题目：鲁棒图像水印的抗Oracle攻击安全性研究

数字多媒体作品具有获取容易、复制方便和传播迅速的特点，极大地方便了人们的工作和生活，同时也引发了大量的非法行为如版权侵犯、信息篡改等，严重损害了创作者和合法用户的权益。在常见的数字多媒体类型中，图像具有表达信息量大、数据规模小、使用广泛的特点，导致针对图像的非法行为最为猖獗，因此对保护图像版权、图像真实性、图像完整性的需要也最为迫切。鲁棒图像水印技术是一种能够解决上述问题的有效方法，也是当前信息技术领域的研究热点。鲁棒性和安全性是图像水印机制的两种关键性能。与针对鲁棒性的攻击相比，针对水印安全性的攻击有着更大的威胁，其中Oracle攻击能够威胁到目前所有的图像水印机制，严重地制约了图像水印技术在公开场合的应用。研究并解决鲁棒图像水印的抗Oracle攻击安全性问题，具有重要的理论价值和应用意义。合理地评价目标水印机制的安全性，是解决鲁棒图像水印的抗Oracle攻击安全性问题的关键。论文对鲁棒图像水印建立了计算模型，该模型将水印嵌入、水印检测以及水印攻击等操作限定为多项式时间算法，对攻击者尤其是Oracle攻击者的计算资源进行了合理的限制。在此基础上，论文提出了鲁棒图像水印的安全性评价体系，该评价体系对各种针对图像水印安全性的攻击进行了分类和定义，并从语义安全的角度刻画了图像水印的抗Oracle攻击安全性，解决了基于信息论的水印安全性评价方法无法有效地描述抗Oracle攻击安全性的问题，因此能够对安全图像水印机制的设计提供有效的指导。论文分析了已提出的Oracle攻击的对策，并分别构造了多项式时间攻击算法，能够有效地攻破相应的水印机制，以此证明了现有对策普遍地不具备良好的抗Oracle攻击安全性。现有对策主要包括随机水印检测边界、分形水印检测边界等非参数化水印检测边界方法，以及拼合型水印检测边界方法。对非参数化水印检测边界方法，论文分析了攻击的发起点对敏感度攻击的影响，发现水印检测值较高的发起点可以有效地改进水印信号估计的准确性，消除了水印检测边界的非参数化的影响；对拼合型水印检测边界方法，论文分析了其安全性设计原理，有针对性地改进了原敏感度攻击方法，可以由水印检测边界的多个梯度向量准确地估计出水印信号，并攻破相应的水印机制。鉴于鲁棒图像水印机制以及具体应用需求的多样性，抗Oracle攻击的解决方案应具有良好的通用性。在图像保真性判定的基础上，本论文提出了一种鲁棒图像水印的安全性增强框架，其中将绝大部分水印检测边界替换成含水印图像的保真边界，因此将安全性增强后的水印机制的抗Oracle攻击安全性归约到原水印机制的鲁棒性，并且在安全性评价体系中证明，在理想的图像保真性判定计算的基础上，可以由一般的鲁棒图像水印机制构造出可抗Oracle攻击的鲁棒图像水印机制。由于图像水印的鲁棒性问题有着系统而成熟的研究成果，因此增强后的图像水印机制具有良好的抗Oracle攻击安全性。这种安全性增强方法能够广泛地用于各种鲁棒图像水印机制，有效地降低了安全水印应用系统的研究和开发成本，而且很好地保持了原水印机制的鲁棒性。对图像保真性判定中存在的计算误差，本论文分析了其可能导致的安全性隐患，并针对现有的部分参考型、无参考型图像质量评价技术分别提出了相应的攻击方法，并指出无法由现有的图像质量评价技术构造出可抗Oracle攻击的盲图像水印机制。为解决盲图像水印机制的抗Oracle攻击问题，本论文在鲁棒图像哈希技术的基础上，提出了可抗Oracle攻击的检测型鲁棒图像水印机制的设计方法，其中在鲁棒图像哈希的计算域中嵌入水印信号，并且将哈希长度设定为较大的数值，保证了鲁棒图像哈希在敏感度攻击下的安全性。水印的检测过程通过判别输入图像的保真性和被嵌入信息的误码率来完成。论文结合纠错码方法改进了水印的鲁棒性和容错能力，并在此基础上提出了提取型图像水印机制的设计方法，在抗Oracle攻击的前提下将水印信道容量由单比特扩充至多比特。在抗Oracle攻击的提取型图像水印机制中，水印嵌入过程使用纠错编码对输入信息进行预处理后再行嵌入，而水印提取过程则使用纠错解码对提取信息进行再处理后再行输出。理论分析表明，在合理的系统参数设定下，基于鲁棒图像哈希的安全水印机制具有良好的鲁棒性和抗Oracle攻击安全性。为了验证、比较论文所提出的安全性增强方法和安全水印机制设计方法，本论文基于图像质量评价指标SSIM对Cox图像水印机制进行了安全性增强，并且在Fridrich哈希算法的基础上构造了一种新的盲提取型图像水印机制。在安全图像水印机制的具体实现技术中，针对扩频水印机制中存在的像素亮度越界现象，论文提出了含水印图像的像素亮度的自适应调整策略，有效地降低了水印漏检率，增强了图像水印的鲁棒性；针对水印嵌入位置的随机选取问题，论文提出了一种新的随机位置选取算法，可以近似均匀地选择可嵌入水印的位置，有效地防止了攻击者对嵌入位置的成功猜测，改进了图像水印的安全性。分析和实验表明，本论文所提出的方法能够很好地解决鲁棒图像水印的抗Oracle攻击安全性问题。