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系統識別號 U0002-2306200614050000
中文論文名稱 多目的半色調影像浮水印技術之研究
英文論文名稱 A study of multi-purpose halftone image watermarking
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 葉冠廷
研究生英文姓名 Kuan-Ting Yeh
電子信箱 693350034@s93.tku.edu.tw
學號 693350034
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-16
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-謝景棠
委員-陳稔
委員-謝君偉
委員-呂俊賢
委員-郭景明
中文關鍵字 半色調影像  Zernike動量  點陣調色法 
英文關鍵字 Halftone Image  Zernike Moment  Ordered Dithering 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 在許多印刷出版的應用方面,我們會希望在半色調的影像中嵌入某些資料來達到版權的控制或是認證的目的,不管如何,在半色調影像浮水印的技術中,抵抗幾何攻擊仍然是主要的問題。

在本篇論文中,提出一個多目的彩色半色調與半色調數位影像浮水印利用Dithering的技術基於小波轉換與Zernike Moment;對於彩色影像,將彩色影像分解成RGB 三層,利用彩色模型的特性,我們選擇G層來嵌入我們的強健性浮水印,B層用來嵌入我們的易碎浮水印,使用兩個產生不同紋理的臨界值矩陣來作為嵌入強健性浮水印的依據,而使用兩個產生類似紋理的臨界值矩陣來作為嵌入易碎浮水印的依據,Zernike Moment用來偵測嵌入浮水印後的影像所旋轉的角度或縮放的倍率;實驗的結果證明了使用Dithering的技術讓彩色半色調影像能有不錯的影像品質,強健性浮水印能夠抵抗各種的攻擊,像是剪裁、塗鴉、旋轉、縮放等,而易碎浮水印能夠顯示出被剪裁或塗鴉過的區域。

對於灰階影像,將灰階影像轉成半色調影像的過程中利用兩個產生不同紋理臨界值矩陣嵌入我們的強健性浮水印,再利用兩個與原本臨界值矩陣相近的臨界值矩陣來作為影像是否被攻擊過的依據,強健性浮水印能夠抵抗各種的攻擊,像是剪裁、塗鴉、旋轉、縮放等,更可以抵抗Print & Scan 的攻擊,其Correct DR值仍可超過0.75,而易碎浮水印不需再對影像做任何的修改,不但可以保有原本影像的品質,亦能夠顯示出被剪裁或塗鴉過的區域。

利用Zernike Moment來偵測影像旋轉的角度與縮放的倍率,必須要求影像的完整性,一但影像受到破壞再旋轉或是旋轉之後受到破壞,Zernike Moment則無法計算出影像旋轉的角度,無法抵抗雙重攻擊。因此,本文提出以影像的中心為圓心,以固定的半徑往外延伸,計算每一個甜甜圈的Zernike Moment值;再利用排序法,選出間距較小的角度,則可計算出影像所旋轉的角度,即使旋轉後某些部分受到破壞或受到破壞後再旋轉,仍可利用沒有遭受破壞的Zernike Moment值,來求得影像旋轉的角度,進而抵抗雙重攻擊。
英文摘要 In many printer and publishing applications, it is desirable to embed data in halftone images for copyright control and authentication purposes. However, the robustness of the geometrical attacks in halftone watermarking is still a key problem.

In this paper, we proposed a multipurpose color halftone and halftone watermarking using embedding watermark into the pixel with complicated texture by wavelet transform based on the dithering technique in the halftone processing. For the color image. According to properties of the color model [R,G,B], we chosen the G level for embedded our robust watermark and B level for embedded our semi-fragile watermark. The Zernike moment is adopted to detect rotation and scale of the watermarked image. Experimental results show that watermarked image with good visual quality and the robust watermark is robust to the malicious attacks such as compress, corrupting, cropping, rotating, and scaling. The semi-fragile watermark can detect the regions where attacked by corrupted and cropped.

For gray-level image, the robust watermark is embedded by using two dither cells which produced different patterns during the halftone processing. We can find out the attacked regions of the image by using two new dither cells which are similar to the original dither cells. Robust watermark is robust to the malicious attacks such as corrupting, cropping, rotating, and scaling. The Correct DR value can close to 0.75 after the attack of print&scan. The semi-fragile watermark can detect the attacked regions and doesn’t need to modify the image. The advantage is to maintain the quality of the halftone image.
論文目次 第一章 序論…………………………………………………1
1.1 研究目的.………………………………………………1
1.2 研究動機.………………………………………………6
1.3 論文架構.………………………………………………9
第二章 相關背景知識.……………………………………10
2.1 小波轉換………………………………………………10
2.1.1 二維小波分解………………………………………10
2.2 Zernike Moment………………………………………13
2.2.1 Zernike動量.………………………………………13
2.2.2 Zernike動量的旋轉不變性.………………………14
2.2.3 Zernike動量的大小不變性.………………………15
2.2.4 Zernike動量的位移不變性.………………………17
2.3 半色調技術……………………………………………18
2.3.1 數位半色調…………………………………………18
2.3.2 點陣調色法…………………………………………19
2.3.3 誤差擴散法…………………………………………26
第三章 Donut Masks Zernike Moment.…………………29
3.1 DMAD旋轉角度偵測法…………………………………30
3.2 DMSD縮放倍率偵測法…………………………………38
第四章 多目的浮水印系統之設計.………………………44
4.1 多目的彩色半色調影像浮水印………………………47
4.1.1 嵌入系統架構………………………………………47
4.1.2 擷取系統架構………………………………………55
4.1.3 解碼說明……………………………………………57
4.2 多目的半色調影像浮水印……………………………58
4.2.1 嵌入系統架構………………………………………59
4.2.2 強健性浮水印擷取系統架構………………………63
4.2.3 易碎浮水印擷取系統架構…………………………66
第五章 系統評估.…………………………………………68
5.1 Modified Zernike Moment參數評估.………………71
5.2 MZM偵測.………………………………………………73
5.2.1 彩色半色調影像之MZMDA偵測.……………………74
5.2.2 半色調影像之MZMDA偵測.…………………………77
5.2.3 彩色半色調影像之MZMDS偵測.……………………80
5.2.4 半色調影像之MZMDS偵測.…………………………83
5.3浮水印攻擊項目評估.…………………………………86
5.3.1 彩色半色調影像……………………………………86
5.3.2 半色調影像…………………………………………91
5.4 臨界值矩陣評估………………………………………99
第六章 結論與未來研究方向……………………………100
第七章 參考文獻…………………………………………103

圖目錄
圖2.1 二維分頻分解架構…………………………………11
圖2.2 金字塔架構三層小波………………………………12
圖2.3 Lena影像經過一階小波分解的結果………………12
圖2.4 經量化之點陣調色法流程圖………………………21
圖2.5 集中式點陣法-經量化
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像…………………22
圖2.6 分散式點陣法-經量化
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像…………………23
圖2.7 未量化之點陣調色法流程圖…………………………………23
圖2.8 集中式點陣法-未量化
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像………………24
圖2.9 分散式點陣法-未量化
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像…………………24
圖2.10 誤差擴散法之流程圖 ………………………………………27
圖2.11 使用Floyd-Steinberg誤差擴散濾鏡
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像…………………28
圖2.12 使用Jarvis誤差擴散濾鏡
(a)512x512 Lena 影像 (b)256x256 Lena影像………………28
圖3.1傳統式ZM流程圖………………………………………………29
圖3.2 DMAD旋轉角度偵測流程圖………………………………30
圖3.3不同外徑的甜甜圈影像………………………………………31
圖3.4 1.5%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°……………………33
圖3.5 3.8%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°……………………33
圖3.6 10%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°……………………33
圖3.7 20%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°……………………33
圖3.8 DMSD縮放倍率偵測流程圖…………………………………38
圖3.9 10%剪裁+縮放
(a) 0.75 (b) 1(c) 1.5 (d) 2……………………………………41
圖3.10 20%剪裁+縮放
(a) 0.75 (b) 1(c) 1.5 (d) 2……………………………………41
圖4.1多目的彩色半色調影像浮水印嵌入程序系統架構流程圖……47
圖4.2 (a)彩色影像 (b) B層 (c) G層 (d) R層 …………………48
圖4.3高頻頻帶對應之黑白影像與Map S …………………………49
圖4.4利用不同臨界值矩(C0,C1)陣所產生之圖樣…………………51
圖4.5 (a) 解析度為512x512的G層影像
(b) 含強健性浮水印的G層半色調影像……………………51
圖4.6利用不同臨界值矩(C0,C1)陣所產生之圖樣………………52
圖4.7 (a) 解析度為512x512的B層影像
(b) 含易碎浮水印的B層半色調影像……………………53
圖4.8 (a) 解析度為512x512的R層影像
(b) R層之半色調影像…………………………………54
圖4.9 (a) 解析度為512x512的彩色影像
(b) 含多目的浮水印的彩色半色調影像………………54
圖4.10多目的彩色半色調影像浮水印擷取程序系統架構流程圖 …55
圖4.11解碼說明流程圖 ……………………………………………57
圖4.12多目的半色調影像浮水印嵌入程序系統架構流程圖 ………59
圖4.13利用不同臨界值矩陣(C0,C1)所產生之圖樣………………60
圖4.14 (a)灰階影像 (b)半色調影像…………………………62
圖4.15多目的半色調影像強健性浮水印擷取程序系統架構流程 …63
圖4.16多目的半色調影像易碎浮水印擷取程序系統架構流程……66
圖5.1 MPSNR 流程圖……………………………………………68
圖5.2 Gaussian low-pass filter 濾鏡……………………………69
圖5.3 彩色半色調影像品質評估流程圖……………………………69
圖5.4 XNOR真值表……………………………………………………70
圖5.5影像分成外徑不同的甜甜圈…………………………………73
圖5.6不同旋轉角度之彩色半色調影像..……………………………74
圖5.7 彩色半色調影像5%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………75
圖5.8 彩色半色調影像10%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………75
圖5.9 彩色半色調影像20%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………75
圖5.10彩色半色調影像於不同旋轉角度所測得之ZMA-i曲線圖……76
圖5.11彩色半色調影像旋轉0度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖.76
圖5.12彩色半色調影像旋轉10度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖.76
圖5.13彩色半色調影像旋轉20度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖.76
圖5.14彩色半色調影像旋轉30度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖.76
圖5.15彩色半色調影像旋轉40度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖.76
圖5.16不同旋轉角度之半色調影像…………………………………77
圖5.17半色調影像5%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………78
圖5.18半色調影像10%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………78
圖5.19半色調影像20%剪裁+旋轉
(a) 0°(b) 10°(c) 20°(d) 30°(e) 40°…………………78
圖5.20半色調影像於不同旋轉角度所測得之ZMA-i曲線圖…………79
圖5.21半色調影像旋轉0度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖……79
圖5.22半色調影像旋轉10度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖……79
圖5.23半色調影像旋轉20度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖……79
圖5.24半色調影像旋轉30度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖……79
圖5.25半色調影像旋轉40度在不同程度剪裁下之ZMA-i曲線圖……79
圖5.26彩色半色調影像倍率縮放 (a) 0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 …81
圖5.27彩色半色調影像10%剪纔+倍率縮放
(a) 0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 ……………………………81
圖5.28彩色半色調影像20%剪纔+倍率縮放
(a) 0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 ……………………………81
圖5.29彩色半色調影像縮放0.75倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………82
圖5.30彩色半色調影像縮放1倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………82
圖5.31彩色半色調影像縮放1.5倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………82
圖5.32彩色半色調影像縮放2倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………82
圖5.33半色調影像倍率縮放
(a)0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 ……………………………84
圖5.34半色調影像10%剪纔+倍率縮放
(b)0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 ……………………………84
圖5.35半色調影像20%剪纔+倍率縮放
(a) 0.75 (b) 1 (c) 1.5 (d) 2 ……………………………84
圖5.36半色調影像縮放0.75倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖…………………………85
圖5.37半色調影像縮放1倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………85
圖5.38半色調影像縮放1.5倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………85
圖5.39半色調影像縮放2倍
在不同程度剪裁下之ZMS-i曲線圖……………………………85
圖5.40 (a)多目的彩色半色調影像
(b)強健性浮水印 (c)易碎浮水印……………………………87
圖5.41各種攻擊之Lena影像 ……………………………………88
圖5.42到各式攻擊之後,擷取之強健性浮水印…………………89
圖5.43受到各式攻擊之後,擷取之易碎浮水印…………………89
圖5.44各種攻擊後所測得強健性與易碎性浮水印之NC值…………90
圖 5.45 (a)多目的半色調影像 (b)強健性浮水印I (c)強健性浮水印II(d)強健性浮水印III (e)易碎浮水印 …………………92
圖5.46各種攻擊之Lena影像 ……………………………………93
圖5.47受到各式攻擊之後,擷取之強健性浮水印I……………94
圖5.48受到各式攻擊之後,擷取之強健性浮水印II……………94
圖5.49受到各式攻擊之後,擷取之強健性浮水印III…………94
圖5.50受到各式攻擊之後,擷取之易碎浮水印…………………95
圖5.51各種攻擊後所測得強健浮水印I、II、III之NC值…………96
圖5.52各種攻擊後所測得易碎浮水印之NC值……………………96
圖5.53 (a)區塊填補攻擊I (b)強健性浮水印I (c)強健性浮水印II(d)強健性浮水印III (e)半易碎浮水印 ……………………97
圖5.54 (a)區塊填補攻擊II (b)強健性浮水印I (c)強健性浮水印II(d)強健性浮水印III (e)半易碎浮水印 …………………………97
圖5.55 (a)區塊填補攻擊III (b)強健性浮水印I (c)強健性浮水印II(d)強健性浮水印III (e)半易碎浮水印 …………………………97
圖5.56使用不同大小的臨界值矩陣產生半色調影像的MPSNR………99

表目錄
表2.1 經量化之臨界值矩陣
(a) 集中式矩陣 (b) 分散式矩陣……………………………21
表2.2 未量化之臨界值矩陣
(a) 集中式矩陣 (b) 分散式矩陣……………………………21
表2.3 (a) Floyd-Steinberg誤差擴散濾鏡
(b) Jarvis誤差擴散濾鏡 ……………………………………27
表3.1未經攻擊,利用MZMDA於不同角度測得之ZMA-i………34
表3.2 1.5%剪裁,利用MZMDA於不同角度測得之ZMA-i………34
表3.3 3.8%剪裁,利用MZMDA於不同角度測得之ZMA-i…………34
表3.4 10%剪裁,利用MZMDA於不同角度測得之ZMA-i……………35
表3.5 20%剪裁,利用MZMDA於不同角度測得之ZMA-i……………35
表3.6在1.5%剪裁於不同旋轉角度下,利用排序法求得之角度……35
表3.7在3.8%剪裁於不同旋轉角度下,利用排序法求得之角度……36
表3.8在10%剪裁於不同旋轉角度下,利用排序法求得之角度……36
表3.9在20%剪裁於不同旋轉角度下,利用排序法求得之角度……37
表3.10未經攻擊,利用MZMDS於不同縮放倍率測得之ZMS-i……40
表3.11 10%剪裁,利用MZMDS於不同縮放倍率測得之ZMS-i………42
表3.12 20%剪裁,利用MZMDS於不同縮放倍率測得之ZMS-i………42
表3.13在10%剪裁於不同縮放倍率下,利用排序法求得之倍率……42
表3.14在20%剪裁於不同縮放倍率下,利用排序法求得之倍率……43
表4.1產生不同紋理的兩個臨界值矩陣………………………………50
表4.2產生類似紋理的兩個臨界值矩陣………………………………52
表4.3產生不同紋理的兩個臨界值矩陣(C0,C1)……………………60
表4.4能夠與(C0,C1) 產生類似紋理的兩個臨界值矩陣(C00,C11)…61
表5.1不同容量於不同半色調影像之MPSNR ………………………70
表5.2不同容量於不同彩色半色調影像之MPSNR ……………………70
表5.3不同程度剪裁攻擊下旋轉30度所測得之MSE………………72
表5.4不同旋轉角度攻擊經過調整恢復半色調影像後所擷取出強健性浮水印與易碎浮水印的Correct DR值.………………………………98
表5.5 Print&Scan後強健性浮水印的平均Correct DR值…………98
表5.6 不同大小的臨界值矩陣所能嵌入的最大容量………………99


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