時間：2023-02-11 12:20:22
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇數字水印技術，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：數字水印；隱蔽性；魯棒性
中圖分類號：TP391.41
文獻標識碼：A
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引言
隨著計算機多媒體技術及網絡技術的迅速發展，文字、圖形圖像、音視頻等信息可以通過數字媒體廣泛地傳播。數字化技術精確、廉價、大規模的復制功能和Internet的全球傳播能力給人們帶來信息共享的同時也帶來了許多負面的影響。由于對數字信息的復制非常容易，而且所得復制品和原件幾乎完全相同，因此有惡意的個人或團體有可能在沒有得到作品所有者許可的情況下復制、修改、傳播有版權的內容，甚至非法用作商業用途，嚴重侵犯了作者及版權所有者的利益。為了有效地解決信息安全和版權保護等問題，近年來出現了加解密、數字簽名、數字指紋、數字水印等多種技術。其中數字水印是20世紀90年代出現的一門嶄新的技術。它通過在數字產品中嵌入水印信息來確定數字產品的所有權或檢驗數字內容的原始性，它彌補了加解密技術不能對解密后的數據提供進一步保護的不足，彌補了數字簽名不能在原始數據中一次性嵌入大量信息的弱點，彌補了數字指紋僅能給出版權破壞者信息的局限。
2 數字水印的概念和基本原理
2.1數字水印定義
數字水印(Digital Watermark)技術是用信號處理的方法在數字化的多媒體數據中嵌入隱蔽的標記，但不會影響原內容的價值和使用，它不能被人的知覺系統覺察或注意到，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列號、公司標志、有特殊意義的文本等，可用來識別文件、圖像或音樂制品的來源、版本、原作者、擁有者、發行人、合法使用人對數字產品的擁有權。與加密技術不同。數字水印技術并不能阻止盜版活動的發生，但它可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛并為法庭提供證據。作為數字水印技術應當滿足下面幾個方面的要求：
’a.隱蔽性：數字水印應該是不易被察覺的，而且應不影響被保護數據的正常使用；
b.安全性：加入水印和檢測水印的方法對沒有授權的第三方是保密的而且不可輕易被破解，即使被黑客檢測到了也不能讀出(數字水印需要加密)；
c.魯棒性：當被保護的信息經過某種改動后，比如在傳輸、壓縮、濾波，圖像的幾何變換如平移、伸縮、旋轉、剪裁等處理下，數字水印不容易被破壞。
2.2數字水印技術的基本原理
一般數字水印的通用模型包括嵌入和檢測、提取兩個階段。數字水印的生成階段，嵌入算法的嵌入方案的目標是使數字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折中。檢測階段主要是設計一個相應于嵌入過程的檢測算法。檢測的結果或是原水印(如字符串或圖標等)，或是基于統計原理的檢驗結果以判斷水印存在與否。檢測方案的目標是使錯判與漏判的概率盡量小。為了給攻擊者增加去除水印的不可預測的難度，目前大多數水印制作方案都采用密碼學中的加密體系來加強，在水印的嵌入，提取時采用一種密鑰，甚至幾種密鑰的聯合使用。水印的嵌入和提取方法如圖1、圖2所示：
3 數字水印的分類
數字水印技術可以從不同的角度進行劃分。
3.1按特性劃分
按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。魯棒數字水印主要用于在數字作品中標識著作權信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經受各種常用的編輯處理；脆弱數字水印主要用于完整性保護，它必須對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。
3.2按水印所附載的媒體劃分
按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。
3.3按檢測過程劃分
按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。
3.4按內容劃分
按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。
3.5按用途劃分
按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。
3.6按水印隱藏的位置劃分
按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(空)域數字水印、頻域數字水印、時／頻域數字水印和時間／尺度域數字水印。
4 數字水印的應用
4.1
數字作品的知識產權保護
數字作品的所有者用密鑰產生一個水印，并將其嵌入原始數據中，然后公開他的水印版本作品。當該作品被盜版或出現版權糾紛時，所有者可利用從盜版作品或水印作品中獲取水印信號作為依據，從而保護所有者的權益。
4.2商務交易中的票據防偽
隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。此外在電子商務中會出現大量過渡性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網絡安全技術成熟以后，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。
4.3篡改提示
當數字作品被用于法庭、醫學、新聞及商業時，常常需要確定他們的內容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實現該目的，通常將原始圖像分成多個獨立塊，每個塊加入不同的水印。同時可通過檢測每個數據塊中的水印信號，來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數據。
4.4訪問控制
在多媒體發行體系中，人們希望有一種拷貝保護機制，即它不允許未授權的媒體拷貝。在封閉或私有系統中，可用水印來說明數據的拷貝狀況。一個典型的例子是DVD防拷貝系統。將水印信息加入DVD數據中，這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數據中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護制造商的商業利益。
4.5信息隱藏
數字水印可用于作品的標識、注釋、檢索信息等內容隱藏，無需額外帶寬且不易丟失。此外，數字水印還可用于隱蔽通信，這在國防和情報部門將得到廣泛應用。
5 數字水印技術研究展望
數字水印技術有著廣泛的研究前景和巨大的商業潛能。但作為一種新興的技術，它還面臨著許多尚未解決的難題。從目前的技術和應用分析，數字水印技術未來的研究方向體現在以下兩個方面。
第一，不斷完善水印技術理論框架。數字水印技術要得到廣泛應用必須建立一系列標準或協議，完善水印評價的理論體系，制定水印的測試和評價標準，設計一個能對各種不同水印算法進行公正比較評價的水印評價系統。
第二，水印算法研究。通過現有數字水印算法的研究，結合數字信號處理技術，尋找它們的關系，設計出更好的算法。
參考文獻
[1]石培新，王穎.數字水印技術及其應用與發展[J].微型機與應用，2004(6)
【關鍵詞】DCT；數字水印
1.DCT變換原理
離散余弦變換簡稱DCT，是一種實數域變換，其變換核為實數的余弦函數，計算速度較快，而且對于具有一階馬爾柯夫過程的隨機信號，DCT十分接近于Karhunen-Loeve變換，因此它是一種近似最佳變換，很適合于圖像壓縮和隨機信號處理[1]。
一維離散余弦變換（DCT）及其反變換公式定義如下：
2.DCT變換域系數選擇
在基于變換域的水印系統中，水印嵌入位置的選擇很重要，可以直接影響到水印系統的成功與否。目前版權保護是數字水印技術的重點應用領域，其特點是要求水印在日常環境或某些特定條件下是不可見的，而且把版權信息嵌入到普通圖像后，嵌入的水印信息能承受對宿主圖像進行的常規處理，且處理后的圖像中仍然保存有可用的版權信息。由于對圖像的常規處理主要影響圖像高頻信息部分，因此，要達到這一目標，在DCT變換域，應該選擇DCT域中的低頻系數，同時要排除DC分量[2]。
在日常生活與工作中，常規的圖像處理軟件處主要是對圖像進行幾何變換以及對圖像銳度、色度的處理。這些處理主要對圖像頻譜中高頻成分影響較大[3]。通過對圖像進行DCT變換后的結果分析可知，變換后的低頻系數一般遠大于高頻系數，且低頻系數到高頻系數的衰減很快。這表明圖像本身的信息量基本位于低頻區域。如果把水印信息嵌入到高頻系數中，對宿主圖像進行處理時，很容易把高頻分量刪掉，因此會造成水印信息的丟失，這對水印的保護不利。另一方面，由于圖像的低頻系數攜帶圖像本身較多的信號能量，即使對圖像進行常規處理后，仍能保留低頻分量的主要成分，因此，如果把水印信息嵌入到宿主圖像的低頻分量，將使得水印信息不易受到攻擊者的破快，將能好的保護水印信息。
結合人眼感知特點來分析，由于人眼對圖像的灰度等低頻信息較為敏感，因此，如果在圖像的低頻分量嵌入的水印信息過大時，將不能保證水印的不可見性。一般的解決方法是利用人眼的視覺特征，盡可能選擇對低頻系數改變不大、信息量小的水印信號[4]。通過擴頻通信技術分析。如果將水印信息視為某信道中傳輸的信號，則圖像低頻系數可以視作為一個通信信道，對嵌入水印后的圖像進行的攻擊可以視為信號中的噪聲。在實際的通信中，為了使得通信中的某個窄帶信號能量不被察覺，通常采取的方法是把這個窄帶信號通過一個較大的寬帶信號進行傳輸，因此，把水印信息嵌入到圖像的低頻分量是合理的。但值得注意的是，由于DC分量所攜帶的信號能量遠遠大于其他的低頻系數，因此水印算法中對低頻分量的選擇應該排除DC分量。
3.DCT變換域的數字水印嵌入方法
從本文前述所知，水印信息應該加在DCT變換的低頻系數中。因此DCT變換域的數字水印嵌入算法首先需要從DCT變換結果中抽取若干個DCT低頻系數，把水印信息嵌入到這些低頻系數中，然后將嵌入了水印信息的低頻系數重新插入到圖像的頻譜中，并對其進行IDCT反變換，得到嵌入水印后的圖像。數字水印嵌入過程如圖1所示。
在圖1所示水印嵌入過程中，假設I宿主圖像，D為存放DCT變換后生成的系數文件，D1為存放在D中加入水印后新系數的文件，I1為經過IDCT變換后得到嵌入水印后的圖像。則水印嵌入過程描述如下：
（1）對宿主圖像I進行DCT變換，將變換后所得的頻譜系數保存到文件D。
（2）將文件D中DCT系數進行降序排序，然后抽取前N個最大值（除DC分量外），形成矢量T={t1，t2，…，tn}。
（3）將水印信號X={x1，x2，…，xn}依次加入T={t1，t2，…，tn}中，得到新的矢量T1={t11，t21，…，tn1}，如果需要，還可以對X={x1，x2，…，xn}加密后再進行處理。
（4）將T1={t11，t21，…，tn1}放回到原始文件D中矢量T所在的位置，得到加入水印后DCT系數，并且把這些系數存放到文件D1中。
（5）將D1進行IDCT反變換，生成加入水印后的圖像I1。
4.DCT變換域的數字水印提取方法
水印的提取過程與水印的嵌入是互逆的。在水印的提取過程中，假設原始圖像為I，加入水印后的圖像為I1。水印提取的步驟可描述如下：
將加入水印后的圖像I1分別進行全圖的DCT變換，從DCT變換后的系數中抽取前N個最大值（排除DC分量），計算出水印信號X={x1，x2，…，xn}。在實際應用中，由于嵌入水印后的圖像在傳輸的過程可能被攻擊者惡意攻擊，導致待檢測圖像和原始水印圖像不同，所以實際提取的水印與原水印存在一定的差別。實際應用中還需要進行相關性判斷。
圖2為水印提取過程。水印的檢測/提取過程為：對所須檢測的圖像進行水印的提取，其過程為水印嵌入的逆過程，將提取的水印與根據密鑰生成的原始水印進行比較檢測，確定水印是否存在。
5.實驗與分析
實驗過程在VC++環境中完成。使用如圖3中（a）圖為原始圖像，其規格為256×256的24位彩色圖像，水印圖像如圖3中（b）圖所示，其規格為64×64的8位灰度圖像。圖4中（a）圖為直接嵌入水印后的圖像，對比圖3中（a）圖可以看出嵌入水印后的圖像與原圖幾乎沒有區別，圖4中（b）圖為提取出的水印圖像，對比圖3中（b）圖，提取出的水印效果較好，由此可見DCT變換域的數字水印技術具有較好的實用性。
參考文獻
[1]陽鑫.基于DCT變換的數字水印研究及其MATLAB實現[J].信息技術，2010，11：129-131.
[2]黃松，楊華千，張偉等.一種新的基于DCT的自適應數字水印算法[J].計算機科學，2006，33（6）：148-160.
[3]王洪秀，王冰.基于圖像紋理復雜度的數字水印算法[J].計算機工程，2011，37（17）：102-104.
【關鍵詞】三維模型；數字水??；版權保護
數字水印技術為我們提供了一種對3D模型和其他CAD產品進行保護的有效途徑，使得可以在3D多邊形網格數據中嵌入數字水印，對3D模型和其他CAD產品進行有效的保護。三維模型數字水印技術是數字水印技術的一個分支，其原理是在三維模型中嵌入不可見的水印來保護模型的所有權，或用于檢驗模型的真實性，或嵌入可見信息來申明模型所有權。
一、三維物體的建模與數據表示方法
三維建模就是利用三維數據將現實中的三維物體進行重建，最終實現在計算機上模擬出真實的三維物體。而三維數據就是指用各種三維數據采集設備獲得的數據，它包括幾何坐標、顏色、紋理、材質、光源等基本信息。三維建模的應用十分廣泛，它在建筑、可視化系統、三維游戲、虛擬現實等領域都有重要作用。要建立三維模型，首先要獲取三維數據。通常采集三維數據的方法大致有：直接測量、雷達和激光測高儀方法、接觸式機械測量、體數據恢復、域掃描等等。三維建模的關鍵問題是使用三維數據進行繪制，使其在視覺上具有真實感；并且要較好地組織數據格式，減少存儲空間并且是硬件易于實現。人們常用的幾種建模方法為：多邊形建模，NURBs建模與細分曲面技術。
二、三維幾何模型水印系統及特性要求
三維模型水印算法和圖像水印算法相比，既有相似點，也有不同之處。由于三維模型數據很不規則，在嵌入水印的過程中缺乏進行頻域分解的某種自然的參數化方法。三維模型中的點、線、面、等幾何信息和頂點法向量、紋理坐標、顏色屬性等外觀屬性的排列具有不同的方式，沒有固定的排列標準。三維幾何模型的這些特點都使得傳統的圖像水印算法不能簡單地照搬在三維兒何模型的研究中。另外，圖像嵌入水印可以看作在強背景（原始圖像）下疊加一個弱信號（水印）。只要疊加信號的幅度不超過HVS的門限，人類就無法感覺到信號的存在。此模型對于三維水印也同樣適用，但對三維數據，沒有圖像中那樣成熟的HVS模型。在水印的檢測過程中，嵌入水印信息的三維模型可能經過了簡單的幾何操作或者經受了其他的水印攻擊，這樣可能帶來了三維網格的拓撲關系變化，為此在提取水印信息之前我們必須對嵌入水印模型進行變換，以便能夠正確的提取出水印信息。然而，不論是變換不變量還是幾何校準，同步問題都使三維水印系統更加復雜。
此外，容量、魯棒性和計算復雜度都是在三維水印算法設計中要特別考慮的問題。
三、三維模型水印算法的特點和難點
與圖像水印算法相比，三維模型的研究目前還有限，由于三維模型數據自身的特點，使得傳統的圖像水印算法不能簡單照般地應用于三維幾何模型，具體說來三維模型水印存在以下一些難點。
1.三維網格模型具有不規則性和無序性。由于三維幾何模型數據具有不規則性，所以在水印嵌入過程中，缺乏進行頻率分解的某種自然的參數化方法，需要尋找適當的能夠反映三維模型數據特征的參數用于各種變換域水印算法。
2.三維網格模型的攻擊處理操作種類繁多、千差萬別。對模型操作的工具很多，用戶很容易就可以對模型進行幾何或拓撲操作。模型的變換操作會對模型上點的坐標進行修改，為正確提取水印信息，我們需要將變換后的模型恢復到原始模型所在的坐標系中，稱之為網格對齊。一旦模型經歷了如網格簡化等改變模型拓撲信息的操作的話，我們在提取水印前，還需要對待檢測的模型按照原始模型進行重新采樣的工作，該步驟稱之為網格重采樣。網格對齊和網格重采樣是三維網格數字水印的難點所在。
3.有更加豐富的攻擊手段。和圖像水印相比，三維模型受到的攻擊要比對圖像的攻擊方法復雜的多。
4.表示方法不唯一。三維網格模型在多種格式間進行轉換時，信息損失較大，這進一步增加了三維模型數字水印的困難。另外，與圖像相比，三維模型的數據沒有固定數值范圍。對于圖像，R、G、B分量的數字通常取[0，255]，而對三維模型，則沒有這樣的一個范圍，因此在嵌入水印時強度系數的選擇、閡值的確定更加困難。
5.沒有明確的采樣率的概念。三維表面模型中的數據，不具有像圖像、音頻、視頻那樣的方便的數學工具（如余弦變換、Fourier變換、小波變換等）可以使用。
所以在設計三維幾何模型的數字水印算法時要考慮這個三維幾何模型本身的特點、可能受到的攻擊以及如何減少這些攻擊對水印信息的影響等多方面的因素。
三維模型水印作為水印領域的一個新興的研究方向，國內外學者圍繞著3D模型數字水印對其做了許多探索性研究，他們的工作為從事CAD開發和研究的學者提供了許多新思路，開拓了新的研究領域，但分析表明還有許多未完成的工作，還存在一些問題。
一是目前提出的三維網格模型數字水印的嵌入算法，大部分存在著計算量大，嵌入與提取速度慢等缺點。同時，算法很少借鑒已有的音頻、圖像水印的研究思路和方法，尤其是變換域內的方法。
二是雖然非盲水印算法幾近成熟，但是它們在當今的網絡安全性條件下己經沒有太大意義。而盲水印嵌入算法還很不成熟，由于3D網格的特殊性，盲水印嵌入算法很難做到對于所有攻擊均具有高魯棒性，因此離實際應用還要有很長的路要走。
三是隨著3D網格壓縮技術的不斷發展，越來越多的3D網格以壓縮的形式存儲和傳輸。傳統的空域與頻域水印算法雖然對于壓縮攻擊具有一定的魯棒性，但仍不能避免造成水印信息的損失。因此壓縮域水印嵌入算法十分重要，然而它的發展還有待研究。
參考文獻：
[1]Wat，A 《3D Computer Graphies》，2009年第3版。
[2]黃繼武 譚鐵牛 《圖像隱形水印綜述》 《自動化學報》2010年第26期。
[3]史烈 葉綠 黃向軍等 《一種魯棒的三維運動盲水印檢測算法》 《浙江大學學報（工學版）》2011年第39期。
摘要：隨著多媒體技術和網絡技術的飛速發展和廣泛應用，對圖像、音頻、視頻等多媒體內容的保護成為迫切需要的問題。數字水印技術作為版權保護和安全認證的有力工具，已得到了廣泛的關注和發展。本文簡要介紹了數字水印技術的原理，并基于該技術提出在WWW上的應用的版權認證方案。
關鍵詞：數字水印 多媒體信息安全 版權保護 認證
1．引言
隨著信息技術和計算機網絡的飛速發展，數字式多媒體信息（圖象、文本、音頻、視頻）的存儲、復制與傳播變得非常方便。人們不但可以通過互聯網絡和CD-ROM方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數據完全相同的復制品。但是由此引發的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題。據美國唱片行業協會（RIAA）估計，全世界每年因盜版而造成的經濟損失高達50億美元。美國電影行業協會（MPAA）則估計，盜版使美國電影業的年收入減少了25億美元。因此，對多媒體內容的版權保護已成為亟待解決的問題。
目前的版權保護系統廣泛采用對網絡資源的訪問控制機制，它通過本地網或廣域網控制某些IP地址或終端的連接，限制某些用戶的訪問權限，從而有效地防止非法用戶對計算機系統的訪問。但是如果用戶以合法賬號得到多媒體信息，再對數據進行非法復制和傳播，則安全訪問控制機制就無能為力了。
傳統的加密方法對多媒體內容的保護和完整性認證也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，一旦被解密，則信息就完全變成明文；另外，密碼學中的完整性認證是通過數字簽名方式實現的，它并不是直接嵌到多媒體信息之中，因此無法察覺信息在經過加密系統之后的再次傳播與內容的改變。這樣，數字水印技術作為加密技術的補充，在多媒體信息的版權保護與完整性認證方面得到了迅猛的發展。
2．數字水印技術的基本原理
關鍵詞：mat lab；數字水印技術；圖像；版權保護
中圖分類號：TP309.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599（2013）01-0090-02
數字水印技術作為一種信息隱藏技術，能在實現與數字簽名相同作用的同時，保護媒體內容的真實性與完整性，在現階段的版權保護工作過程中得到了較為廣泛的應用。對于部分電子檔案而言，是以圖像的媒體形式顯示與存儲的。而隨著影響網絡安全因素的不斷增加，為電子檔案的安全造成了嚴重威脅。合理利用matlab數字水印技術能保護版權信息，提高電子檔案的安全性。同時，利用matlab數字水印技術將版權信息嵌入圖片內，能使媒體內容在出現版權爭議時，提取出嵌在圖片中的版權信息來解決爭議，從而實現電子檔案的版權保護。在此，筆者就mat lab數字水印技術實現圖像版權保護問題進行以下探討：
1 matlab數字水印技術簡介
Matlab是Math Works公司推出的一款高性能的數據計算與可視化軟件，具有數據分析、矩陣計算、信號處理以及圖形顯示等功能，營造出了一種操作方便、界面友好的用戶環境，該軟件目前在國內有著非常廣泛的應用。同時，用MatIab來研究數字水印技術，更能豐富數字水印技術的功能，并且集成了豐富的工具。對于基于matlab的數字水印技術而言，具有以下基本特征：
1.1 不可見性
matlab數字水印技術能將一些具有辨別作用的信息嵌入文檔、圖象等多媒體數據中，在涉及到版權爭議使，能將辨別信息提取出來，起到保護版權的作用。但對于所嵌入的辨別信息而言，是人們用肉眼所無法辨別的，即嵌入水印的圖象與原始圖象所帶給人們的感覺是一樣的。
1.2 魯棒性
對一個含有水印的圖象進行壓縮、低通濾波、剪切等處理后，仍然能提取出圖象中的水印。顯然，這兩種特點是一對互相矛盾的因素。但對于一個有效的水印算法而言，必須應考慮到這兩種特征。
1.3 復雜性
matlab數字水印技術涉及到通信理論、編碼理論、擴頻技術、圖象處理以及信號處理等技術，并且橫跨密碼學、計算機科學、通信等多種門類的學科，這兩種因素的存在導致了matlab數字水印技術研究的難度與復雜性大大增加。
2 matlab數字水印技術在知識產權保護中的應用
2.1 確定媒體信息的歸屬權
電子圖片、圖像、視頻、三維動畫等媒體的保護工作是現階段matlab數字水印技術應用最為廣泛的一個方向。同時，水印又可分成主動式與被動式兩種。對于被動式的水印而言，是借助數據隱藏原理在數字產品中嵌入版權標識，在媒體信息的傳播過程中，人們可以提取水印來確定信息的所有權，并對媒體信息傳播進行跟蹤。同時，在任意情況下能將對可疑的、存在爭議的媒體信息進行測試，以確定該媒體信息的歸屬權。
對于主動式的版權保護水印而言，多用于防止媒體信息的非法復制與下載。而在錄放設備中運用matlab數字水印技術，能在錄放設備工作時檢測媒體上是否存在水印，進而決定媒體信息能否被錄放，并拒絕非法的復制與下載使用。
2.2 用以防偽與鑒定
隨著高質量圖象輸出、輸入技術以及相對應設備的不斷發展，一些高精度、高分辨率的打印機、復印機相繼出現，給一些票據圖象信息的偽造創造了有利的條件。而matlab數字水印技術能為各種票據的圖象信息嵌入不可見的認證標志，能有效提升偽造的難度。目前。一些發達國家已經開始廣泛研究用于票據防偽的數字水印技術，能夠為護照、駕駛執照、身份證、貨幣等重要媒體圖象信息提供永久的證明和鑒定。
2.3 隱藏數據標識
對于部分數據的隱藏標識而言，往往比標識信息具有更高的保密價值，如一些遙感圖象的拍攝日期、經緯度、圖片的公布日期、圖象的地域標識等。對于部分數據而言，沒有標識文件無法正常使用，而將這些重要標識信息標在圖象信息上，又會面臨著嚴重的信息安全威脅。而matlab數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，能夠將原始圖象文件上的標識信息隱藏，并且只有在運行相對應的特殊閱讀程序的情況下才能讀取圖象信息。這種方法已經在遙感圖像數據庫中得到了廣泛的應用，能將一個不可分割的、永久的標簽與注釋當成一個隱藏的水印嵌入數字圖象中，同時還能夠將一些其他的重要信息嵌入多媒體數據中來作為背景信息。
2.4 篡改提示
對于matlab數字水印技術而言，水印能用來檢測宿主信號的真實性與完整性。對于現有的信號拼接與鑲嵌技術而言，能夠做到“移花接木”而不為人知。因此，如何防范對一些重要圖象等媒體信息資源的篡改攻擊是一個非常重要的研究課題。而對于matlab數字水印技術而言，具有篡改提示功能，能有效預防對圖象媒體的篡改問題。在具體的應用過程中，通過判斷隱藏水印的狀態能判斷圖象信息是否已被篡改。但是對于這種方案而言，要求水印必須具有易碎性，這就導致了一些微小的圖象媒體信息改變都可能會造成水印的破碎。為此，在今后的工作過程中，應家加強對于該項功能的進一步分析與研究，以有效確保圖象等媒體信息的版權保護。
2.5 隱藏通信與保密存儲
對于隱秘通信功能而言，是將一些秘密信息作為水印隱藏在公開的數據中，使監察系統無法察覺到特定信息的存在，從而實現重要信息的通信與保密存儲。機密數據多是一些密碼、文字以及圖象信息，而被公開的數據信息多是一些普通的音頻、圖象或視頻圖象信息。例如可將一個航測飛機所測得的圖象信息隱藏在一幅畫中，將一個公司商標圖象隱藏在一個Web網頁的圖像中。因對于被嵌入的媒體信息而言，在主觀感覺上并未發生明顯變化，這就很難覺察到秘密信息的存在，從而在很大程度上降低了媒體信息在傳播過程中遭受攻擊或被攔截讀取的可能性。于此同時，如將密碼學與水印技術相結合，能夠使“敵方”在得知秘密信息存在的情況下，很難將其提取并破譯，這就進一步提升了信息的安全性。
3 運用matlab數字水印技術實現圖像版權保護
對于運用matlab數字水印技術實現圖像版權保護工作的流程而言，包括以下幾個方面：（1）圖像載體分析。（2）圖象預處理。該項工作的主要目的是將圖象置亂，以達到相應的加密效果，這也是出于安全性所考慮的。（3）水印嵌入。為了確保算法的魯棒性，應在圖像的敏感地方嵌入水印，在水印信號被破壞的情況下，圖像質量也會明顯下降。但為了確保嵌入水印的隱蔽性，應確保水印的嵌入不對圖像質量造成嚴重影響。（4）算法的效果分析。該階段的工作是對水印的嵌入情況以及保護效果進行綜合分析，以最終實現圖像版權的保護。
4 結束語
綜上所述，matlab數字水印技術作為一種新型的信息隱藏技術，在媒體信息版權保護過程中發揮著非常重要的作用。但就現階段情況而言，對于該項技術的研究還不太成熟，在此應用過程中仍然面臨著一系列的問題。為此，在今后的工作過程中，應加強對matlab數字水印技術的研究，對該項技術進行不斷完善與優化，以切實促進對圖像等媒體信息的版權保護。
參考文獻：
[論文摘要]電子商務的迅速發展，使電子商務安全問題不容忽視。從數字水印技術的信息隱藏、不可見性，魯棒性，安全性等特點出發，把數字水印技術應用到電子商務安全保護中，解決電子商務安全中的數字作品版權信息驗證，電子票據保護，身份鑒別、篡改提示等問題。
互聯網技術的日新月異，使電子商務的發展變得更加迅猛。同時網絡中一些不可預料的危險環節，也使電子商務安全問題成為人們關注的焦點。傳統的認證和訪問控制技術、密碼技術并不能全面解決電子商務安全問題，所以一種新興的信息安全技術——數字水印技術被應用到電子商務中。
一、數字水印定義、功能及原理
數字水印是信息隱藏技術的重要分支。所謂數字水印（DigitalWatermarking）是指嵌入數字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)中的數字信號，它可以是圖像、文字、符號、數字等所有可以作為標識的信息。數字水印既不影響原始載體的正常使用及存在價值，也不容易被人感知。
通過隱藏在載體中的標識信息即數字水印，可以達到驗證和確認內容提供者、購買者、隱藏信息或判斷載體是否被篡改等目的。
數字水印算法的原理大都相同，即對時（空）域或變換域中的一些參數進行微小的變動，在某些位置嵌入一定的數據，生成數字水印，當需要檢測時，從載體中提取水印，與原水印進行比較，檢測水印是否被篡改等。近年來研究者從不同角度提高和改進數字水印算法，其實都是以提高水印的魯棒性為目的的。
典型的數字水印算法有以下幾類：空域算法，變化域算法，壓縮域算法，NEC算法，生理模型算法等。
二、數字水印的特點和分類
根據數字水印的定義及功能，可以看出數字水印具有以下幾個特點。
不可見性：數字水印作為標識信息隱藏于數字作品中，對攔截者而言，應不可見。
安全性：數字水印應當具備難以篡改或偽造的要求，并應當具有較低的誤檢測率和較強的抵抗性
魯棒性：在經過多種信號處理過程后，數字水印仍能保持部分完整性及檢測的準確性。
脆弱性：能直接反映出水印是否遭受篡改等。
根據不同標準，數字水印分為以下幾類。
按照水印特點劃分：魯棒性水印和脆弱水印。
按照水印隱藏位置劃分：時域數字水印、空域數字水印、頻域數字水印等。
按照水印檢測過程劃分：明文水印和盲水印。
按照水印是否可見劃分：可見水印和不可見水印。
按照水印內容劃分：有意義水印和無意義水印。
當然，數字水印還可以按照用途、水印載體等多種方式來劃分成更多的小類，這里不再一一列舉。三、數字水印技術在電子商務中的應用
數字水印技術在電子商務中的應用集中表現在電子商務安全保護問題中。電子商務安全可以分為網絡安全和信息安全。網絡安全復雜且受多種因素影響，要解決電子商務安全問題，必須把信息安全作為問題切入點。
目前，電子商務信息安全方面已經使用到了加密技術，安全認證技術等多種安全保護技術，但仍有部分問題得不到解決。
首先，電子商務中數字作品的版權保護問題。在知識產權體系日益完善的今天，版權問題已經成為人們關注的焦點問題，也是數字作品提供者必須正視的問題。研究者試圖尋找一種方法，既不損害原作品，又達到版權保護的目的，于是，與傳統水印功能幾乎相同的“數字水印”被應用到電子商務中。數字水印技術利用信息隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，“悄然”存在與數字作品之中。
目前應用數字水印來解決版權保護問題多用在軟件作品中，比較著名的就是IBM公司的“數字圖書館”軟件的數字水印功能，以及Adobe公司的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件。
其次，電子交易中的電子票據的防偽問題。隨著商務活動電子化和自動化的轉變，許多交易活動都轉變為電子交易，其中電子票據的安全保護變得猶為重要。數字水印技術可以在交易雙方的電子票據中嵌入交易時間和簽名等認證信息，使交易過程具有不可抵賴性。而且數字水印技術在電子票據中隱藏了不可見的標識信息，無形中也增加了不法分子偽造篡改票據的難度。水印還具有法律效力，可以在交易出現法律糾紛時，作為證據使用。
還有，身份驗證信息的真偽鑒別問題。目前，用于信息安全的加密技術對于電子形式的身份驗證信息具有良好的保護功能，但無法作為書面憑證進行鑒別。而通過使用數字水印技術，把電子身份驗證信息隱藏到普通的憑證圖像當中，使身份憑證具有不可復制和不可抵賴等特性，實現了電子信息和書面信息的雙重保護。
重要標識信息的隱藏和篡改提示。許多交易作品的使用必須依賴作品中一些標識信息，如果直接把此類信息標注在原始作品上，會引起一些不必要的麻煩，而利用數字水印技術就可以把重要信息隱藏在原始作品中，通過特殊的閱讀程序（水印檢測工具等）來讀取。數字水印技術還可以用于數字信號的篡改提示，通過水印的狀態來檢測數字信號是否遭到篡改。
通信過程的信息隱藏。用于信息安全保護的常用方法是對數據進行加密，這樣往往更容易引起攻擊方的注意，從另一個角度出發，在人類視覺、聽覺等無法感知的范圍之內，對各種時（空）域、變換域進行微小的改變，從而實現信息隱藏，達到通信過程信息安全保護的目的。
四、結束語
數字水印技術作為一種新興的安全保護技術應用到電子商務中，表現出其顯著的作用和功效，因為區別于傳統的數據加密技術或安全認證技術，為信息安全保護領域帶來了新思路。但是，由于目前數字水印技術本身并不完善，應用到電子商務中還存在很多實際的問題。例如，水印檢測的簡便性，水印的魯棒性，等等，這些也將作為研究者進一步努力的方向。
參考文獻：
關鍵詞： 相位恢復算法； 數字水?。?全息圖二值化； 盲檢測
中圖分類號： TN919?34； O438 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0085?04
0 引 言
數字水印技術是信息安全研究領域的重要分支，已成為目前數字產品版權保護研究的熱點?；谛畔⒐鈱W理論的數字水印技術具有高魯棒性、大容量、高加密維度、高處理速度等特點，近年來得到廣泛關注與重視[1?6]。2002年，日本學者Takai和Mifune最早提出利用全息技術，將二維數字全息圖作為待嵌入的水印信息的方法[7]。Chang等改進了這個方法，提出在離散余弦變換域嵌入數字全息圖的技術[8]，實驗表明全息水印具有良好的抗剪切能力。陳大慶等提出了基于相位恢復和數字全息技術的圖像水印方法[9]，該方法采用相位恢復算法將得到高對比度的全息圖，具有很好的穩健性。
以上方案嵌入的全息圖均為灰度圖，信息量較大。相同條件下，在宿主圖像中嵌入的水印信息量越大，水印的透明性和魯棒性就會相對越差。因此為了減少嵌入信息量，進一步提高全息水印的實用性，2011年，李國明等提出在計算出數字全息圖的基礎上，進一步對全息圖進行二值化，將二值化后的全息圖作為水印嵌入載體圖像中[10]。但由于直接對全息圖二值化，對全息圖本身是一種破壞，損失了一定的全息信息，再現像質量有所下降。在上述方案的基礎上，本文提出一種基于相位恢復算法的計算全息圖二值化改進方法。該方法采用相位恢復算法將水印信息編碼為虛擬入射物波的純相位函數，同模擬參考光波發生干涉，得到對比度很高的計算全息圖，二值化后作為待嵌入的水印信息。仿真實驗證明改進方法具有更好的魯棒性。
1 計算全息圖二值化
1.1 傳統傅里葉計算全息圖二值化
將水印圖像的灰度值[m（x，y）]作為物光波的振幅，并通過一個[-π，π]范圍內的隨機相位模板調制，以達到平滑傅里葉譜的目的。物光波復振幅為：
[o（x，y）=m（x，y）exp[iφ（x，y）]] （1）
其傅里葉變換為：
[O（ξ，η）=o（x，y）exp[-2πi（ξx+ηy）]dxdy] （2）
然后同參考光相干涉，設參考光表達式為：
[R（ξ，η）=R0exp[2πi（aξ+bη）]] （3）
式中a，b是空間頻率， 決定參考光波的傳播方向。相干后的光場分布為：
[H（ξ，η）=O（ξ，η）+R（ξ，η）2=O（ξ，η）2+R（ξ，η）2+ O*（ξ，η）R（ξ，η）+O（ξ，η）R*（ξ，η）] （4）
式中，第一、二項為全息圖的暈輪光和中心亮點，對再現像的質量有很大影響，可以通過計算參考光和物光的功率譜密度加以去除。
[H（ξ，η）=O*（ξ，η）R（ξ，η）+O（ξ，η）R*（ξ，η）] （5）
式（5）可用來恢復原始像及共軛像，對[H（ξ，η）]進行二值化，并制作二值全息圖。
全息圖的再現是用照明光的表達式與全息圖相乘，并通過傅里葉逆變換得到再現像的光強分布。為簡化計算，假設照明光波振幅為1，相位為0，傅立葉逆變換得到的重構圖像為：
[oR（x，y）=H（ξ，η）exp[2πi（ξx+ηy）]dξdη] （6）
將式（3），式（5）代入式（6）就可以得到重構光場為：
[oR（x，y）=o（x-a，y-b）+o*[-（x+a），-（y+b）]] （7）
適當地選擇a，b的值，使原始像和再現像分離。
圖1為128 pixel×128 pixel原始信息經過傳統傅里葉全息法得到的二值化全息圖及其再現像（經二值處理），可以明顯看出，再現圖像質量有所下降。
1.2 基于相位恢復算法計算全息圖以及全息圖二值化
相位恢復算法是一種通過已知光場強度來確定相位分布的技術，包括GS算法、POCS算法、HIO算法等。GS算法的原理圖如圖2所示，通過在空間域和頻域之間進行傅立葉正反變換來回迭代，并在空間域和頻域中分別應用空間域和頻域約束限制條件，具體步驟概括為：
（1） 給定一個初始隨機相位[?（x0，y0）]（取值范圍為[-π，π]），乘以物光波振幅[m（x，y）]，構成入射波復函數[f（x，y）]，并對[f（x，y）]做傅里葉變換，得到頻譜函數[F′（μ，ν）]。
（2）引入頻域限制條件，去除振幅信息，只保留[F′（μ，ν）]的相位部分[F（μ，ν）]，對其做傅里葉逆變換得到[f′（x，y）]。
（3）運用空域約束條件，取[f′（x，y）]的相位部分與物光波振幅[m（x，y）]構成新的入射波函數，并進入下一次循環。
（4）重復以上過程，直到[f′（x，y）]與期望值[m（x，y）]的差異小于預設值為止。隨著迭代次數的增加，輸出函數逐漸收斂，最終得到所需要的相位信息。設最佳相位分布為[F（μ，ν）]，以上過程可用公式表示為：
[FT{m（x，y）exp（i?（x，y））}=F（μ，ν）=exp（jψ（μ，ν））] （8）
采用大小為128 pixel×128 pixel的黑白太極圖案，同等條件下，傳統傅里葉干涉全息和相位恢復法計算全息圖對應的灰度直方圖如圖3所示，可發現傳統方法灰度值相對集中，相位恢復算法得到的全息圖灰度值分散且具有更高的對比度。所以經過相位恢復算法后的二值全息圖比傳統傅里葉二值全息圖損失的信息量更少，大大提高了再現像的質量。
圖4為相位恢復算法二值化全息圖和對應的再現像?？梢悦黠@看出，該方法比傳統傅里葉二值全息圖的再現像質量有很大改善。
2 全息水印的嵌入和提取
采用上文的二值全息圖作為待嵌入的水印信息，為了提高水印的抗壓縮能力，將水印嵌入在宿主圖像離散余弦變換（DCT）域中。DCT變換是正交實變換，它有良好的能量壓縮能，考慮到人眼對高頻成分的失真不太敏感，而壓縮、濾波等操作主要破壞高頻信息，將水印信息嵌入到宿主圖像DCT系數中低頻成分上。
2.1 嵌入算法
設原始載體圖像[X]是[N1×N2]像素的灰度圖像，水印圖像[H]是[M1×M2]像素的二值全息圖，水印嵌入原理圖如圖5所示。
具體的嵌入步驟如下：
（1）通過逐行掃描，將二值水印信息[H]轉化為一維水印序列[W]：
[W={w（i）=0 or 1 ， 0≤i
（2）采用Logistic方程產生混沌序列，對[W]進行混沌置亂加密。消除了水印像素之間的空間相關性，并提高了水印的抗剪切能力。同時將Logistic方程的初始值作為密鑰，提高了水印的安全性。
在非線性系統中，混沌是普遍存在的現象，混沌序列具有對初始條件和微小擾動的高度敏感性、非收斂性、非周期性、運動軌跡的遍歷性、隨機性和類似噪聲等特點，這些特點使得混沌序列廣泛應用于水印的加密。
最典型、應用最廣泛的產生混沌序列的方法是Logistic映射方法。Logistic映射形式定義如下：
[xk+1=μxk（1-xk）] （10）
式（10）中，初始值[x0∈（0 ，1）]且[x0≠0.25 ，0.5， 0.75]。當[μ=4]時，系統工作于完全混沌狀態，[X]在[（0 ，1）]內遍歷。混沌狀態對初始值極其敏感，所以取不同的初值，可以得到不同的結果，將[x0]的取值作為密鑰。對于一維水印序列[W]，通過以下步驟實現空間置亂：
①選取初始值[x0]，產生一個一維混沌序列[m（i）]，其元素個數為[M1 ×M2]的整數倍；
②將[m]序列按照公式（11）進行預處理，使得[m]序列轉化為一個整數序列，且[m（i）∈[1 ， M1 ×M2]]；
[m（i）=ceilm（i）×M1 ×M2] （11）
③從[m]序列第一個元素開始，按照下述公式對水印序列置亂，其目的是根據[m]序列，將一維水印序列[W]中的對應位置元素對調。
[a=W（i） ；W（i）=Wmodm（i） ， M1 ×M2+1； Wmodm（i） ， M1 ×M2+1=a] （12）
（3）將宿主圖像按照像素8×8分塊，并對各個分塊作DCT變換。
（4）利用Matlab軟件生成兩組取值較小、相關性很小且服從高斯分布的一維四位隨機序列[K1]，[K2]。
（5）分別計算原始載體圖像每個分塊的方差，根據方差的大小線性調整水印在各個分塊上的嵌入強度。逐個讀取置亂后的一維水印序列，若[w（i）=1]，嵌入[K1]；否則，嵌入[K2]，按照加法準則將水印信息嵌入到各個分塊的中低頻系數上。
2.2 提取算法
水印提取就是水印嵌入的逆過程。首先，將含有水印的圖片8×8離散余弦變換，讀取嵌入水印部分的DCT系數；然后，分別檢測出其與[K1]，[K2]的相關性，比較大小，得到一維二值序列；最后，利用密鑰，反置亂，并最終還原為二維二值全息圖。通過傅里葉反變換或者光學再現，就可得到原始的水印信息。在提取全息水印時無需原始宿主圖像，實現了水印的盲檢測。
3 仿真實驗
通過Matlab軟件仿真驗證了本文所提出的全息二值水印方法的穩健性，并且進一步跟傳統傅里葉全息二值水印進行對比，驗證該方法的優越性。
3.1 水印的嵌入和提取
采用上文制作的128 pixel×128 pixel太極圖案的相位恢復算法二值全息圖作為待嵌入的水印信息。宿主圖像采用512 pixel×512 pixel的灰度Lena圖，如圖6（a）所示。圖6（c）為相位恢復算法的二值全息圖，進行混沌置亂后嵌入宿主圖像DCT域的中低頻區域，圖6（b）為嵌入水印后的圖像。圖6（d）為提取的二值全息圖，通過計算機或光學全息再現可得到清晰的原始信息，如圖6（e）所示。
3.2 與傳統傅里葉全息二值水印的對比試驗
為了驗證相位恢復算法二值全息水印對各種圖像處理方法的抗攻擊能力，在相同的嵌入條件下與傳統傅里葉全息二值水印方法進行對比。采用峰值信噪比（PSNR）來客觀評價嵌入算法對宿主圖像的影響。采用歸一化互相關系數（NC）定量衡量水印的原始信息和提取信息的相似度。
JPEG壓縮對比實驗如圖7所示。圖7（a）～（c）是壓縮質量分別為80，70，60時，傳統傅里葉全息二值水印法的水印再現像，圖7（d）～（e）是本文方法的水印再現像。表1是兩種方法對比實驗的PSNR和NC。可以看出，在相同嵌入條件下，兩種方法的PSNR相近，說明這兩種方法的JPEG壓縮效果相近，而本文提出方法的NC系數優于傳統傅里葉全息二值水印方法。
剪切對比實驗。把含水印圖像分別切掉10%～40%，然后提取水印信息，結果如圖8所示。圖8（a）～（d）是傳統傅里葉全息圖二值水印法的結果，圖8（e）～（h）是本文全息二值水印法的結果。表2是兩種水印方法剪切對比實驗中提取出的水印信息的歸一化互相關系數（NC）?？梢姳疚姆椒ň哂懈玫目辜羟心芰?。
4 結 語
本文提出了一種基于相位恢復算法的二值全息水印方法，該方法采用相位恢復算法得到高對比度全息圖，再將該全息圖二值化，大大減少了傳統傅里葉全息圖直接二值化造成的信息丟失，改進了全息二值水印技術。在宿主圖像子塊離散余弦變換域的中低頻部分嵌入水印，由于水印是二值化的全息圖，因此具有較大的水印嵌入量。提取水印時無需原始宿主圖像參與，實現了盲檢測。通過仿真實驗證明，與傳統方法相比，本文方法具有更好的穩健性。該方法能夠成為數字產品版權保護的有效方案。
參考文獻
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[關鍵詞]數字水印數據安全多媒體
一、引言
隨著計算機和網絡技術的飛速發展，特別是因特網的普及，信息的安全保護問題日益突出。此外，多媒體技術已被廣泛應用，數字圖像、音頻和視頻等多媒體數字產品愈來愈需要一種有效的版權保護方法。最近幾年，許多研究人員放棄了傳統密碼學的技術路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數據進行隱藏加密，并將該技術用于制作多媒體的“數字水印”。
二、數字水印特征及分類
所謂數字水印技術，就是在被保護的數字對象（如靜止圖像、視頻、音頻等）中嵌入某些能夠證明版權歸屬或跟蹤侵權行為的信息，這些信息可能是作者的序列號、公司標志、有意義的文本等等。水印中的隱藏信息能夠抵抗各類攻擊。即使水印算法是公開的，攻擊者要毀掉水印仍十分困難。將某種不可感知的信息如數字、序列號、文字、圖像標志等版權信息嵌入到多媒體數據中，以起到版權保護、秘密通信、數據文件的真偽鑒別和產品標識等作用。在發生數字媒體侵權使用、版權爭議時，通過檢測媒體內容中的數字水印，獲得數字媒體的版權信息、授權信息等，從而起到媒體知識產權保護的目的。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。
1.數字水印特征
嵌入數字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數字水?。?/p>
（1)不可感知性:在數字作品中嵌入數字水印不會引起明顯的降質，并且不易被察覺。
（2)隱藏位置的安全性:水印信息隱藏于數據而非文件頭中，文件格式的變換不應導致水印數據的丟失。
（3)魯棒性:所謂魯棒性是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程后，數字水印仍能保持完整性或仍能被準確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數/模與模/數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。
（4)隱藏的信息量:嵌入的秘密信息必須能夠具有足夠多的信息。實際上，隱藏的信息與系統的魯棒性是矛盾的，即嵌入的秘密信息越多，魯棒性就越差。
2.數字水印分類
按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。魯棒數字水印主要用于在數字作品中標識著作權信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經受各種常用的編輯處理；脆弱數字水印主要用于完整性保護，與魯棒水印的要求相反，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。
按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。
按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應用受到存儲成本的限制。
按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像（如商標圖像）或數字音頻片段的編碼;無意義水印則只對應于一個序列號。有意義水印的優勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們仍然可以通過視覺觀察確認是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統計決策來確定信號中是否含有水印。
按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。
票據防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據和電子票據的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據圖像進行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票據防偽的數字水印算法不能太復雜。
版權標識水印是目前研究最多的一類數字水印。數字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權標識水印主要強調隱蔽性和魯棒性，而對數據量的要求相對較小。
篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識宿主信號的完整性和真實性。
隱蔽標識水印的目的是將保密數據的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數據的使用。
三、數字水印的應用領域
1.數字作品的知識產權保護
數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）的版權保護是當前的熱點問題。由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不采用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。
“數字水印”利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。目前，用于版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其“數字圖書館”軟件中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。
2.商務交易中的票據防偽
隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。
另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網絡安全技術成熟以后，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。
3.證件真偽鑒別
信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。
國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“買假”、“用假”成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿制和復制。
4.聲像數據的隱藏標識和篡改提示
數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經/緯度等。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像數據庫所采用。
此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到“移花接木”而不為人知，因此，如何防范對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。基于數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。
5.隱蔽通信及其對抗
數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。
網絡情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網絡進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網絡多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網絡進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。
四、數字水印的發展趨勢
雖然數字水印技術最初的開發目的是為了解決數字媒體的版權保護問題，然而在實際的研究中，數字水印的應用領域遠遠超出了版權保護領域；同時，由于目前數字水印技術難以解決的串謀攻擊、機會攻擊以及解釋攻擊問題，使得數字水印在版權保護、訪問與拷貝控制、數字指紋等方面的應用受到了很大的限制。因此，許多研究者正致力于上述問題的解決，如果這些問題得到解決，數字水印則極有可能成為媒體安全領域的重要的技術基礎。但從目前的發展來看，利用數字水印技術進行數字廣播監聽、媒體內容認證、小范圍內媒體使用跟蹤等方面則更加實際可行，而且也是非常有意義的，并且在這些領域已經開始實際使用與測試。此外，數字水印技術還可以用于提供媒體增值業務，如提供數字媒體相關內容的因特網鏈接、隱藏水印信息在數字媒體中以降低媒體傳輸造成的錯誤。
參考文獻:
關鍵詞：數字水??；性能評估；不可感知性；魯棒性；水印容量
中圖分類號：TP18文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)31-pppp-0c
Survey of Watermarking Performance Evaluation Indices on Digital Image
YU Xiao-qing
(Graduate Student Department, Engineering University of CAPF, Xi'an 710086, China)
Abstract: The rapid development of digital watermarking technology has made performance evaluation of digital watermarking more and more important. It is pointed out that establishing performance evaluation of digital watermarking is important. Based on the description of the major performance indices of imperceptibility, robustness and watermark capacity for digital image watermark, general steps for performance evaluation and both subjective and objective evaluation standards are proposed. Finally, the prospects for performance evaluation of future digital watermarking are given. It is crucial to establish impartial uniform performance-testing and evaluating system for improving the performance of digital watermarking.
Key words: digital watermarking; performance evaluation; imperceptibility; robustness; watermark capacity
隨著科學技術和計算機網絡的快速發展，形式多樣的數字產品已經與人類生活相融合。數字作品極易被復制的特性，使得產品的版權保護和服務認證面臨著日益嚴峻的挑戰。數字水印是版權保護的一種有效手段，利用數字作品中存在的數據冗余和數據隨機性把版權信息嵌入到數字作品本身，以保護作品版權。其基本思想是在數字圖像、音頻和視頻等數字產品中嵌入秘密信息以保護數字產品版權，可以證明產品的真實性，實現跟蹤盜版行為和提品有效信息等功能，數字水印是目前保護數字作品版權的一種有效可行的技術手段。
1 數字水印的特性
數字水印已經成為多媒體信息安全研究領域發展最快的熱點技術之一，受到國際學術界和企業界的高度關注。不同的應用對數字水印系統的要求不盡相同，對數字水印系統的特性理解也會隨之變化。一般認為數字水印系統應具有如下特點:
1）不可感知性：又稱不可見性，水印的存在不應明顯干擾原始載體圖像的數據，不得使原始數據發生可感知的變化，也不能使得原始載體數據在質量上產生能夠感覺得到的失真。
2）魯棒性：即穩健性，是數字水印技術的重要指標。數字水印必須在一般的信號處理操作(如A/D轉換、D/A轉換、濾波、平滑、圖像增強和有損壓縮等)和一般的幾何處理操作（如旋轉、裁剪、縮放等）之后，仍能夠保持數據完整性或仍能被準確識別。
3）水印容量：在數字圖像水印系統中，水印容量是指一幅數字作品所能嵌入的最大信息量。水印容量越大，不可感知性就越小。在考慮魯棒性和不可感知性的情況下，應盡量在載體中嵌入更多的信息。
4）可證明性：數字水印應該為相應數字產品的版權信息提供完全可靠的證據，并能夠監視被保護數字產品的傳播、有效鑒別真偽以及控制非法復制等。
5）安全性：指數字水印嵌入算法應具有較強的抵抗攻擊能力。在水印不被破壞的前提下，可以承受一定程度的人為攻擊。甚至在理想情況下，非法的用戶將不能檢測到產品中是否含有水印。
2 數字水印的性能評估
數字水印技術由數字水印算法設計和數字水印性能評估兩部分組成。數字水印算法設計只是整個水印技術的一半，必須對算法作性能評估，并且進行實驗驗證才能真實地評估水印算法的優劣，得出客觀的性能評估結論。由此可知，數字水印的性能評估對水印算法的研究至關重要。
2.1 數字水印性能評估一般步驟
目前，數字圖像水印的性能評估還沒有統一的步驟，在此介紹一般的測試過程。測試過程中把整個水印的嵌入和提取看成一個黑匣子，將標準的測試參數作為輸入，然后觀測各種輸入下的性能指標輸出，以一種統一的方式得到輸出結果。測試過程如下：
1）在保證視覺質量的前提下，以最大的強度嵌入水印。即嵌入水印使得對于某一給定的質量度量而言，嵌入水印的圖像質量大于某一給定的下限。
2）對嵌入水印的圖像進行一系列攻擊。
3）對每種攻擊，進行水印提取，判斷提取是成功還是失敗。
對每幅圖像都重復上述過程。
2.2 數字水印性能評估方法
不可感知性、魯棒性和水印容量是數字水印最重要的三個特性，數字水印性能評估主要側重于這三個特性。數字圖像水印算法要求在視覺沒有感覺到失真的情況下，嵌入盡可能多的水印信息到載體圖像中。數字水印的魯棒性由水印嵌入強度和嵌入的信息量決定。嵌入的強度越大魯棒性越高，嵌入的信息量越大魯棒性越低，這兩者之間要有一個平衡。對水印算法的評價和比較要仔細權衡水印的不可感知性和魯棒性之間的關系。
2.2.1 主觀評估
圖像質量的主觀評價是指采用目視觀察和主觀感覺評價圖像的質量。主觀評估反映的是人對圖像質量的直觀感受，對最終質量評估是有意義的。然而在實際應用中，不同的人對水印圖像的主觀評價會產生很大差異，并不實用。主觀評估包括兩個步驟：1) 劃分數據等級。2) 測試者根據失真程度進行打分。一般依據ITU-R Rec.500質量等級級別，如表1所示。
表1 ITU-R Rec.500質量等級
2.2.2 客觀評估
圖像質量的客觀評估是指提出某個或某些定量參數和指標來描述圖像質量。主觀評估的不精確性，并且由于客觀評估的測量結果不依賴于主觀感覺，可以作為定量評價的標準，客觀評估在數字水印性能評估中占有十分重要的地位。常用的客觀評估指標主要有：峰值信噪比、均方誤差、信噪比、平均絕對差分、拉普拉斯均方誤差等。下面列舉數字水印常用評估指標：
1) 峰值信噪比（PSNR：Peak Signal-to-Noise Ratio）
圖像在經過壓縮之后，一般都會出現與原始圖像某種程度的不一樣，峰值信噪比是廣泛使用的評價圖像質量的客觀度量法。一般可以參考峰值信噪比來衡量處理后的圖像質量，定量評估含水印圖像的質量。大量實驗表明，保證PSNR值大于38dB是水印不可見性的基本要求。而且PSNR越大，被檢測圖像與原始圖像越相似，水印的不可見性越好。對于大小為M×N的二維圖像，I表示原始載體圖像，I’表示含水印圖像，則計算PSNR的公式如下：
2)歸一化相關系數（NC：Normalized Correlation）
數字圖像水印技術一般通過NC系數來估從待檢測圖像中提取的水印和原始水印之間的相似程度。NC系數取值介于0和1之間，大量實驗結果表明，當NC系數大于或等于閾值0.75時，提取出的數字水印大多數可以為人眼直接辨識，可視為有效數字水印。而當所得NC系數小于閾值0.75時，可視為無效數字水印。NC系數越大，說明提取出的水印和原始水印越相似，水印的魯棒性越好。W(i,j)表示原始水印，W(i,j)表示提取出的水印，NC的計算公式如下：
峰值信噪比與歸一化互相關系數是最常用的客觀評價標準，其它經常用到的基于像素的圖像質量評測方法如表2示。
表2 其它常用的基于像素的圖像質量評測公式
3 結語
目前，數字水印性能評估的研究相對滯后于數字水印算法的研究，雖然國內外的很多學者和相關研究人員在數字水印性能評估方面取得了一些成就，但只是初步探索。建立更具客觀性、全面性的數字水印性能評估系統，還需研究和解決很多問題。目前，迫切需要解決的問題有：如何建立完整、統一的數字水印性能評估步驟，完善、規范的評估標準以及兼容的評估系統。針對沒有統一的水印評估標準的問題，歐盟的Certimark計劃已經啟動，表示未來會建立統一的水印測試標準。數字水印性能評估對水印算法的研究非常重要，本文提出了數字水印的不可感知性、魯棒性、水印容量等幾項性能指標，并且對數字圖像水印的性能評估從不同的角度進行研究，對數字水印性能評估及標準的建立起到了較好的的指導作用。
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關鍵詞： 數字水??；攻擊；安全
中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）0110223-01
多媒體技術的快速發展，使得很多企業的發展都得到了便利，發展的階段開始轉向信息化時代，但是使用廣泛的網絡技術也帶來了一定的安全問題，網絡安全問題比比皆是，對于聲像數據也是一樣的，所以對其要進行加密，認證和版權保護這些錯誤，以保證其不被盜版等。數字化的聲像數據的根源就是數字信號，這類數據的密碼加密方式常常被用來進行安全管理，但是對其本身具備的信號屬性，卻經常被研究者忽略，這些年研究人員對于傳統密碼學技術路線選擇了放棄，開始隱藏聲像數據或是對其加密的方法來盡心應用，這種方法對于多媒體來說就是數字水印技術的應用。
1 數字水印設計原理
一般而言，根據信號處理科學的分析，對于載體作品水印的嵌入是從強信號下增到一層的弱信號，對于水印的信息增強，只要能夠弱于人的視覺和聽覺感知，人們對于水印信號的存在就無法感知，因為人類的視覺和聽覺感知都被很多條件所限制，比如空間，時間和頻率特性等條件。所以調整載體作品，加上水印，能夠在人類沒有感知的情況下給與作品一定的版權安全。從數字通信角度來看，嵌入水印就是在寬帶的信道上傳遞一個窄帶的信號，通過擴頻技術將其嵌入，因為水印信號本身的能量就很小，所以寬帶信道上任何的頻率上都得到分布后，就更加無法被檢測了[1]。水印檢測系統工作原理如圖1。
2 數字水印的特性
1）有效性。有效性是指嵌入器的輸出被水印化的機率，即作品嵌入水印后檢測器能檢測到水印的機率。嵌入了水印，如果檢測不到信號，有兩方面的原因。一種是檢測器設計有問題，如有的驗鈔機把假幣驗成真的，把真幣驗成假的。一種是水印技術本身的原因，如嵌入信息太少。
2）保真度。帶水印的作品和不帶水印的作品在人們眼中和感覺上的相似程度。有效性與保真度是沖突的，不同用戶選擇不同方案。對于一幅作品的銷售商，希望允許一定程度的失真，以獲得100%的有效性。而對于作者，則希望作品具有100%的真實性。
3）數據的有效載荷。數據的有效載荷是一個作品中水印編碼的比特數。一個作品中水印編碼少于數據的有效載荷，水印檢測不出來。不同作品，要求數據的有效載荷不同。音樂作品要求每分30比特，視頻作品要求每分1.2比特。水印的編碼長度與其能嵌入的信息條數成正比，編碼長度為n比特的水印可嵌入2n條不同的信息[2]。
4）魯棒性。所謂魯棒性，就是作品被正常處理或是操作以后，水印就可以被檢測，這些處理或是操作一般就是壓縮圖像，平移圖像，旋轉圖像，復制和錄制視頻等。
3 數字水印分類
1）按內容分類。無意義水印和有意義水印是按照數字水印內容來進行的分類。所謂有意義水印，就是水印自身就是某個數字音頻的片段編碼，優勢在于水印一旦被攻擊而形成破壞以后，人們可以觀察和確認到是否有水印。無意義的水印就是一個序列號，在序列號里應用信號，那么解碼后，水印序列一旦有錯誤，就要用統計分析來確定信號里的水印是否存在，這樣就給檢測帶來了麻煩，而且程序較為復雜[3]。
2）按特性分類。水印的分類按照其特性分類又可以分為脆弱數字水印，魯棒數字水印。一般而言，后者主要是在數字作品中得到應用，比如作者號和作品序號等等，這就要求水印要進行各種操作，這就是水印的魯棒特性，要經過很多的操作才能進行完整的嵌入，而脆弱數字水印則在保護作品完整性中經常被應用，他的優勢是人們通過水印的狀態就可以判斷數據有沒有被改過，其狀態非常的敏感，對于信號的變化也能做出敏銳的反應。
3）按用途分類。水印按照其用途可以分為，票據防偽水印、篡改提示水印、版權保護水印和隱蔽標識水印四種類型。票據防偽水印在電子票據防偽和打印票據中經常使用，主要是對于快速檢測的便利性很強，票據防偽的水印算法上比較簡單，這樣才能被廣泛使用。篡改提示水印是主要就是為了能夠對于宿主信號的真實性和完整性進行標志，也屬于脆弱水印，比較敏感。版權標識水印研究中，數字水印是研究最多的一類，因為他既是作品的標識也是一種商品，所以具有雙重屬性，這種雙重屬性對于版權標志是有著很重要的作用的，魯棒性和隱蔽性都能夠發揮，而且對于數據量的要求又不高，所以這種水印應用非常的廣泛。隱蔽標識水印的作用是將需保密數據的標注隱藏起來，對非法用戶對保密數據的使用進行限制。
4）按水印隱藏的位置分類。按數字水印的隱藏位置，可以將其分為變換域數字水印和時域數字水印。變換域數字水印是在小波變換域、時/頻變換域和DCT變換域上隱藏水印。時域數字水印是直接在信號空間上疊加水印信息[4]。
4 數字作品的安全性
1）保障數字作品安全的困難性。一是低廉的復制代價。傳統藝術品例如繪畫、書法、雕塑等的復制，是需要技術非常專業的，而且技術性非常強才能夠完成，但是對于數字作品來說，復制就非常的簡單，而且可以大批量的復制，衣服花費很長時間的繪畫作品，只要上傳，就可以短時間被無數次的拷貝，有時候甚至復制者和原創者都無法分辨，所以低成本的復制導致了電腦影像作品非常泛濫的被復制出來，同時給追查侵權行為造成了困難。二是司法鑒定的困難。傳統藝術品和紙質文書很難被辨別出來，所以司法鑒定方面的解決方案也沒有能夠出來，長期沒有該類技術導致了藝術品市場的混亂，如紙張鑒定、筆跡鑒定等都沒有司法意義上的鑒定[5]。這就是數字作品即便侵權，在知識產
權執法過程中沒法取證，這成為了一個很棘手的問題。三是篡改方便，傳統藝術品的更改是很困難的，但是數字作品就不同，他可以接收編輯處理，那么對其進行更改就非常的容易，所以也就有了侵權行為，而且不斷的增多。
2）保障數字作品安全的方案。針對不同的水印攻擊，應采用不同解決方案。
對于二次水印攻擊，需要綜合運用多種數字水印技術防范。安全的數字水印技術是公開算法的，其安全性依賴于產生水印的密鑰，但公開算法會導致技術的失控。每一個能夠讀懂水印算法的人，都可以在隱藏了水印的數字作品里加入自己的水印，導致權利信息標識的混亂。解決這種二次水印問題，需要綜合運用多種數字水印技術來控制[6]。
對于拼接攻擊，只能采用增加數字水印編碼元素的方式進行抵抗。網頁資源的盜用者將盜取的數字聲音或圖像分成若干小文件，然后在網頁上拼接起來，這樣雖然不影響聽覺和視覺效果，但對大多數數字水印算法都構成了威脅?？蛊唇庸舻臄底炙≡诰幋a時會存在一定冗余數據，而冗余數據太多會影響水印本身的信息量。
對于多圖平均攻擊，可以采用“基于內容”的數字水印[7]。如果攻擊者獲得了含有水印的數字作品的多個拷貝，他可以對這些復制作品進行平均操作，利用水印隨機性去除水印。抵抗多圖平均攻擊的方法是采用“基于內容”的數字水印，使媒體數據與數字水印有一定程度的相關。
5 總結
數字水印是通過有一個強信號（或寬帶信道）疊加一個弱信號（窄帶信號）實現。它具有保真性、有效性、魯棒性等特性。而數字作品由于其低成本的拷貝和篡改，安全保障比較困難，必須通過綜合運用多種數字水印技術來控制。
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關鍵詞:數字水印;離散余弦變換;人眼視覺系統
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9307-04
A DCT Digital Watermarking Algorithm Based on HVS
ZHOU Hong
(Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China)
Abstract: This paper introduces the principle of digital watermarking and the methods to realize it and then put forward a watermarking algorithm of the digital image which is based on DCT domain and considering the HVS. With Matlab programming tools, a small digital watermarking system has been designed and realized based on the proposed watermark algorithm which can embed, extract and attack a digital watermark. The results of computer simulation show that this watermark algorithm has a strong non-visibility and robustness.
Key words: digital watermarking; DCT; HVS
隨著信息技術和計算機網絡的迅速發展及廣泛應用,各種多媒體信息(圖像、文本、視頻、音頻等)紛紛以數碼形式進行存儲,并通過網絡進行和傳播。在人們享受著網絡帶來的迅速與便捷時,如何保護這些數字化信息如版權保護、信息安全、數據認證以及訪問控制等,已成為迫切需要解決的問題 [1]。由于傳統加密方法對多媒體內容保護能力有很大的局限性,數字水印技術日益被人們所重視,成為了信號處理和信息安全領域的研究熱點之一。
1 數字水印
數字水印(Digital Watermark)技術作為一種信息隱藏技術,其核心是在不影響數據可用性的前提,通過一定的算法在多媒體信息中嵌入不可移除的標志性信息。這些標志性信息可以是版權標志、用戶序列號或者是產品相關信息等,以便保護數字產品的版權、證明產品的真實可靠性、跟蹤盜版行為或者提品的附加信息。但與傳統加密技術不同的是,數字水印技術并不能阻止盜版活動的發生。
1.1 基本分類
數字水印按不同的出發點可分為不同的類型。最常見分類有:按特性分為:可見和不可見水印;按載體數據分為:圖像、音頻、視頻、文本以及網絡水印等;按檢測過程分為:非盲、半盲和盲水印;按內容分為:有意義和無意義水印;按隱藏位置分為:時(空)域和變換域數字水印;按用途分為:票據防偽、版權保護、篡改提示和隱蔽標識水印。
1.2 基本特征
數字水印應具備的基本特征主要有[2-4] :
1) 魯棒性:指不因多媒體文件的某種改動(信號處理、幾何失真、欺騙攻擊等)而導致隱藏信息丟失的能力。不同的水印應用對魯棒性要求不一樣。
2) 不可見性(透明性、不可感知性):利用人類視覺系統或聽覺系統屬性,經過一系列隱藏處理,使目標數據沒有明顯的降質現象,而隱藏的數據卻無法人為地看見或聽見。通常用峰值信噪比PSNR (the Peak of Signal to Noise Ratio) 和掩蔽峰值信噪比MPSNR (Masked Peak Signal to Noise Ratio) 來衡量[5]。
3) 抗篡改性:與抗毀壞的魯棒性不同,抗篡改性是指:水印一旦嵌入在載體中, 攻擊者就很難改變或偽造。
2 數字水印的實現
數字水印系統實現的典型過程包括:水印的嵌入和水印的提取或檢測。
2.1 數字水印的嵌入
圖1中的水印信息W為任何形式的數據,如隨機序列或偽隨機序列、字符或柵格、二值圖像、灰度圖像或彩色圖像、3D圖像等。水印生成算法G應保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。密鑰K通?？稍诓煌h節嵌入如:信息預處理、嵌入點的選擇和調制控制等,用來加強安全性,以避免未授權的恢復和修復水印。所有的實用系統必須使用密鑰或密鑰的組合。
2.2 數字水印的檢測
檢測水印的手段主要兩種:一是在有原始信息時,做嵌入信號的提取或相關性驗證;二是在沒有原始信息時,對嵌入信息做全搜索或分布假設檢驗等。
3 離散余弦變換(DCT)數字水印算法
3.1 數字水印算法
從數字水印算法實現的角度來劃分,水印算法基本上可分為兩大類:一類方法是將數字水印按某種算法直接疊加到圖像的空間域,即空間域算法,另一類方法是先將圖像做某種變換(特別是正交變換),然后把水印嵌入到圖像的變換域(Transform Domain)中(如DCT 域,Wavelet 變換域,或其它變換域等),即變換域算法[6]。
較早的數字水印算法大都是空間域上的,通過改變某些像素的灰度將要隱蔽的信息嵌入其中?？紤]到視覺上的不可見性,水印一般是嵌入到圖像中最不重要的像素位上( 如LSB : Least Significant Bits)?？臻g域算法的普遍缺點是:魯棒性差,尤其對濾波、量化和壓縮攻擊,而且嵌入信息量受到限制不能太多。但空間域方法的計算速度通常較快,而且很多算法在提取水印和驗證水印的存在時不需要原始圖像。而變換域水印算法則通常具有很好的魯棒性,對圖像壓縮、常用的圖像濾波以及噪聲均有一定的抵抗力,同時還可嵌入大量比特數據而不可察覺。因此基于變換域算法的數字水印技術更受青睞,逐漸成為水印技術的主流。
3.2 DCT基本原理
離散余弦變換(Discrete Cosine Transform)簡稱DCT,是變換域水印算法的典型代表,并常被認為是對語音和圖像信號的準最佳變換。DCT算法的基本原理是:利用傅立葉變換的對稱性,采用圖像邊界折疊操作將圖像變換為偶函數(余弦)形式,然后對這樣的圖像進行二維傅立葉變換,變化后的結果將僅包含余弦項。
3.3 DCT基本公式
一個長度為N的序列f(x)的一位離散余弦變換C(u)的定義為:
(1)
它的離散反余弦變換(IDCT)由下式表示:
(2)
其中a(u)有如下定義:
(3)
在數字圖像處理中使用的是二維DCT,對一幅N×N的圖像C(u,v),它的DCT變換為:
(4)
它的離散反余弦變換(IDCT)為:
(5)
4 基于人類視覺系統(HVS)的DCT數字圖像水印算法
4.1 設計思想
基于人類視覺系統(Human Vision System,HVS)的自適應DCT數字圖像水印算法的基本思想是:利用HVS對于圖像的感知特性來限制水印嵌入的位置和強度,從而提高水印的不可感知性和魯棒性。從信號處理的角度看,在載體圖像中嵌入數字水印可以視為在強背景(即原始圖像)下疊加一個視覺上看不到的弱信號(水印)。而對人類視覺影響最大的圖像因素就是背景照度、背景紋理和信號頻率,這三點決定了對比度門限值,因此只要疊加信號的幅度低于HVS 的對比度門限,視覺系統就無法感覺到信號的存在。
4.2 基于HVS頻率響應函數選取DCT嵌入區域
視覺系統的頻率響應函數為:
(6)
其中ω為視角正對的徑向頻率,單位為周/度 (Cycle/Degree)。a、b、c為確定人類視覺特性(HVS)曲線形狀的常數。當ωmax=3周/度時,HVS曲線的形狀可表示為:
(7)
矯正函數為:
(8)
其中,a=11.636度-1 ,這樣,矯正后的視覺系統頻率響應函數為:
(9)
利用公式:可將二維DCT系數(μ,ν)對應的徑向量頻率ω的值求出。其中,ωx是依賴于觀測距離的采樣函數,N是DCT變換塊大小。
現將每個8×8的圖像子塊分別進行DCT變換,并將DCT系數進行Zig_Zag排列,然后將DCT系數變換為相應的ω值來選取每一子塊的嵌入區域。如圖3所示。
根據矯正后的視覺頻率響應函數,所選取的加水印區域如圖4所示。為了增強算法的穩健性,利用了多重嵌入技術,即pi1(i=0,…,5) 用來嵌入1 bit的水印信息,同理, pi1,pi2,pi3,pi4(i=0,…,5)分別用來嵌入1 bit的水印信息。該算法中,每個8×8的子塊可以用來隱藏4 bit的水印信息。
4.3 嵌入、提取算法的實現
基于HVS的DCT數字圖像水印算法的基本實現思想是先將原始圖像分成8×8的子塊,并分別對每一子塊進行離散余弦變換(DCT),然后隨機函數來選取(1,8)之間的隨機數,將隨機數與水印分塊一起嵌入到DCT變換系數的位置,然后將嵌入水印信息的DCT系數的子塊進行逆DCT變換,最后合成為嵌入水印圖像。提取算法與嵌入算法相似。
4.3.1 嵌入算法實現
1)原始圖像和載體水印圖像分別進行劃分為I(N1×N2),W(M1×M2)。
2)將I分成8×8的子塊。對每一個子塊分別進行DCT變換:
(10)
變換后存入數組cda0中。
3)將W(M1×M2)分成8×8的子塊。
4)取隨機數K嵌入到載體圖像中。公式為:
cda1(x+1,y+8)= cda0(x+1,y+8)+alpha*k1
cda1(x+2,y+7)= cda0(x+2,y+7)+alpha*k2
cda1(x+3,y+6)= cda0(x+2,y+7)+alpha*k3
……
cda1(x+8,y+1)= cda0(x+8,y+1)+alpha*k8
其中alpha為50,x和y分別是水印圖像的8×8的子塊數。
5)對嵌入水印信息的圖像cda1進行IDCT變換。按照水印子塊相對應的位置進行放置,組合成一個完整圖像。
4.3.2 提取算法實現
1)將待檢測圖像分成8×8的子塊。對每個子塊分別進行DCT變換得DEI1m,n(i,j)
(11)
變換后存入cda1中。
2)對cda1(x+1,y+8),cda1(x+2,y+7),cda1(x+3,y+6)……,cda1(x+8,y+1)位置進行信息提取。其中x和y分別是含水印圖像的8x8的子塊數。
3)將提取的水印信息讀為二維子塊EWI1m,n(i,j),并將EWI1m,n(i,j)按照水印子塊相對應的位置進行放置,組合成一個完整圖像。
5 仿真實驗結果及分析
本文用MATLAB語言編程,以數字圖像為實驗對象,模擬開發小型數字水印系統,并進行了相應的魯棒性測試。該系統實現了基于HVS的DCT數字圖像水印算法,執行水印圖像的嵌入與提取操作,并針對此算法執行高斯噪聲、剪切、濾波、JPEG壓縮等多種信號處理操作的攻擊測試。同時還計算了峰值信噪比PSNR及水印相似度。
5.1 水印嵌入及提取仿真
從圖5可看出該系統可成功執行水印圖像的嵌入與提取操作,具有較好的可見性。
5.2 魯棒性測試
圖5未受攻擊的水印圖像嵌入提取結果 圖6白噪聲攻擊后的水印圖像檢測結果 圖7高斯低通濾波后的水印圖像檢測結果
圖8JPEG壓縮后的水印圖像檢測結果 圖9圖像剪切后的水印圖像檢測結果圖10剪切后的含水印圖像
圖11 圖像旋轉后的水印圖像檢測結果 圖12旋轉后的含水印圖像
從圖中可看出信號處理類(噪聲、濾波、壓縮)攻擊對該算法影響微小;而幾何失真類(剪切、旋轉)對該算法影響較大。
6 結論
本文在分析了人類視覺系統(HVS)對DCT水印算法的影響后,提出了一種基于HVS簡單的DCT域圖像水印算法。該算法根據人眼視覺頻率響應理論確定水印嵌入位置以實現盲水印,利用離散余弦變換(DCT)實現數據的嵌入和提取。借用Matlab編程工具,成功地實現了水印嵌入、提取及攻擊功能。由攻擊測試結果可看出此算法具有較好的不可見性及魯棒性。
參考文獻:
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[關鍵詞]離散余弦變換 數字水印 抗攻擊 水印恢復
[中圖分類號]TP[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)02-0026-02
1 引言
數字水印的研究從嵌入方式上看,可分為兩類:一類方法是將數字水印按某種算法直接疊加到圖像的空間域上;另一類方法是先將圖像做某種變換(特別是正交變換),然后把水印嵌入到圖像的變換域中。從目前的情況看,變換域方法正變得日益普遍。因為變換域方法通常都具有很好的魯棒性,對圖像壓縮、常用的圖像濾波以及噪聲均有一定的抵抗力,并且一些水印算法還結合了當前的圖像和視頻壓縮標準。常用的變換域主要包括離散傅立葉變換(DFT)、離散余弦變換(DCT)和離散小波變換(DWT)等。[1]
本文對基于DCT變換的數字圖像水印技術等方面進行了一些探索。在研究中采用了分塊DCT變換技術和實驗驗證等手段,提出了一種數字圖像水印實現方案,該方案實現了數字水印的嵌入與還原,并且有一定的抗噪聲攻擊能力。由于DCT變換主要將水印信息疊加在中低頻段,而人眼的感覺主要集中在這一頻段,攻擊者在破壞水印的過程中,不可避免地會引起圖像質量的嚴重下降,因此與傳統LSB算法和Patchwork算法相比,該方案的抗擊攻擊能力更強。
2 數字水印技術的基本原理
數字水印技術是通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌到多媒體內容中,目前大多數水印制作方案都采用密碼學中的加密(包括公開密鑰、私有密鑰)體系來加強,在水印的嵌入,提取時采用一種密鑰,甚至幾種密鑰的聯合使用。[2]水印的嵌入和提取方法如圖1、圖2所示:
數字水印可以分為空間域數字水印和變換域數字水印兩大類實現。
空間域方法可以細分為如下幾種方法:(1)最低有效位法,該方法就是利用原始數據的最低幾位來隱蔽信息的,具體取多少位以人的聽覺或視覺系統無法察覺為原則。(2)Patchwork方法及紋理映射編碼方法,該方法是通過任意選擇N對圖像點,增加一點亮度的同時,降低相應另一點的亮度值來加載數字水印。(3)文檔結構微調方法,在通用文檔圖像(postscript)中隱藏特定二進制信息的技術,主要是通過垂直移動行距,水平調整字距,調整文字特性等來完成編碼。[3]
基于變換域的技術采用類似擴頻圖像的技術來隱藏數字水印信息。這類技術一般基于常用的圖象變換,基于局部或全部的變換,這些變換包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、付氏變換(FT或FFT)以及哈達馬變換(Hadamard Transform)等等。頻域方法具有如下優點:(1)在頻域中嵌入的水印的信號能量可以分布到所有的像素上,有利于保證水印的不可見性;(2)在頻域中可以利用人類視覺系統的某些特性,可以更方便、更有效的進行水印的編碼。
3 數字圖像中的DCT原理
離散余弦變換(Discrete Cosine Transform)簡稱DCT變換。離散余弦變換是傅立葉變換的一種特殊情況,在傅里葉級數展開式中,如果被展開的函數是實偶函數,那么其傅立葉級數中只包含余弦項,再將其離散化可導出離散余弦變換,因此余弦變換與傅里葉變換一樣有明確的物理意義,DCT變換避免了傅里葉變換中的復數運算,它是基于實數的正交變換。[4]DCT變換矩陣的基向量很近似于ToePlitz矩陣(系數矩陣對稱且沿著與主對角線平行的任一對角線上的元素都相等)的特征向量,而ToePIitz矩陣又體現了人類語言及圖像信號的相關特性,故DCT常常被認為是對語音和圖像信號的準最佳變換,同時DCT算法較易于在數字信號處理器中快速實現,因此它目前在圖像編碼中占有重要的地位,目前使用的JPEG和MPEG壓縮標準都是基于圖像的DCT變換。[5]
4 DCT實現方案
4.1 嵌入水印
(1)將載體圖像轉至YUV色度空間,提取Y分量。
(2)在Y分量開始嵌入水印:a.由載體圖像和水印圖像計算初始嵌入位置,使得水印大致位于載體圖像中央;b.將載體圖像劃分為(Mm×Nm)大塊,每個大塊劃分為blocksize_sub×blocksize_sub2子塊,每個子塊大小為blocksize×blocksize;c.對每個大塊,將其中的每個小塊做DC變換,提取出DC系數,對其除步長之后的值和水印對應位置相加后模2,若為1,則減0.5后乘步長;若為0,則加0.5后乘步長。d.將修改后的DC系數放回原處。e.反DCT后得到嵌入水印后的Y分量。f.與UV分量組合后即得到嵌入水印后的圖像。g.獲取結束時間,相減即得到整個算法所需時間。
4.2 在嵌入水印的圖像中加入噪聲信號(模擬圖像被攻擊)
4.3 提取水印
(1)獲取起始時間。(2)設置塊(blocksize*blocksize)及子塊(blocksize_sub*blocksize_sub2)大小,與嵌入端保持一致。(3)讀取嵌水印后圖像的長和寬、經攻擊后圖像、水印圖像。(4)將攻擊后圖像恢復至嵌水印后圖像的大小,與嵌水印類似,將圖像Y分量劃分為(Mm*Nm)大塊,每個大塊劃分為blocksize_sub*blocksize_sub2子塊,每個子塊大小為blocksize*blocksize,除以步長后模2,最終每個大塊得到數目為blocksize_sub*blocksize_sub2的0、1,若0多,表明該位置對應水印為0,否則為1。(5)按水印長寬將生成的一維矩陣重置,得到提取的水印。
5 仿真實驗結果
本實驗采用MATLAB軟件為工具,對提出的DCT水印方案進行了仿真實驗。
6 結語
通過實驗圖片的效果顯示,我們可以看到加入水印后的圖像基本不影響原圖片的質量,也看不出水印的圖案,而且可以基本保持載體圖片的原貌。從被攻擊后的圖像中也可以順利恢復出來水印,并且能夠識別原水印。因此,通過分塊的離散余弦變換可以實現數字圖像水印的嵌入與提取,并且有良好的抗攻擊能力。
[參考文獻]
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[2] 黨紅梅,李人厚,弋英民.幾種頻率域圖像數字水印算法.計算機工程與設計,2003,12.
[3] Liu R,Tan T.An SVD2Based Watermarking Scheme forProtectingrightful Ownership [J].IEEE Trans on Multime2dia,2002,4(1):1212128.
[4] 劉鋒,孫林軍.一種基于DCT 和SVD 的數字圖像水印技術[J ].計算機應用,2005,25(8):194421945.
