抗旋轉(zhuǎn)變換的圖像哈希算法.pdf

1、圖像哈希(Hash)是數(shù)字媒體內(nèi)容處理領(lǐng)域的一個新興研究課題，已被廣泛應(yīng)用于圖像認證、數(shù)字水印、圖像檢索、圖像拷貝檢測等方面。圖像哈希是一種基于視覺內(nèi)容的圖像壓縮表示方式，采用一串短小的字符或數(shù)字序列來描述圖像本身。由于圖像常常需要進行數(shù)字處理，處理后的圖像的視覺內(nèi)容保持不變，但具體表示數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，因此圖像哈希要求視覺相似的圖像有相同或十分相似的哈希值。這是圖像哈希的第一個基本性質(zhì)，即，魯棒性。圖像哈希的另一個基本性質(zhì)是唯一性，即，

2、不同內(nèi)容的圖像，其哈希值應(yīng)完全不同。旋轉(zhuǎn)變換是最常用的一種基本圖像操作，在圖像識別、圖像校正、圖像拼接、遙感圖像處理等方面有重要應(yīng)用。然而，現(xiàn)有圖像哈希算法在兼顧旋轉(zhuǎn)魯棒性和唯一性方面普遍存在不足，會將旋轉(zhuǎn)后的圖像誤判為不同內(nèi)容的圖像。針對此問題，本文主要研究抗旋轉(zhuǎn)變換的圖像哈希技術(shù)。具體而言，論文先分析圖像旋轉(zhuǎn)變換的基本原理，在此基礎(chǔ)上提出一種圖像環(huán)形分割方法，接著，從不同角度研究并提出三種抗旋轉(zhuǎn)變換的圖像哈希算法，有效實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)魯棒性

3、和唯一性。論文的具體研究成果如下。
　　1.提出一種圖像環(huán)形分割方法
　　分析圖像旋轉(zhuǎn)變換原理，提出一種基于環(huán)形的圖像分割方法，即，用一系列圓環(huán)對圖像進行分割。運用該方法提取得到的圖像局部內(nèi)容具有旋轉(zhuǎn)不變性。發(fā)現(xiàn)并從理論上證明，圖像旋轉(zhuǎn)前后圓環(huán)內(nèi)的像素幾乎保持不變的性質(zhì)，為研究基于圓環(huán)分割的抗旋轉(zhuǎn)哈希算法提供理論支撐。
　　2.提出基于多直方圖的圖像哈希算法
　　該算法利用環(huán)形分割方法將圖像分割成多個圓環(huán)，接著提

4、取每個圓環(huán)的直方圖作為圖像特征，最后通過離散小波變換壓縮直方圖生成較短的哈希。由于旋轉(zhuǎn)前后圓環(huán)內(nèi)的像素幾乎保持不變，因此提取的圓環(huán)直方圖不受旋轉(zhuǎn)影響，從而使圖像哈希能抵抗任意角度旋轉(zhuǎn)并具有較好的唯一性。
　　3.提出基于顏色向量角和Canny算子的圖像哈希算法
　　圖像邊緣是人類視覺系統(tǒng)區(qū)分不同圖像的重要視覺特征，且正常數(shù)字處理不會顯著改變圖像邊緣。利用圖像邊緣的這一特性，提出聯(lián)合使用顏色向量角、Canny算子、圓形分割技術(shù)

5、來提取圖像哈希。具體而言，先利用Canny算子檢測圖像的穩(wěn)健邊緣，再計算圖像顏色向量角，接著選取一系列圓，用圓上的邊緣點的顏色向量角的方差組成哈希值。該算法利用圓形對旋轉(zhuǎn)具有不變性的特點實現(xiàn)抗旋轉(zhuǎn)變換。
　　4.基于Fan-beam變換的魯棒圖像哈希算法
　　Fan-beam變換是Radon變換的一種衍生變換，繼承了Radon變換的幾何不變性并且運行速度比Radon變換更快。該算法先用雙三次插值法和顏色空間轉(zhuǎn)換將輸入圖像轉(zhuǎn)換

6、成規(guī)范化圖像，接著對規(guī)范化圖像的亮度分量進行Fan-beam變換，將圖像空域旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成Fan-beam變換域的平移，然后計算投影結(jié)果的離散傅里葉變換以消除平移影響，最終提取傅里葉系數(shù)幅值的方差構(gòu)造圖像哈希。該算法的旋轉(zhuǎn)魯棒性由Fan-beam變換的內(nèi)在幾何不變性保證。
　　用大量測試圖像對上述三種圖像哈希算法進行魯棒性和唯一性實驗驗證，結(jié)果表明這三種算法對JPEG壓縮、亮度調(diào)整、對比度調(diào)整、伽瑪校正、縮放和旋轉(zhuǎn)變換等正常處理穩(wěn)健，