基于信息隐藏的数字内容安全算法研究

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在互联网时代,信息隐藏技术在确保数字内容安全方面发挥了重要的作用。数字水印技术及隐写术是其最为主要的两大分支,前者致力于多媒体数字内容的版权保护及完整性认证而后者致力于数字内容的保密通信。针对数字水印技术,本论文紧紧围绕鲁棒性水印及脆弱性水印这两个方面展开研究,分别为网络中的数字图像与数字视频的版权保护及完整性认证提供解决方案;而在隐写术方面,通过对基于隐写术的秘密图像共享技术进行研究,解决数字内容在存放及传输上的一体化安全性问题。本论文的主要贡献如下:  1)在利用鲁棒性数字水印技术实现数字内容版权保护方面,现有的基于矩阵分解设计的鲁棒性水印算法在鲁棒性及透明性方面性能有待提高。基于此,本工作分别提出了一种基于QR分解和一种基于SVD分解的鲁棒性水印算法,这两个算法分别为数字图像及视频的版权保护提供了有效的解决方案。前者利用QR分解找到一稳定性特征量作为水印嵌入特征量确保了算法的鲁棒性,后者通过设计一种基于直线斜率的嵌入算法和采用一种时间同步方法增强了算法抵抗全局攻击和时间同步攻击的能力。此外,两种算法均通过采用一种嵌入位置选择方法增强了算法的透明性。实验结果表明,相比较相应的参考文献来说,两种算法在透明性方面可以分别实现最低约6dB和1 dB的性能提高,而在鲁棒性方面也都有一定程度的增强。  2)在利用脆弱性水印算法实现数字内容完整性认证方面,针对在H.264比特流域设计脆弱性水印算法来实现H.264压缩视频完整性认证时出现的重建视频质量差及现有的基于预测差值扩展的可逆水印技术在实现高敏感图像认证时引入的平移失真大等问题,本工作分别提出了两种基于H.264比特流运动矢量的脆弱性视频水印算法和两种基于预测差值扩展的可逆水印算法,为H.264压缩视频和高敏感图像的完整性认证提供有效的解决方案。前者通过解决误差累积现象和合理的选择嵌入位置,提出的两种算法在重建视频质量方面与参考文献相比可以分别取得高达大约4dB和9dB的性能提高;后者通过引入一种嵌入位置选择机制来减少平移失真及压缩后溢出位置集长度并采用一种自适应预测方法来提高预测精度,提出的两种算法与相应的参考文献相比可以取得比较好的嵌入水印后图像质量,尤其当水印嵌入率比较低时,两种算法的性能优势更为明显。  3)针对数字内容在存放上的安全性问题,本工作对隐写术在秘密图像共享领域进行了研究。提出了一种高质量的基于隐写术的可逆秘密图像共享算法,并在此基础上给出了一种可逆秘密图像共享无损认证算法。两种算法为数字内容在存放及传输上的一体化安全管理提供了有效的解决方法。与现有的一些算法相比,前者通过利用现有的一种高性能隐写算法并加以改进来设计算法,使得提出算法在含密图像质量方面可以带来最低约2.65 dB的性能提高,在保证秘密图像安全存放的同时提高了其在网络传输的安全性。另外,后者所给出的无损认证方法在取得较好认证能力的同时,可以无损的恢复载体图像内容,且不需要使用额外的通道来传递认证信息,具有较强的实用性。
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