A Set Theoretic Framework for Watermarking and Its Application to Semifragile Tamper Detection

We introduce a set theoretic framework for watermarking. Multiple requirements, such as watermark embedding strength, imperceptibility, robustness to benign signal processing, and fragility under malicious attacks are described as constraint sets and a watermarked image is determined as a feasible solution satisfying these constraints. We illustrate that several constraints can be formulated as convex sets and develop a watermarking algorithm based on the method of projections onto convex sets. The framework allows flexible incorporation of different constraints, including embedding strength requirements for multiple watermarks that share the same spatial context and different imperceptibility requirements based on frequency-weighted error and local texture perceptual models. We illustrate the effectiveness of the framework by designing a hierarchical semifragile watermark that is tolerant to mild compression, allows tamper localization, and is fragile under aggressive compression. Using a quad-tree representation, a spatial resolution hierarchy is established on the image and a watermark is embedded corresponding to each node of the hierarchy. The spatial hierarchy of watermarks provides a graceful tradeoff between robustness and localization under mild JPEG compression, where watermarks at coarser levels demonstrate progressively higher immunity to JPEG compression. Under aggressive compression, watermarks at all hierarchy levels vanish, indicating a lack of trust in the image data. The constraints implicitly partition watermark power in the resolution hierarchy as well as among image regions based on robustness and invisibility requirements. Experimental results illustrate the flexibility and effectiveness of the method     

A robust confirmable watermarking algorithm for 3D mesh based on manifold harmonics analysis

Owing to the manifold harmonics analysis, a?robust non-blind spectral watermarking algorithm for a?two-manifold mesh is presented, which can be confirmed by a?trusted third party. Derived from the Laplace–Beltrami operator, a?set of orthogonal manifold harmonics basis functions is first adopted to span the spectral space of the underlying three-dimensional (3D) mesh. The minimal number of the basis functions required in the proposed algorithm is also determined, which can effectively accelerate the spectrum computations. Then, to assert ownership and resist 3D mesh forging, a?digital signature algorithm is adopted to sign the watermark in the embedding phase and to verify the signature in the extraction phase, which could optimize the robust non-blind spectral watermarking algorithm framework. To improve the robustness of the embedded watermark signature, the input 3D mesh will be segmented into patches. The watermark signature bits are embedded into the low-frequency spectral coefficients of all patches repeatedly and extracted with regard to the corresponding variations of their coefficients. Extensive experimental results demonstrate the efficiency, invisibility, and robustness of the proposed algorithm. Compared with existing watermarking algorithms, our algorithm exhibits better visual quality and is more robust to resist various geometric and connectivity attacks.     

可逆文本水印算法研究

提出一种可逆文本水印算法.该算法对文本特征进行分析,以确定待嵌入文本句子集,根据文本句子的奇偶性,利用同义词替换评价模型将水印不可感知地嵌入到原始文本中,通过调整算法参数,满足不同的鲁棒性和不可见性需求.仿真实验结果表明,该算法具有较好的不可见性,并能在提取水印后无损地恢复原始文本载体数据.     

基于视觉特性的半脆弱水印算法

为准确识别数字媒体的版权,更好地提高半脆弱水印的透明性和鲁棒性,提出离散小波变换域中基于人眼视觉特性模型的特征参数及其表示方法,给出适用于一般变换域参数调整的量化中心极限定理,使得在动态量化过程中嵌入的半脆弱水印能够达到最大的鲁棒性。实验表明,算法生成的载体图像透明性好,对常见的JPEG压缩、噪声迭加和平滑滤波等图像处理操作具有较好的鲁棒性,可嵌入的水印信息量大,并能准确确定恶意攻击的位置。     

一种基于量化和关系嵌入的双重水印算法

以自适应量化和多次关系嵌入为基础,提出了小波域的双重水印嵌入算法。该算法采用约瑟夫置乱和帐篷加密预处理水印;利用人类视觉系统(HVS)的特性确定量化间隔;采用投票表决的方法增强嵌入水印的鲁棒性;考虑了舍入误差对算法的影响,对待检测栽体进行了补偿。仿真结果表明,该算法不仅具有很好的不可见性,而且对JPEG压缩、色深变换、挤压等水印攻击具有较强的鲁棒性。     

基于随机分布圆形模板的抗屏摄盲水印算法

针对现有的抗屏摄水印算法不能兼顾鲁棒性、不可见性和水印容量等问题,提出一种基于随机分布圆形模板的抗屏摄鲁棒盲水印算法。首先将十六进制水印序列转换为固定的角度值,再根据随机线条分布算法生成一系列带有角度信息的圆形模板,将原宿主图像蓝色分量进行整数小波变换并取出低频子带（LL）,对LL分块并用密钥选出若干水印嵌入块,最后将圆形模板嵌入被选出的块中。另外,为了提高水印容量,选择十六进制水印密码以代替二维码或条形码;为了提高水印不可见性,将水印模板嵌入整数小波变换的低频子带;为了平衡水印透明性和鲁棒性,利用粒子群寻优算法（PSO）自适应地得出最佳嵌入强度;为了解决拍摄后造成的图像畸变,在水印提取前对拍摄的图像进行几何校正。在数据集USC-SIPI上选取了测试图,进行了常规攻击与屏摄攻击实验,并与该领域主流的六种方法进行了比较。实验结果表明,在保证不可见性的前提下,该算法能抵抗各种常规类型攻击。在一定范围的拍摄距离和拍摄角度内,算法能有效提取出水印密码,并提高了水印容量,在抗屏摄方面具有良好的鲁棒性。     

A blind watermarking algorithm for 3D mesh models based on vertex curvature

We propose a robust blind watermarking algorithm for three-dimensional （3D） mesh models based on vertex cur-vature to maintain good robustness and improve visual masking in 3D mesh models. In the embedding process, by using the local window of vertex, the root mean square curvature is calculated for every vertex of the 3D mesh model and an ordered set of fluctuation values is obtained. According to the ordered fluctuation values, the vertices are separated into bins. In each bin the fluctuation values are normalized. Finally, the mean of the root mean square curvature fluctuation values of the vertices in each bin is modulated to embed watermark information. In watermark detection, the algorithm uses a blind watermark extraction technique to extract the watermark information. The experimental results show that the algorithm has a very good performance for visual masking of the embedded model and that it can resist a variety of common attacks such as vertex rearrangement, rotation, trans-lating, uniform scaling, noise, smoothing, quantization, and simplification.     

改进的多载波码分多址系统多址干扰抑制算法

为了抑制多载波码分多址（MC-CDMA）系统中的多址干扰,提出了一种基于自适应并行次梯度投影的多址干扰抑制算法。它首先根据接收端信号模型建立包含最优干扰抑制滤波器系数并具有随机属性的凸集,然后运用并行次梯度投影的思想将对该凸集的投影转化为对多个闭合半平面的投影,最后将更新后的干扰抑制滤波器系数矢量投影到限定集合上。理论分析和仿真结果表明,该算法具有快速收敛性和稳定的干扰抑制性能,在不同的噪声强度下都具有较低的误码率和较高的鲁棒性。     

基于SIFT抗几何攻击的数字水印算法

针对数字水印信息易遭几何攻击的问题以及水印算法的不可见性与鲁棒性的平衡性问题,提出一种基于尺度不变特征变换(SIFT)的图像局部特征点的数字水印算法。首先利用SIFT算法在原始图像中寻找局部特征点,再以局部特征点确定多个满足一定条件的圆形局部特征区域(LFA),经LFA正规化后将水印嵌入到LFA的离散余弦变换(DCT)域的中频系数中。其中,考虑到水印信息对图像质量的影响,嵌入强度根据Watson人类视觉模型进行动态调整。实验结果表明,该算法得出的峰值信噪比(PSNR)和水印相似度数值较高,说明该算法不仅保证了较好的水印不可见性,并且在一定的几何攻击下表现出较强的鲁棒性。     

Blind robust watermarking schemes for copyright protection of 3D mesh objects

In this paper, two novel methods suitable for blind 3D mesh object watermarking applications are proposed. The first method is robust against 3D rotation, translation, and uniform scaling. The second one is robust against both geometric and mesh simplification attacks. A pseudorandom watermarking signal is cast in the 3D mesh object by deforming its vertices geometrically, without altering the vertex topology. Prior to watermark embedding and detection, the object is rotated and translated so that its center of mass and its principal component coincide with the origin and the z-axis of the Cartesian coordinate system. This geometrical transformation ensures watermark robustness to translation and rotation. Robustness to uniform scaling is achieved by restricting the vertex deformations to occur only along the r coordinate of the corresponding (r, /spl theta/, /spl phi/) spherical coordinate system. In the first method, a set of vertices that correspond to specific angles /spl theta/ is used for watermark embedding. In the second method, the samples of the watermark sequence are embedded in a set of vertices that correspond to a range of angles in the /spl theta/ domain in order to achieve robustness against mesh simplifications. Experimental results indicate the ability of the proposed method to deal with the aforementioned attacks.     

基于遗传算法的图像数字水印

为了提高图像数字水印算法的实用性、顽健性及不可感知性,提出了一种改进的应用遗传算法的水印嵌入和提取方法。通过在DCT变换域中修改AC系数嵌入水印,可以提高嵌入速度,避免水印信息的损失;采用改进的遗传算法选择AC系数,同时优化嵌入水印后图像质量和顽健性这两个矛盾的因素。仿真结果表明,算法具有良好的抗攻击能力和不可感知性,节省约1/3的时间,提高了程序运行效率。     

图像块的自适应均衡水印算法

目的 针对水印算法通常利用实验确定强度参数,实验工作量大并且具有随机性,得到的参数无法较好地均衡水印不可见性和鲁棒性,提出一种基于图像块的自适应均衡水印算法。方法 利用尺度不变特征变换（SIFT）提取原始图像中鲁棒性强的特征点作为水印嵌入区域,将提取的嵌入区域分成4个大小相等且互不重叠的图像块,并对各图像块进行奇异值分解（SVD）,得到与各块相应的奇异值矩阵,各块与水印做一级离散小波变换后产生的各子带相叠加,生成嵌入加密水印块,重组得到水印矩阵,降维后将特征点还原到原始图像。根据果蝇优化算法（FOA）中适应度函数迭代确定加密水印强度参数,构造水印图像的自适应嵌入,来均衡水印的不可见性和鲁棒性,水印检测可直接作用在受攻击后的图像上,无需校正恢复。结果 对标准灰度图像进行多组实验,得到含水印图像峰值信噪比均达到43dB以上;对水印载体图像分别进行噪声、压缩、剪切、旋转仿真攻击实验,提取水印图像与原始水印图像的归一化相关系数都达到0.94以上。结论 SIFT算法实现图像块局部嵌入,提取特征点稳定性强,结合SVD算法使水印嵌入性能良好,利用FOA算法自适应确定最优参数,使水印图像嵌入效果达到最佳状态,最终均衡了水印的不可见性和鲁棒性。     

数字水印嵌入强度最优化分析

数字水印技术是一种保护版权的重要技术.水印系统里,最重要的两个关键因素就是水印嵌入后,载体图像的抗攻击性(鲁棒性)和不可见性.如何在水印嵌入过程中,使得这样一对矛盾达到统一,嵌入强度α起着较为关键的作用.α过大会影响水印的不可见性;α过小,水印的抗攻击性减弱,从而失去嵌入水印的本意.该文提出一种基于载体图像和水印信息本身特点的求解α的算法,该算法详细分析了图像特点与鲁棒性、不可见性之间的关系.通过分析图像和含水印图像的相似度以及峰值信噪比,计算出α的解.实验证明,通过此方法求得的α能够更好地适应原始图像,使得水印图像的鲁棒性和不可见性达到最佳折中.     

基于分块DCT的自适应视频水印算法

在以往的离散余弦变换(DCT)水印嵌入算法中,选择直流系数嵌入能增加稳定性,但也会导致水印的不可见性较差。本文在DCT直流系数嵌入法的基础上进行改进,结合人类视觉系统模型(HVS),优先选择纹理强度大的DCT分块并自适应控制嵌入强度,能较好兼顾稳定性和不可见性。改进后的算法与改进前算法相比,数字水印的安全性、鲁棒性、嵌入量、不可见性、稳定性等各方面都有较大提高。     

基于整数DCT变换的新水印算法

鲁棒性及掩蔽性是衡量数字水印算法性能的重要指标。为了用较低算法复杂度使数字水印具有较好的鲁棒性与掩蔽性,提出了一种基于整数DCT变换的新的鲁棒水印算法。该算法利用DCT变换的整数特点,首先对频域嵌入系数进行定量分析,找出适合嵌入的系数与嵌入阈值的大小关系,接着提取每个图像块的DC系数组成一幅新图,选择新图中具有复杂纹理的图像块再次进行整数DCT变换,最后将水印信号嵌入到这些图像块域的系数中。仿真实验结果表明,新算法既保证了水印的掩蔽性,又同时具有很好的鲁棒性,对JPEG压缩、噪声、滤波等攻击都具有很好的免疫能力,即使是在马赛克攻击下也能提取出水印图像。     

基于几何特征的3维网格模型零水印算法

由于3维网格模型对水印嵌入强度高度敏感,为避免外观视觉效果严重失真,如今多数水印算法只能采用低强度的嵌入策略,从而导致其鲁棒性能下降。为了解决水印鲁棒性和透明性之间的矛盾问题,提出了一种不对网格模型数据进行任何改动的零水印算法。该方法首先对网格模型的几何数据进行校准预处理,然后对网格按顶点包围盒进行分割来提取几何数据空域特征,进而再应用3维DCT变换在变换域中进一步集中能量,其水印由若干DCT大值系数构造生成,并在IPR数据库注册获得版权保护,该水印的检测过程无需原始网格模型数据的参与。实验结果表明,该算法构造的水印不仅能抵抗顶点重排序、平移、旋转、各向一致缩放等攻击,而且对加噪、网格简化、网格滤波和二次水印等也表现出一定的鲁棒性。     

一种DCT变换域的鲁棒数字水印

提出一种以二值图像为水印的离散余弦变换(DCT)域数字水印算法,对水印图像进行Arnold置乱,用置乱次数作为提取时的密钥,将置乱后的水印图像和载体图像分别进行分块DCT。为了使嵌入的水印具有较强的鲁棒性,把水印的每个子块同时嵌入到多个载体图像的子块中,按照奇数块和偶数块分别将水印嵌入到直流分量和交流分量的中频系数中,实现水印的完全嵌入。实验结果证明,该算法具有良好的鲁棒性和不可见性,能够抵抗有损压缩、剪切、随机涂改和白噪声等攻击。     

图像块的不可见性与鲁棒性均衡水印算法

目的 为协调水印算法不可见性与鲁棒性之间的矛盾,提高水印算法抵抗几何攻击的能力,提出一种图像块的不可见性与鲁棒性均衡水印算法。方法 将宿主图像分成互不重叠的图像块,利用人类视觉系统的掩蔽特性对每个图像块的纹理特征和边缘特征进行分析,选择掩蔽性好的图像块作为嵌入子块。对嵌入子块作2级离散小波变换,将其低频子带进行奇异值分解,通过修改U矩阵第1列元素间的大小关系嵌入Arnold置乱后的水印信息。在水印提取前,对几何失真含水印图像利用图像尺度不变特征变换（SIFT）特征点的坐标关系和尺度特征进行几何校正,恢复水印的同步性。结果 对标准灰度图像进行实验,含水印图像的峰值信噪比都可以达到44 dB以上。对含水印图像进行常规攻击和几何攻击,提取出的水印图像与原始水印图像的归一化互相关系数大部分都能达到0.99以上,说明该算法不仅具有良好的不可见性,对常见攻击和几何攻击都具有较强的鲁棒性。结论 选择掩蔽性好的图像块作为水印嵌入位置能够充分保证水印算法的不可见性,特别是水印提取前利用SIFT特征点具有旋转、缩放和平移不变性对几何失真含水印图像实现有效校正,提高了含水印图像抵抗几何攻击的能力,较好地协调水印算法不可见性与鲁棒性之间的矛盾。     

双重视图下的3维网格模型可见水印

目的 为保护3维模型数据的版权,提出一种在3维视图下和线框视图下都可察觉的3维网格可见水印,并针对三角形网格建立了相应的可见水印算法。方法 该算法首先将待嵌入区域投影到2维平面上,再将矢量形式的水印信息嵌入其中,最后将该区域投影到原模型上。算法的核心过程是将三角形划分成在水印信息内和在水印信息外的两部分。文中借鉴了Sutherland-Hodgeman多边形裁剪算法,将其应用于水印嵌入的过程。结果 为验证算法的可行性,使用3个3维模型数据进行了实验,实验结果表明该算法较好地保持了原模型的外观,且嵌入的水印信息在两种视图下清晰可见,嵌入水印后的数据增加量约为10%。结论 本文算法可有效地嵌入水印信息,达到保护3维模型数据版权的目的。     

基于能量估计的灰度水印系统分析

针对一类灰度水印系统设计理论存在的不足,给出指导该类灰度水印算法设计的一系列理论结果,包括嵌入强度、鲁棒性、不可见性三者之间定量关系的建立,提出水印算法不可见性和鲁棒性的折中方案,采用已有的算法对理论结果进行验证,结果表明,得出的理论结果对该类水印算法的设计具有较大的指导意义。