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网络的普及和多媒体数字化的广泛应用给人们的工作生活带来极大的便利。但也使得多媒体信息的版权保护问题日益突出。数字水印通过把秘密信息永久性地隐藏在可公开的媒体信息里，达到证实该媒体信息的所有权归属和数据完整性或传递秘密信息的目的，从而为数字信息的安全问题提供一种新的解决方法。目前数字水印技术具有广阔的应用前景，但其在理论和方法上尚有很多问题有待解决，其中鲁棒性以及近来日益引起重视的安全性是数字水印研究中的关键问题。
本文的主要贡献是：
(一)采用马尔可夫模型(HMM)来精确描述图像小波系数的统计分布，建立了基于HMM的鲁棒图像水印系统的理论和方法。从数字通信的角度看：水印编码可理解为在一个宽带通道(这里假定为图像宿主信号)上用扩频技术传输一个窄带信号(水印)，而水印的检测相当于在强噪声背景下检测微弱信号。水印检测器的设计在很大程度上依赖于“信道”的模型，即图像变换域系数的统计模型。准确描述信道(图像)统计模型，对提高水印算法的鲁棒性能至关重要。因此我们采用小波域隐马尔可夫模型(DWT-HMM)来描述图像小波系数的分布，并根据Neyman-Pearson最优检测理论设计了最优检测器。在小波域HMM模型框架下，水印信号的载体为向量树，根据小波域向量树的特点，分析水印结构对鲁棒性的影响，设计了优化的嵌入策略。结合视觉掩盖特性，自适应调整水印嵌入强度，合理分配水印信号的能量，在满足不可见性的前提下，提高了水印系统地鲁棒性。分别实现了一比特和有意义水印的嵌入，在对抗一般信号处理方面的鲁棒性比传统的相关检测器有了显著的提高。 (二)分析了方向可调小波的特性并结合HMM设计了可抗旋转攻击的鲁棒和安全的图像水印算法。通常的数字小波分解对旋转十分敏感，旋转前后小波域的系数几乎完全不同，但用方向可调金字塔变换(SPT)可以弥补这个缺陷。SPT是一种线性多尺度、多方向的图像分解方法，图像通过具有不同方向性的滤波器核(Oriented Filter Kernel)得到不同的方向子带，从而获得对角度的分辨性。任意方向的滤波器核则可以由一组固定的基滤波器插值得到。根据这一特性，提出了可抗旋转攻击的鲁棒图像水印。在旋转参数的匹配过程中，采用模板的转动而不是图像的转动，并用由粗到精的同步方法来识别旋转参数，极大地提高了模板匹配的效率。利用向量HMM，提高了对抗一般信号处理的鲁棒性。水印信息可以嵌入在任意方向的系数上，可以由密钥来控制，增强了其安全性。实现一种在同一变换域内同时实现几何同步和水印鲁棒检测的低计算复杂度水印算法。
(三)针对扩频水印算法，我们用混合高斯模型来描述宿主信号和扩频向量的分布，用变分贝叶斯的方法估计扩频向量，实现了更为有效的安全攻击。安全性是当前水印研究领域日益引起重视的问题。密码分析中的Kerckhoff准则可以用来描述水印安全的概念一因水印算法是公开的，所以水印的安全性主要取决于水印系统的密钥。一旦获取了水印系统的隐密参数，就可造成水印系统的全局破坏(水印编码系统及参数已破译)。隐密参数在扩频水印算法中即扩频向量，我们采用了精确的统计模型一混合高斯模型(MOG)来描述实际的宿主信号以及扩频载波分布，并借助Variational Bayesian ICA方法来估计扩频向量，从而解决了Cayre研究中宿主信号服从高斯分布的假设与实际不符的情况，实现了更为有效的安全攻击。实验的结果显示了算法可以有效地估计扩频向量。