o d si n c r e a s e d r e c e n t l yt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs p e c i f i e dp r o t e c t i o n s e v e ni ft h e i ro b j e c t i v e sa r en o ts i m i l a r , w a t e r m a r k i n gs c h e m e sa l lh a v ei nc o m m o ns o m ec r i t e r i a ，j u d g i n gt h eq u a l i t yo ft h e i r p a t t e r n 。强ew o r k sr e f e r e n c e di n 11 ，【2 】h e l pt om a k ean o n e x h a u s t i v el i s to f p r o p e r t i e s ： 薹) t h ec a p a c i t yr e p r e s e n t st h eq u a n t i t yo fw a t e r m a r kd a t at h a taw a t e r m a r k i n g s e h e m ec a l le m b e d 2 ) t h ei m p e r c e p t i b i l i t yo rt r a n s p a r e n c yd e a l s 谢墩t h ep e r c e p t u a lc o m p a r i s o n b e t w e e nt h eo r i g i n a la r i dw a t e l m a r k e dv e r s i o n so ft h ep i c t u r e 。w a t e r m a r k i n ga p i c t u r e d e t e r i o r a t ei t sv i s u a lq u a l i t y , t h e r e f o r et h ec o n t r o lo ft h i sc r i t e r i o ni sah o ti s s u e 。 3 ) t i | h er o b u s t n e s sr e f e r st ot h ea b i ! i t yo fr e s t o r i n gw e l lt h ew a t e r m a r kd u r i n g t h e1 a s ts t e po f 氇ep r o c e s s 霜b ya r em a n yd i f f e r e n tt r e a t m e n t so ra t t a c k st h a ta w a t e r m a r ks h o u l du n d e r g oi no r d e rt ob ep e r f e c t l yd e t e c t e di n 氇er e s t o r a t i o ns t e p 。 d e p e n d i n go nt h el e v e lo fr o b u s t n e s s ，aw a t e r m a r k i n gs c h e m ec a nb ec l a s s i f i e di n t o o i l eo ft h r e ec a t e g o r i e s ： 专露l of r a g i l ew a t e r m a r k i n gs c h e m ep e r m i t st oc h e c kt h ei n t e g r i t yo f 氆e w a t e r m a r k e di m a g e ；i ti sv e r yb r e a k a b l et oa n ym o d i f i c a t i o n sa n do n c et h ew a t e r m a r k i sa l t e r e d ，t h ep i c t u r ei s s u s p e c t e dt ob em o d i f i e da n dc a r ln o tb ea u t h e n t i e a t e d a n y m o r e 专霹l es e m i - 董1 & 西t es c h e m ei sr e s i s t a n tt ou s u a lm o d i f i c a t i o n so o s sc o m p r e s s i o n f o ri n s t a n c e ) i no r d e rt od e t e c to n l ym o d i f i c a t i o n sp r e j u d i c i a lt ot h ep i c t u r ei n t e g r i t y 专弧er o b u s tw a t e r m a r k i n gs c h e m ea i i n sa tt r a n s m i t t i n gt h ew h o l ei m o r m a t i o n i ns p i t eo ft h ep i c t u r em o d i f i c a t i o n s 。 1 2 3a p p l i c a t i o n s w h e r et h i st e c h n o l o g yi sa p p l i e dn o w a d a y s ? i ts e e m st ob ei nv o g u ea ss o m e c o m p a n i e su s ei t f o rp r o t e c t i n gt h e i rr i g h t s ( m i c r o s o f ta n di t s d i g i t a lr i g h t m a n a g e m e n tf o ri n s t a n c e ) af e we x a m p l e s ： w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yc a nh e l pt ot h eb r o a d c a s tm o n i t o r i n g ；f o re x a m p l e ， t h eb r o a d c a s t i n gc o n t r o lo fa na d v e r t i s e m e n t i n d e e d ，t e l e v i s i o nc h a n n e l sh a v et op a y r o y a l t i e sf o re a c hc o m m e r c i a lt e l e v i s e d i n s t e a do fe m p l o y i n gp e o p l et oc h e c k2 4 h o u r sad a yt h ec o n t e n to fac h a n n e l ( ! ) ，am o n i t o r i n gp r o g r a mw i l la n a l y z ee v e r y a d v e r t i s e m e n t st e l e v i s e da n dc h e c ki ft h ew a t e r m a r kl i n k e dt oag i v e na d v e r t i s e m e n t s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e 4 _ 一i i i mi l l l l li ii il li i i i i _ 一 i sp r e s e n t ，t h er o b u s t n e s si so f t e nr e q u i r e dh e r e ，b e c a u s eo ft h en u m b e ro ft r e a t m e n t s ( c o m p r e s s i o nf o ri n s t a n c e ) t h em o v i e w a t e r m a r km u s te n d u r e c o p y r i g h tp r o t e c t i o nr e q u i r e se m b e d d i n gam a r ki n t o t h ei m a g e d a t a , i d e n t i f y i n gt h ec o p y r i g h th o l d e ro ft h ew o r ko rt h eb u y e rf o rac i r c u l a t i o nt r a c k i n g t h em a r kc a nb ea r e g i s t e r e dn u m b e r ( e x ：t h eu p c o nc o m p a c td i s k ) ，ap i c t u r e ( d n a f i n g e r p r i n t i n g ) 。 d a t ai n t e g r i t yc a l lb ec h e c k e db yw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y t h em a r k su s e da r e r e q u i r e dt ob ef r a g i l e s e m i * f r a g i l et od e t e c ta n y m o d i f i c a t i o n s 。 1 2 4 曩1 ew & v e l 蔽骶跹s 勤糯a t i o n u s e di nt h i sr e s e a r c h ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nf 4 7 4 8 1i saf r e q u e n c yt o o l t h a tw a si n t r o d u c e d5 0y e a r sa g oi no r d e rt of i l li nal a c kb e t w e e nt w oe x t r e m em o d e s o f s i g n a lr e p r e s e n t a t i o n ：t h e d i m e - f u n c t i o n d e c o m p o s i t i o n ，a n d t h ef o u r i e r r e p r e s e n t a t i o n m i l et h ef i r s ta p p r o a c hg i v e sp r e c i s ei n f o r m a t i o na b o u tt h et i m eb u t n of r e q u e n c yi n f o r m a t i o n t h ef o u r i e rr e p r e s e n t a t i o ne x p l a i n e di n v e r s e l yf r e q u e n c y d e t a i l sa n dn o t h i n ga b o u tt e m p o r a lc o n t e n t 。t h u s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nh a sb e e n & v e l o p e dw i t hav i e wt od e t a i b o t hd i m e n