空域可逆圖像水印技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)的迅速普及和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，人們對(duì)信息的安全性要求越來越高，如何有效地進(jìn)行數(shù)字化信息的安全傳輸與保存已變得極為迫切。而密碼技術(shù)僅僅能在數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收的傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密保護(hù)，致使所有者無法對(duì)解密后的數(shù)據(jù)的進(jìn)行監(jiān)管和保護(hù)。數(shù)字水印技術(shù)作為密碼技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展，解決了密碼技術(shù)在數(shù)據(jù)保護(hù)方面的不足，并已成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，為數(shù)字化信息的安全通信、存儲(chǔ)提供了一種新的思路和方法。

2、r>　　可逆水印是數(shù)字水印中一個(gè)新的重要分支，指以一種可逆的方式在數(shù)字載體中嵌入水印的技術(shù)，在嵌入的水印和輔助數(shù)據(jù)被提取后，載體可以無損的還原。一個(gè)良好的可逆水印算法應(yīng)具有高嵌入容量和好的水印圖像質(zhì)量，二者相互矛盾相互制約，如何在嵌入容量和水印圖像質(zhì)量上獲得一個(gè)好的平衡是提高算法的關(guān)鍵。本文分析了現(xiàn)如今的可逆水印方法，以空域上的直方圖平移技術(shù)和誤差擴(kuò)展技術(shù)為重點(diǎn)，研究了空域上可逆圖像水印方法，主要研究內(nèi)容與研究成果如下:
　　(1

3、)針對(duì)現(xiàn)有基于直方圖平移的可逆水印方法沒有考慮平移扭曲的不足，我們提出了一種新的基于非對(duì)稱誤差直方圖平移的可逆水印框架，并以該框架為基礎(chǔ)，提出了一種高效的可逆水印方法。該框架首先選擇合適的預(yù)測算法作為圖像像素預(yù)測的預(yù)測核，不同于傳統(tǒng)算法為每個(gè)像素計(jì)算一個(gè)預(yù)測值的單預(yù)測機(jī)制做法，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)多預(yù)測機(jī)制，利用上述被選擇的預(yù)測核為每個(gè)待預(yù)測像素計(jì)算多個(gè)預(yù)測值。然后使用本文定義的非對(duì)稱選擇函數(shù)從上述多個(gè)預(yù)測誤差中，非對(duì)稱的選擇出合適的一個(gè)誤差

4、值作為該像素的預(yù)測誤差，從而創(chuàng)建出一個(gè)非對(duì)稱的預(yù)測誤差直方圖。最后，根據(jù)對(duì)偶性原則，我們對(duì)圖像分別使用被選擇的非對(duì)稱函數(shù)與其對(duì)偶函數(shù)，從而創(chuàng)建出偏斜方向相反的兩個(gè)直方圖，然后同時(shí)結(jié)合這兩個(gè)平移方向相反的誤差直方圖分層嵌入水印，由于這兩個(gè)直方圖平移相反，使得部分在上層嵌入中修改的像素被補(bǔ)償還原成了原始值，從而提高了水印圖像質(zhì)量。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與同類算法相比，該算法提高了嵌入容量，減少了平移扭曲，從而提高了水印圖像質(zhì)量，這種提升效

5、果在高嵌入率時(shí)尤其明顯。
　　(2)在證明非對(duì)稱誤差直方圖減少平移扭曲的基礎(chǔ)上，通過修改高預(yù)測精度預(yù)測算法——梯度自適應(yīng)預(yù)測子(GAP)，我們提出了一種基于有向預(yù)測機(jī)制的可逆水印算法。由于光滑區(qū)域預(yù)測精度高，復(fù)雜區(qū)域預(yù)測精度低，通常通過增加圖像光滑區(qū)域的數(shù)據(jù)嵌入，減少復(fù)雜紋理區(qū)域的嵌入量，可以減少圖像失真，提高水印圖像質(zhì)量。為此，基于GAP，我們首先增加了圖像光滑區(qū)域的預(yù)測分類，從而計(jì)算出精度更高的預(yù)測值。其次我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)有向預(yù)

6、測機(jī)制——RGAP和LGAP，這兩個(gè)機(jī)制在復(fù)雜區(qū)域向直方圖平移的反方向計(jì)算預(yù)測值，極大地減少了該區(qū)域被平移像素的數(shù)量，從而減少了嵌入單位水印時(shí)對(duì)圖像的修改量，發(fā)展了水印圖像質(zhì)量。最后，為了獲得最優(yōu)的容量控制閾值和嵌入?yún)?shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新的嵌入扭曲計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在預(yù)測結(jié)果上，有向預(yù)測機(jī)制極大地減少了平移扭曲并提高了預(yù)測精度;在嵌入過程上，新設(shè)計(jì)的扭曲公式能高效的找出最優(yōu)的嵌入?yún)?shù)，并極大地提高嵌入效果，尤其是在低嵌入率下。

7、r>　　(3)預(yù)測誤差擴(kuò)展是現(xiàn)如今可逆水印算法中被廣泛研究的一類技術(shù)，這種技術(shù)可以為圖像提供極高的嵌入容量，提高該類算法的關(guān)鍵在于如何減少為了獲得額外空間而引入的擴(kuò)展扭曲。在分析算法特點(diǎn)基礎(chǔ)上，本文通過結(jié)合差值擴(kuò)展和預(yù)測誤差擴(kuò)展算法，首先使用預(yù)測誤差對(duì)代替圖像像素對(duì)，然后使用預(yù)測誤差對(duì)差值代替像素對(duì)差值，提出了一種預(yù)測誤差對(duì)擴(kuò)展的可逆水印算法。與傳統(tǒng)差值擴(kuò)展和預(yù)測誤差擴(kuò)展方法相比，該方法主要有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):1）由于引入預(yù)測機(jī)制，更多高精度的

8、預(yù)測算法可以應(yīng)用于其中，從而解決了差值擴(kuò)展中僅僅只能使用最近鄰預(yù)測機(jī)制預(yù)測精度低下的困擾，減少了變換的擴(kuò)展扭曲;2）由于圖像像素的相關(guān)性，在絕大數(shù)情況下，圖像中相鄰誤差對(duì)同號(hào)的概率遠(yuǎn)大于異號(hào)的概率，致使部分誤差被抵消，進(jìn)一步減少了擴(kuò)展扭曲。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水印算法提高了嵌入容量，并獲得了較高的水印圖像質(zhì)量。
　　(4)根據(jù)使用預(yù)測誤差對(duì)擴(kuò)展嵌入可逆水印的思想，通過同時(shí)利用預(yù)測誤差擴(kuò)展(PEE)和誤差對(duì)擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)

9、了一種結(jié)合誤差擴(kuò)展和預(yù)測對(duì)擴(kuò)展的自適應(yīng)可逆水印方法。該方法首先將誤差對(duì)擴(kuò)展的整數(shù)變換從每像素對(duì)嵌入1比特?cái)U(kuò)展到嵌入多比特?cái)?shù)據(jù)，從而設(shè)計(jì)了一個(gè)多比特誤差對(duì)擴(kuò)展變換(MEPE)，然后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)混合嵌入策略，該方法在小幅值誤差中使用PEE提高嵌入容量，在中等幅值誤差對(duì)中使用MEPE減少扭曲。此外，為了利用像素對(duì)冗余性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，我們提出了一種新的誤差對(duì)預(yù)測算法，該算法包含四類方向不同的預(yù)測子，分別是0度、45度、90度和135度預(yù)測子

10、。在該機(jī)制中，PEE和MEPE分別使用了不同的預(yù)測模型，前者結(jié)合概率預(yù)測模型，從而獲得高精度的預(yù)測值;后者結(jié)合有向預(yù)測機(jī)制，非對(duì)稱的計(jì)算預(yù)測值，從而減少誤差對(duì)內(nèi)兩個(gè)誤差值的差值，以便增加誤差對(duì)同號(hào)的數(shù)量，同時(shí)減小變換的被擴(kuò)展部分，最終減少了擴(kuò)展扭曲。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法克服了差值擴(kuò)展算法水印圖像質(zhì)量低的缺陷，繼承了預(yù)測誤差擴(kuò)展嵌入容量高的優(yōu)勢(shì)。
　　本文將為空域上可逆水印算法的研究提供新的視野和新的思路，研究成果可較容易推