面向多媒体大数据的高性能图像数字水印理论与方法

The data security is becoming the first attentioned hotspot in the field of the big data, and the protecting copyright of multimedia big data is needed to resolve urgently. At present, the digital watermarking methods are most for still non-color images, which cannot meet the needs of the real-time feature of the security protecting for the multimedia big data. The redundancy feature of the multimedia big data is used to research the watermarking theories and methods with higher performance in the project, which includes the following contents: 1) Exploring the principle between the data relationship, the data segmentation and the base of the non-binary data, to propose the preprocessing, embedding and extraction of image watermarking based on multi-digital base for improving the real-time and security of watermarking method. 2) Amalgamating the advantageous features of the spatial-domain and the frequency-domain, to research the method of obtaining the special frequency coefficient in the spatial domain and to design the image watermarking method of multimedia big data based on the amalgamation domain with higher real-time feature. 3) Researching on the approximate solution of matrix decomposition to optimize the complementation of matrix decomposition and to propose the image watermarking method of multimedia big data with higher invisibilitiy and higher real-time feature . 4) Defining the geometric and algebra features of image edge and construct the extraction factor of the image edge, to design the image watermarking method of multimedia big data with higer real-time and stronger robustness. The project will supply the powerful support of image content security of the multimedia big data and has important value as the respects of theory and application.

数据安全正成为大数据领域被首要关注的热点，迫切需要解决多媒体大数据版权保护等问题。目前的数字水印方法多是针对静态、非彩色图像，难以满足多媒体大数据安全保护的实时性需要。本项目利用多媒体大数据高度冗余特性，研究高性能图像数字水印理论与方法，主要内容为：1）探索数据之间关系状态、量化分段数量与非二进制基数相一致的机理，提出多数字基表示的水印预处理等多环节优化，提高多媒体大数据中图像数字水印算法的实时性和安全性；2）结合空域、变换域水印方法各自优点，研究空域中获得变换域特殊系数的方法，设计基于融合域的高实时性图像数字水印算法；3）研究矩阵分解的近似求解方法，优化矩阵补偿，提出基于矩阵分解的高实时、高不可见性图像数字水印算法；4）定义图像边界像素的几何、代数特征，构造边缘提取算子，设计高实时、强鲁棒的图像数字水印算法。项目为多媒体大数据中图像的内容安全提供强有力支撑，具有重要的理论意义和应用价值。

数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，在多媒体信息安全领域具有举足轻重的地位。目前，虽然国内外学者对数字水印进行了大量而卓有成效的研究，但是支持多媒体大数据环境下的图像内容安全研究还处于起步阶段。. 自2017年以来，在国家自然科学基金委的大力支持下，本项目利用多媒体大数据高度冗余特性，积极推进高性能图像数字水印理论与方法的研究，主要研究内容为：（1）基于多环节优化的高实时性、高安全性水印方法研究；（2）基于矩阵分解的高实时性、高不可见性水印算法研究；（3）抗几何攻击的高实时性、强鲁棒性数字水印方法研究；（4）面向多媒体大数据的彩色图像数字水印评价体系与优化模型研究。. 在项目进行中，先后取得了如下的重要结果：（1）提出了基于QR分解和三进制编码的彩色数字图像盲水印方法，优化了数字水印的表示方法，提高水印算法的实时性和嵌入容量；（2）创新性地提出基于融合域的彩色图像盲水印方法，先后设计了基于近似Schur分解的空域彩色图像盲水印方法、融合离散小波变换的空域彩色数字图像盲水印方法,提高了水印算法的实时性和安全性；（3）创新性提出图像边缘矫正策略，研究了基于特征值分解、汉明码和图像矫正的彩色盲水印方法，提高了算法的实时性和鲁棒性；（4）结合水印不可见性度量指标PSNR的不足，提出基于改进结构相似度的度量方案，并应用到水印性能评价体系。. 本研究在国内外首次提出了融合域水印算法的新概念，先后发表学术论文28篇，申请国家发明专利23项，授权国家发明专利7项（完成转移转化6项）、软件著作权8项，获得科研奖励3项，培养研究生5名，项目的研究成果达到了计划书预期的目标。. 本项目立足多媒体大数据环境下出现的版权保护等新问题，确定了图像像素在不同工作域之间低时间复杂度转换的条件及其内在转换机理，突破了传统数字水印算法实时性差的瓶颈，对提高多媒体大数据环境下的图像版权保护具有重要的科学意义和现实意义。