基于菲涅耳衍射的图像加密与数字水印研究
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目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................... 1
§1.1 光学信息隐藏的背景 ................................................................................... 1
§1.2 本项研究意义 ............................................................................................... 1
第二章 菲涅耳衍射场内的信息置乱性质及其技术应用 ....................................... 3
§2.1 菲涅耳衍射场的计算方法 ........................................................................... 3
§2.1.1 光波的线性传输特性 ......................................................................... 3
§2.1.2 菲涅耳波场的计算及计算机实现 ..................................................... 4
§2.2 含密信息的产生及其可逆过程 ................................................................... 7
§2.2.1 信息置乱与扩散的过程分析 ............................................................. 8
§2.2.2 图像的复原 ....................................................................................... 10
§2.3 解密信息的特征分析 ................................................................................. 11
§2.4 本章小结 ..................................................................................................... 12
第三章 数字水印的嵌前处理 ................................................................................. 13
§3.1 数字水印技术 ............................................................................................. 13
§3.1.1 数字水印的基本特征 ....................................................................... 14
§3.1.2 数字水印的分类及要求 ................................................................... 15
§3.2 数字水印的可应用领域 .............................................................................. 17
§3.3 光的衍射现象及其常规分类 ..................................................................... 18
§3.4 随机相位编码方式的光学加密系统 ......................................................... 19
§3.4.1 联合变换相关加密系统 ................................................................... 22
§3.4.2 分数傅里叶变换系统 ....................................................................... 22
§3.4.3 基于数字全息的随机相位加密系统 ............................................... 23
§3.5 项目组原创的双随机相位编码光学图像加密技术 ................................. 23
§3.6 本章小节 ..................................................................................................... 24
第四章 数字水印在菲涅耳场内嵌入光学图像的方法与实现 ............................. 25
§4.1 菲涅耳变换的图像嵌入技术 ..................................................................... 25
§4.1.1 菲涅耳变换 ....................................................................................... 25
§4.1.2 水印的嵌入和提取 ........................................................................... 26
§4.1.3 实验仿真 ........................................................................................... 27
§4.2 基于菲涅耳衍射的数字水印研究 ............................................................. 28
§4.2.1 算法的基本思想 ............................................................................... 28
§4.2.2 水印嵌入和提取算法 ........................................................................ 30
§4.2.3 实验仿真 ........................................................................................... 31
§4.3 数字水印质量测评 ..................................................................................... 33
§4.4 精细水印的显示 ......................................................................................... 36
§4.5 真实实验与模拟仿真的差别 ..................................................................... 37
§4.6 本章小结 ..................................................................................................... 38
第五章 嵌后光学图像中数字水印稳健性及光学原图像抗篡改性测评 ............. 39
§5.1 测评方法 ..................................................................................................... 39
§5.2 鲁棒性测评试验 ......................................................................................... 42
§5.2.1 加噪声情况下的测评 ........................................................................ 42
§5.2.2 图像滤波情况下的测评 ................................................................... 43
§5.2.3 JPEG 压缩情况下的测评 ................................................................. 44
§5.2.4 旋转情况下的测评 ........................................................................... 45
§5.2.5 插值缩放情况下的测评 ................................................................... 46
§5.2.6 剪切情况下的测评 ........................................................................... 47
§5.2.7 涂鸦情况下的测评 ........................................................................... 48
§5.2.8 直方图均衡情况下的测评 ............................................................... 48
§5.2.9 线性锐化滤波情况下的测评 ........................................................... 49
§5.3 光学原图像抗篡改性测评 ......................................................................... 49
§5.4 本章小结 ..................................................................................................... 50
第六章 结束语 ......................................................................................................... 51
§6.1 论文的主要工作总结 ................................................................................. 51
§6.2 展望 ............................................................................................................. 51
参考文献 ..................................................................................................................... 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 56
致 谢 ........................................................................................................................... 57
摘 要
光学技术在信息安全领域的应用研究得到重大发展，最引人注目的是近几年
来渐渐发展起来的双随机相位编码光学加密方案，它不仅加密效果好，而且实现
起来非常简单，具有很强的应用性以及广阔的发展前景。数字水印作为数据隐藏
的有效方法，是一种嵌入到图像、视频或者音频数据中的不可见标志，通过水印
信息的检测可以达到保护多媒体数据版权的目的。本文研究了基于菲涅耳衍射的
双随机相位加密，并将此技术与数字水印结合起来，实现加密隐藏的双重效果，
安全性提高。本文的主要工作如下：
一、对双随机相位加密过程进行了计算机模拟。介绍了菲涅耳衍射的数值计
算方法，利用近场的计算方法；在输入平面和菲涅耳衍射平面分别加入一块随机
相位模板，对光学图像置乱，达到了很好的置乱效果。除了两块随机相位模板，
单色平面波的波长
，
传播距离
1
z
，
2
z
，都可作为加密的密钥，安全性得到很大
提高。
二、基于光学菲涅耳衍射的置乱系统，设计了一种新的“盲数字水印”计算
方法。并通过计算机仿真对提取水印的质量进行了测评。
三、鲁棒性是衡量数字水印算法优劣的一个重要特性，本文对数字图像水印
的鲁棒性进行了较全面的分析，通过大量的仿真实验例子对水印可能受到的各种
攻击情况做了详细的说明，验证了此水印算法具有很强的鲁棒性。
关键词：菲涅耳衍射 双随机相位加密 数字水印 鲁棒性
ABSTRACT
Recently ，optical techniques have been proposed for security information
applications，the most attractive one is the so-called double random-phase encoding
encryption scheme. It is not only encrypted efficiently，but also realized simply. It
has wide application and prospect. Digital watermarking as an effective data hiding
method，is invisible mark embedded in digital image，video or audio documents，
by detecting the information of watermarking to protect copyright of multimedia data.
A security system based on double random-phase encoding in the Fresnel domain is
proposed. It is combined with digital watermarking. Encryption and hiding is
achieved，and security is strengthened.
(1) Double random phase encryption technique is simulated，The algorithm of
Fresnel diffraction is near-field diffraction arithmetic. Besides two phase codes，the
wavelength of monochrome plane wave，the distance of propagation are used as keys
to encrypt the original image. Therefore，the system is simplified and higher security
is achieved.
(2) A new blind digital watermarking algorithm based on optical Fresnel
diffraction is proposed. We also pay attention to image quality assessment. And
stimulate it by computer.
(3) Robustness is an important property that is used to evaluate the algorithm of
digital watermarking. So ，in this paper ，the robustness of digital image
watermarking is analyzed roundly. We stimulate almost all the possible attack ，
numerical simulations results show that the algorithm can resist against all the attack
we proposed.
Key Word: Fresnel diffraction ，Double random-phase
encoding ，Digital watermarking ，Robustness
第一章 绪论
1
第一章 绪论
近几年来，光学信息处理系统凭借其高速并行等独特优势，与信息隐藏的结
合成为一个崭新的交叉领域，引起了人们浓厚兴趣。
§1.1 光学信息隐藏的背景
信息安全领域的研究深刻影响着国家安全、经济发展和社会稳定，已受到世
界各国的普遍重视。信息隐藏是信息安全的核心技术之一，可以追溯至古代的隐
写术，但它作为新兴的学科从 1996 年[1] 前后才逐渐获得迅速发展。信息隐藏的
一般过程，都利用了载体信息的冗余，通过隐藏算法和密钥作用，将秘密信息嵌
入原始载体，最终变换成用以传输的隐秘信息。由于原始载体信息和隐秘信息的
统计特性基本一致，即满足不可感知性原则，因而隐蔽于原始载体中的秘密信息，
传输时不为攻击者所注意，充分降低了被获取甚或破坏的风险，其安全性得以确
保[2,3]信息隐藏应用非常广泛，在数字作品版权保护和个人隐私等方面均发挥着主
要作用。
在现代信息隐藏体制中，原始载体、隐藏机制是多种多样的。光学、声学、
电子学、化学和生物学等理论与技术的引入不仅显示出信息安全领域的独特魅力，
而且充分展示了各学科的自身优势。光学作为其中重要的一支，在二十多年前就
运用彩虹全息、莫尔条纹、光可变器件(Optical Variable Device)等技术以防止对机
密文档和认证信息的非法复制[4] ，并在防伪领域中得到应用。正如 Renesse 在
2002 年光学安全和防伪技术国际会议上指出[5] ，这些不含密钥的隐藏技术在安全
性方面已显露出弊端。近年来，光学在信息安全和图像加密领域取得的一系列研
究进展[6-11] ，更加呈现出光学系统的高并行性、高处理速度与维度、便捷实现多
种变换和特殊运算等优点，从而促使光学和信息隐藏的结合倍受瞩目。光学信息
隐藏的研究就在一个崭新的高度上得到发展。现代光学信息隐藏通常借助密钥作
用，对秘密图像进行光学变换或处理，在空域内实施嵌入载体图像的操作完成隐
藏。所运用的主要技术手段是随机相位编码加密技术。
§1.2 本项研究意义
数字水印作为数据隐藏的有效方法，是一种嵌入到图像、视频或者音频数据
中的不可见标志，通过水印信息的检测可以达到保护多媒体数据版权的目的。99
年日本的 Seok Kang 与Yoshinao Aoki 提出基于菲涅耳变换的图像嵌入方法
基于菲涅耳衍射的图像加密与数字水印研究
2
[12-15]，水印模型嵌入比较灵活，通过利用菲涅耳变化的变换参数可得到不同的变
换平面，从而弥补了如 DFT 和DCT 变换只有一个变换平面的缺点。但它也存在
着一旦水印被检测出来，隐藏的信息就彻底暴露，水印完全失去了存在的意义。
自从 Rosen 和Javidi 于2001 年借助基本的光学变换实现了半色调图像的信息
隐藏[16]以来，光学信息隐藏的研究就在一个崭新的高度上得到发展。现代光学信
息隐藏通常借助密钥作用，对秘密图像进行光学变换或处理，在空域内实施嵌入
载体图像的操作完成隐藏。虚拟光学(Virtual Optics)，实际是指遵从衍射光学原理
的信息编码与解码的全过程都由计算来模拟完成而不涉及任何实际光学仪器设
备。计算机就是虚拟光学的数字环境，且其整体实现严格按照光学的相关原理，
故也称其为数字光学(Digital Optics)。在虚拟光学观念上，彭翔等研究者提出了一
些二维图像加密和水印技术相关的具体方法，并用数字信号处理(Digital Signal
Process ，DSP) 芯片作了相关的硬件实现[17,18]。概括来讲，该方法有几个较突出
的优点，一是由于数字方法的灵活性，可以自由地选取空间位置、波长、随机相
位板分布等系统参量，从而大幅度地提高了隐藏系统的不可感知性和安全性；二
是规避了光电器件的使用，减少了系统复杂性，具有紧致、低损耗等优点；三是
数字方法可以方便地扩展到多种形式信息如音频、视频信号等的隐藏中去。但是
水印中图像是复矩阵，因而只能对复矩阵进行操作才能从中提取水印。从文献[17,18]
中可以看出此算法可以抵抗JEPG压缩，噪声及剪切具有一定的鲁帮性，但文章并
没有提出滤波等其他形式的攻击。
从信息安全的保密角度而言，如果隐藏的信息被破坏掉，而系统可以视为是
安全的，因为秘密信息并未泄漏；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失，
即意味着版权信息的丢失，从而也就失去了版权保护的功能，也就是说，这一系
统是失败的。由此可见，数字水印技术必须具有较强的稳健性、安全性和透明性。
本文提出一种新的基于菲涅耳衍射的图像加密与数字水印算法，在菲涅耳域中对
图像进行双随机相位加密，除了两块随机相位模板，单色平面波的波长
，
传播距
离
1
z
，
2
z
，都可作为加密的密钥，安全性得到很大提高。且编码后得到的水印，
将其实部嵌入到载体图像中，使得整个算法简单容易实现。属于盲数字水印算法，
水印检测过程中不需要原始数据,且该算法具有很强的鲁棒性。因此可以对数字媒
体版权进行很好的保护。
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
