随着计算机的迅速普及和互联网技术的飞速发展,信息技术的应用范围不断扩大,人们对信息的安全性要求越来越高,如何有效地进行数字化信息的安全传输与保存已变得极为迫切。而密码技术仅仅能在数据从发送到接收的传输过程中进行数据的加密保护,致使所有者无法对解密后的数据的进行监管和保护。数字水印技术作为密码技术的补充和发展,解决了密码技术在数据保护方面的不足,并已成为信息安全领域的一个研究热点,为数字化信息的安全通信、存储提供了一种新的思路和方法。可逆水印是数字水印中一个新的重要分支,指以一种可逆的方式在数字载体中嵌入水印的技术,在嵌入的水印和辅助数据被提取后,载体可以无损的还原。一个良好的可逆水印算法应具有高嵌入容量和好的水印图像质量,二者相互矛盾相互制约,如何在嵌入容量和水印图像质量上获得一个好的平衡是提高算法的关键。本文分析了现如今的可逆水印方法,以空域上的直方图平移技术和误差扩展技术为重点,研究了空域上可逆图像水印方法,主要研究内容与研究成果如下:(1)针对现有基于直方图平移的可逆水印方法没有考虑平移扭曲的不足,我们提出了一种新的基于非对称误差直方图平移的可逆水印框架,并以该框架为基础,提出了一种高效的可逆水印方法。该框架首先选择合适的预测算法作为图像像素预测的预测核,不同于传统算法为每个像素计算一个预测值的单预测机制做法,我们设计了一个多预测机制,利用上述被选择的预测核为每个待预测像素计算多个预测值。然后使用本文定义的非对称选择函数从上述多个预测误差中,非对称的选择出合适的一个误差值作为该像素的预测误差,从而创建出一个非对称的预测误差直方图。最后,根据对偶性原则,我们对图像分别使用被选择的非对称函数与其对偶函数,从而创建出偏斜方向相反的两个直方图,然后同时结合这两个平移方向相反的误差直方图分层嵌入水印,由于这两个直方图平移相反,使得部分在上层嵌入中修改的像素被补偿还原成了原始值,从而提高了水印图像质量。理论分析与实验结果表明,与同类算法相比,该算法提高了嵌入容量,减少了平移扭曲,从而提高了水印图像质量,这种提升效果在高嵌入率时尤其明显。(2)在证明非对称误差直方图减少平移扭曲的基础上,通过修改高预测精度预测算法——梯度自适应预测子(GAP),我们提出了一种基于有向预测机制的可逆水印算法。由于光滑区域预测精度高,复杂区域预测精度低,通常通过增加图像光滑区域的数据嵌入,减少复杂纹理区域的嵌入量,可以减少图像失真,提高水印图像质量。为此,基于GAP,我们首先增加了图像光滑区域的预测分类,从而计算出精度更高的预测值。其次我们设计了两个有向预测机制——RGAP和LGAP,这两个机制在复杂区域向直方图平移的反方向计算预测值,极大地减少了该区域被平移像素的数量,从而减少了嵌入单位水印时对图像的修改量,发展了水印图像质量。最后,为了获得最优的容量控制阈值和嵌入参数,我们设计了一个新的嵌入扭曲计算公式。实验结果表明,在预测结果上,有向预测机制极大地减少了平移扭曲并提高了预测精度;在嵌入过程上,新设计的扭曲公式能高效的找出最优的嵌入参数,并极大地提高嵌入效果,尤其是在低嵌入率下。(3)预测误差扩展是现如今可逆水印算法中被广泛研究的一类技术,这种技术可以为图像提供极高的嵌入容量,提高该类算法的关键在于如何减少为了获得额外空间而引入的扩展扭曲。在分析算法特点基础上,本文通过结合差值扩展和预测误差扩展算法,首先使用预测误差对代替图像像素对,然后使用预测误差对差值代替像素对差值,提出了一种预测误差对扩展的可逆水印算法。与传统差值扩展和预测误差扩展方法相比,该方法主要有两个优势:1)由于引入预测机制,更多高精度的预测算法可以应用于其中,从而解决了差值扩展中仅仅只能使用最近邻预测机制预测精度低下的困扰,减少了变换的扩展扭曲;2)由于图像像素的相关性,在绝大数情况下,图像中相邻误差对同号的概率远大于异号的概率,致使部分误差被抵消,进一步减少了扩展扭曲。理论分析与实验结果表明,该水印算法提高了嵌入容量,并获得了较高的水印图像质量。(4)根据使用预测误差对扩展嵌入可逆水印的思想,通过同时利用预测误差扩展(PEE)和误差对扩展的优势,我们设计了一种结合误差扩展和预测对扩展的自适应可逆水印方法。该方法首先将误差对扩展的整数变换从每像素对嵌入1比特扩展到嵌入多比特数据,从而设计了一个多比特误差对扩展变换(MEPE),然后我们设计了一个自适应混合嵌入策略,该方法在小幅值误差中使用PEE提高嵌入容量,在中等幅值误差对中使用MEPE减少扭曲。此外,为了利用像素对冗余性强的优势,我们提出了一种新的误差对预测算法,该算法包含四类方向不同的预测子,分别是0度、45度、90度和135度预测子。在该机制中,PEE和MEPE分别使用了不同的预测模型,前者结合概率预测模型,从而获得高精度的预测值;后者结合有向预测机制,非对称的计算预测值,从而减少误差对内两个误差值的差值,以便增加误差对同号的数量,同时减小变换的被扩展部分,最终减少了扩展扭曲。理论分析与实验结果表明,算法克服了差值扩展算法水印图像质量低的缺陷,继承了预测误差扩展嵌入容量高的优势。本文将为空域上可逆水印算法的研究提供新的视野和新的思路,研究成果可较容易推广到其它数字载体(如音频、视频)中,为对内容敏感的数字载体中的水印嵌入提供技术保障,可以广泛应用于版权保护等信息安全领域。