信息隐藏技术-第四章-数字图像水印

第四章数字图像水印 第三章内容回顾 2020 4 16 2 隐写术概述经典隐写算法隐写分析方法 第四章主要内容 2020 4 16 3 数字图像水印概述数字水印算法基于HVS的图像水印鲁棒数字图像水印脆弱数字图像水印 信息隐藏研究范畴 2020 4 16 4 Fabien博士 1999 信息隐藏 鲁棒水印 隐写术 数字水印 可视分存 阈下信道 脆弱水印 隐写 隐写分析 普通水印 数字指纹 隐秘通道 数字水印定义 2020 4 16 5 Digitalwatermarkingistheprocessofembeddinginformationintoadigitalsignal Thesignalmaybeaudio picturesorvideo forexample Ifthesignaliscopied thentheinformationisalsocarriedinthecopy 数字水印是永久镶嵌在其他数据 宿主数据 中具有可鉴别性的的数字信号或模式 而且并不影响宿主数据的可用性 Steganographyandwatermarking 2020 4 16 6 SteganographyInsteganography theobjectofcommunicationisthehiddenmessage Thismessagemayhavenothingtodowiththecarrier Agoalofsteganographyistokeepthemessage orthecommunicationof frombeingdetected WatermarkingWatermarks ontheotherhandcanbeconsideredmoreofattributesofthecarriers Theyconveysomeinformationaboutthecarrier author orowner Theexistenceofanembeddedwatermarkmaybeknownorunknown Theideaherehaslesstodowithsecrecythantodowithsurvivability 数字指纹Digitalfingerprinting 2020 4 16 7 数字指纹利用数字作品中普遍存在的冗余数据和随机性 向被分发的每一份图像 视频等数据拷贝中嵌入不同的信息 这些信息被称作 指纹 使得该拷贝是唯一的 从而可以在该拷贝被非法分发时 根据其唯一性特征跟踪有盗版行为的用户 数字水印系统 2020 4 16 8 Basicdesignofasystem Message regardingwork Watermarkembedder Watermarkdetector Detectedmessage 数字水印的属性 2020 4 16 9 Embeddingeffectiveness嵌入的有效性Fidelity保真性Datapayload数据容量Blindvs informeddetection盲检测或含辅助信息检测Falsepositiverate虚警率或错误肯定率Robustness鲁棒性Security安全性 数字水印的分类 2020 4 16 10 水印载体Carrier嵌入域Embeddingdomain鲁棒性Robustness可见性 可察觉性 Visibility检测方式Detection可逆性Reversibility 按水印载体分类 2020 4 16 11 图像水印Imagewatermarking视频水印Videowatermarking音频水印Audiowatermarking文档水印Textwatermarking软件水印Softwarewatermarking 按嵌入域分类 2020 4 16 12 空域水印Watermarkembeddedbymodifyingpixelvalues 变换域水印Watermarkembeddedintransformdomain DCT DFTorwavelet Coefficientsofglobalorblocktransformmodified 按鲁棒性分类 2020 4 16 13 鲁棒水印RobustAgainstadversarybasedattack 脆弱水印FragileFortamperproofing e g losingwatermarkimpliestampering 半脆弱水印Semi FragileRobustagainstuserleveloperations e g imagecompression 按可见性分类 2020 4 16 14 不可见水印可见水印 按检测方式分类 2020 4 16 15 非盲检测Non blinddetectionUsetheoriginalsignal 盲检测BlinddetectionDon tuseoriginalsignalorsideinformation 半盲检测Semi blind InformeddetectionDon tusetheoriginalsignal Usesideinformationand ororiginalwatermark 按可逆性分类 2020 4 16 16 不可逆水印Non reversible可逆水印Reversible Invertible Lossless 数字水印的攻击方法 2020 4 16 17 Signalenhancement sharpening contrastenhancement etc Additiveandmultiplicativenoise gaussian uniform etc Filtering Highpass lowpass linear nonlinear etc Lossycompression JPEG MPEG x H 26x etc Geometrictransforms translation rotation etc Datareduction cropping clipping etc Transcoding MPEG2 H 263 etc D AandA Dconversion print scan etc CollusionattackMosaicattackAmbiguityattack 数字图像水印的发展过程 2020 4 16 18 第一阶段基本的嵌入与检测方法第二阶段基于HVS的水印方法 鲁棒水印 脆弱水印第三阶段可逆水印 第四章主要内容 2020 4 16 19 数字图像水印概述数字水印算法基于HVS的图像水印鲁棒数字图像水印脆弱数字图像水印 扩频水印算法 2020 4 16 20 Prof IngemarJ CoxUniversityCollegeLodon NECResearchInstitute SecureSpreadSpectrumWatermarkingforMultimedia IEEETrans onImageProcessing 6 12 1673 1687 1997 TimesCited 2008 9 22 655 扩频原理 2020 4 16 21 直接序列扩频 2020 4 16 22 扩频嵌入 2020 4 16 23 加性嵌入乘性嵌入指数嵌入 相关检测 2020 4 16 24 非盲检测 相关检测 2020 4 16 25 盲检测 错误检测概率 2020 4 16 26 错误肯定概率Ffp Afalsepositiveprobability错误否定概率Fnp Afalsenegativeprobability非盲检测Ffp 0 Fnp 0盲检测Ffp Fnp 盲检测错误概率 2020 4 16 27 Fnp 盲检测错误概率 2020 4 16 28 Ffp 扩频水印算法例子 2020 4 16 29 扩频水印算法例子 2020 4 16 30 Alpha 8 0 扩频水印算法例子 2020 4 16 31 Alpha 16 0 CDMA算法 2020 4 16 32 CDMA码分多址利用不同码型的扩频编码之间的相关特性 分配给不同用户不同的扩频编码 就可以区别不同的用户的信号 众多用户 只要配对使用自己的扩频编码 就可以互不干扰地同时使用同一频率通信 从而实现了频率复用 使拥挤的频谱得到充分利用 发送者可用不同的扩频编码 分别向不同的接收者发送数据 同样 接收者用不同的扩频编码 就可以收到不同的发送者送来的数据 实现了多址通信 CDMA算法 2020 4 16 33 CDMA嵌入 CDMA检测 2020 4 16 34 非盲检测盲检测 CDMA算法例子 2020 4 16 35 CDMA算法例子 2020 4 16 36 Alpha 8 0 CDMA CDMA算法例子 2020 4 16 37 Alpha 16 0 CDMA 第四章主要内容 2020 4 16 38 数字图像水印概述数字水印算法基于HVS的图像水印鲁棒数字图像水印脆弱数字图像水印 人眼的视觉掩蔽特性 2020 4 16 39 视觉阈值视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值 低于它就察觉不出来 高于它才看得出来 这是一个统计值 亮度辨别阈值当景物的亮度在背景亮度基础上增加很少时 人眼是辨别不出的 只有当亮度增加到某一数值时 人眼才能感觉其亮度有变化 人眼刚刚能察觉的亮度变化值称为亮度辨别阈值 扩频嵌入 2020 4 16 40 加性嵌入 Watson模型 2020 4 16 41 AndrewB Watson NASAAmesResearchCenter 1993 1994JustNoticeableDifferences JND YUV YCbCr8 8DCT2 Watson模型 2020 4 16 42 Y通道DCT频率敏感度表 Watson模型 2020 4 16 43 Cb通道DCT频率敏感度表 Watson模型 2020 4 16 44 Cr通道DCT频率敏感度表 第四章主要内容 2020 4 16 45 数字图像水印概述数字水印算法基于HVS的图像水印鲁棒数字图像水印脆弱数字图像水印 鲁棒性 2020 4 16 46 鲁棒性 稳健性鲁棒性主要表现在水印系统对常规操作的鲁棒 常规操作包括 1 一般信号处理 滤波 加噪 数模 模数转换 重采样等 2 一般几何攻击 旋转 缩放 平移 RST 仿射变换 3 共谋和伪造 对于数字指纹而言 水印系统要防止多个用户合谋去除水印 指纹 也不能由其他人伪造水印 鲁棒性与安全性鲁棒性常规操作 安全性有意的攻击 鲁棒性的实现方法 2020 4 16 47 冗余嵌入当载体发生失真时 并非所有的特征值出现同样的影响程度 或者说 载体不大可能经历水印敏感的所有失真 所以将水印冗余嵌入 将是对抗各种失真的通用策略 冗余嵌入带来的问题是隐藏容量的成倍减少 相同容量的嵌入 引入的噪声大大增加 可采用纠错编码 鲁棒性的实现方法 2020 4 16 48 扩频编码频域的冗余嵌入也称为扩频编码 扩频通信使水印分散到任意频率上的能量很小 但集中检测的时候检测器输出可能具有较高的信噪比 这种频率的水印分散对许多常规信号失真具有鲁棒性 鲁棒性的实现方法 2020 4 16 49 在感知上最重要的系数中嵌入这种方法其实是很矛盾的 因为感知最重要的系数的微小变化 将导致载体可感知的质量变化 使得其保真度严重下降 而水印必须是不可感知的 因此 只能结合扩频技术 将水印信号分散到感知系数上 使感知系数的变化不超过可感知的门限 或者将水印嵌入到中等重要的感知系数上 鲁棒性的实现方法 2020 4 16 50 在鲁棒系数中嵌入如果要求水印算法抵抗JPEG压缩 直接的想法就是在信号的DCT域嵌入 若要抵抗JPEG2000压缩处理 则可能考虑信号的小波系数 类似的情况 可以将水印嵌入到DFT域或者其极对数坐标下 或者倒谱变换中 一旦确定水印嵌入的变换域 可以预计水印承受预期失真的情况 对于其他类型的失真 则需要试验来确定 在嵌入的变换域中选择最鲁棒的系数承载水印信息 鲁棒性的实现方法 2020 4 16 51 在不变变换域或特征中嵌入用于抵抗几何变换攻击 不变形状水印 随几何变换不变的变换域 如傅立叶 梅林变换 Radon变换 Zernike矩等等 鲁棒数字图像水印 2020 4 16 52 抗几何攻击水印几何仿射变换的旋转 rotation 拉伸 scale 或称尺度 和平移 transition 有时简称为RST 是几何失真攻击中最常见的三种攻击 此外还有裁剪 镜像以及由多种微小几何变换组合的随机几何扭曲等 这些几何攻击能够使水印信息部分丢失或者破坏水印检测的同步 Fourier Mellin变换Radon变换 Fourier Mellin变换水印 2020 4 16 53 RuanaidhJ J K andPereiraS Asecurerobustdigitalimagewatermark ElectronicImaging1998 pp 150 163 1998结合离散傅立叶变换 DFT 和对数 极坐标映射 Log PolarMapping LPM 即采用所谓的Fourier Mellin变换 提出能抵抗平移 旋转和尺度变换的数字图像水印算法 Fourier Mellin变换水印的缺点 2020 4 16 54 在实际应用中 Fourier Mellin变换对于水印也存在一些问题 坐标系变换 即进行LPM和逆LPM时 对于图像的不同区域来说是相当不平等的一种变换 图像的中心区域被极大的拉伸 而边缘区域则被极高的压缩了 这就意味着边缘区域将由于采样过程和模糊化以及图像中心区域将由于插值和反变换而丢失一些细节信息 为了减少图像质量的下降 在计算变换域时必须使用一些具有高分辨率的图像 Radon变换水印 2020 4 16 55 D Simitopoulos D KoutsonanosandM G Strintzis 1 Imagewatermarkingresistanttogeometricattacksusinggeneralizedradontransformations 14thInternationalConferenceonDigitalSignalProcessing2002 85 88 2 Robustimagewatermarkingbasedongeneralizedradontransformations IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVideoTechnology 2003 13 8 732 745Onedimensionaltransformations RITandCIT RIT 2020 4 16 56 RadialIntegrationTransform RIT性质 2020 4 16 57 RIT性质 CIT 2020 4 16 58 CircularIntegrationTransform CIT性质 2020 4 16 59 CIT性质 Radon变换水印 2020 4 16 60 Radon变换水印 2020 4 16 61 Radon变换水印特点 2020 4 16 62 该方法的一个重要技术细节是需要确定RIT和CIT的原点 Simitopoulos利用拐角检测 cornerdetection 算法来寻找具有最强鲁棒性的拐角作为RIT和CIT的原点 其他几何攻击鲁棒图像水印 2020 4 16 63 基于模板匹配的嵌入方法利用模版是一种能够抵抗几何攻击的重要技术 模版本身并不携带信息 只是一种图形几何变换的恢复手段 其水印提取包括两个阶段 首先 利用模版来识别图像可能经历的各种变换 然后 对图像进行逆变换并提取其中的水印 基于环形对称水印的嵌入方法Zernike矩 第四章主要内容 2020 4 16 64 数字图像水印概述数字水印算法基于HVS的图像水印鲁棒数字图像水印脆弱数字图像水印 脆弱水印发展背景 2020 4 16 65 始于1994年真正受到关注 1997年多媒体内容的完整性验证 尤其是图像的完整性验证 是近几年来随着网络技术的发展而发展起来的医学数据库中 原始图像是否发生变化对于诊断结果非常重要在法庭上 法官对于被告或原告的证人所提供的照片的真实性非常关心 脆弱水印发展背景 2020 4 16