时间：2023-02-11 12:20:22
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇数字水印技术，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：数字水印；隐蔽性；鲁棒性
中图分类号：TP391.41
文献标识码：A
1
引言
随着计算机多媒体技术及网络技术的迅速发展，文字、图形图像、音视频等信息可以通过数字媒体广泛地传播。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和Internet的全球传播能力给人们带来信息共享的同时也带来了许多负面的影响。由于对数字信息的复制非常容易，而且所得复制品和原件几乎完全相同，因此有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者许可的情况下复制、修改、传播有版权的内容，甚至非法用作商业用途，严重侵犯了作者及版权所有者的利益。为了有效地解决信息安全和版权保护等问题，近年来出现了加解密、数字签名、数字指纹、数字水印等多种技术。其中数字水印是20世纪90年代出现的一门崭新的技术。它通过在数字产品中嵌入水印信息来确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性，它弥补了加解密技术不能对解密后的数据提供进一步保护的不足，弥补了数字签名不能在原始数据中一次性嵌入大量信息的弱点，弥补了数字指纹仅能给出版权破坏者信息的局限。
2 数字水印的概念和基本原理
2.1数字水印定义
数字水印(Digital Watermark)技术是用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，但不会影响原内容的价值和使用，它不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同。数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。作为数字水印技术应当满足下面几个方面的要求：
’a.隐蔽性：数字水印应该是不易被察觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；
b.安全性：加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易被破解，即使被黑客检测到了也不能读出(数字水印需要加密)；
c.鲁棒性：当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不容易被破坏。
2.2数字水印技术的基本原理
一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测、提取两个阶段。数字水印的生成阶段，嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印(如字符串或图标等)，或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强，在水印的嵌入，提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用。水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示：
3 数字水印的分类
数字水印技术可以从不同的角度进行划分。
3.1按特性划分
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，它必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
3.2按水印所附载的媒体划分
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
3.3按检测过程划分
按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。
3.4按内容划分
按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。
3.5按用途划分
按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。
3.6按水印隐藏的位置划分
按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时／频域数字水印和时间／尺度域数字水印。
4 数字水印的应用
4.1
数字作品的知识产权保护
数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据中，然后公开他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。
4.2商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。此外在电子商务中会出现大量过渡性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。
4.3篡改提示
当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定他们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常将原始图像分成多个独立块，每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。
4.4访问控制
在多媒体发行体系中，人们希望有一种拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。在封闭或私有系统中，可用水印来说明数据的拷贝状况。一个典型的例子是DVD防拷贝系统。将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。
4.5信息隐藏
数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容隐藏，无需额外带宽且不易丢失。此外，数字水印还可用于隐蔽通信，这在国防和情报部门将得到广泛应用。
5 数字水印技术研究展望
数字水印技术有着广泛的研究前景和巨大的商业潜能。但作为一种新兴的技术，它还面临着许多尚未解决的难题。从目前的技术和应用分析，数字水印技术未来的研究方向体现在以下两个方面。
第一，不断完善水印技术理论框架。数字水印技术要得到广泛应用必须建立一系列标准或协议，完善水印评价的理论体系，制定水印的测试和评价标准，设计一个能对各种不同水印算法进行公正比较评价的水印评价系统。
第二，水印算法研究。通过现有数字水印算法的研究，结合数字信号处理技术，寻找它们的关系，设计出更好的算法。
参考文献
[1]石培新，王颖.数字水印技术及其应用与发展[J].微型机与应用，2004(6)
【关键词】DCT；数字水印
1.DCT变换原理
离散余弦变换简称DCT，是一种实数域变换，其变换核为实数的余弦函数，计算速度较快，而且对于具有一阶马尔柯夫过程的随机信号，DCT十分接近于Karhunen-Loeve变换，因此它是一种近似最佳变换，很适合于图像压缩和随机信号处理[1]。
一维离散余弦变换（DCT）及其反变换公式定义如下：
2.DCT变换域系数选择
在基于变换域的水印系统中，水印嵌入位置的选择很重要，可以直接影响到水印系统的成功与否。目前版权保护是数字水印技术的重点应用领域，其特点是要求水印在日常环境或某些特定条件下是不可见的，而且把版权信息嵌入到普通图像后，嵌入的水印信息能承受对宿主图像进行的常规处理，且处理后的图像中仍然保存有可用的版权信息。由于对图像的常规处理主要影响图像高频信息部分，因此，要达到这一目标，在DCT变换域，应该选择DCT域中的低频系数，同时要排除DC分量[2]。
在日常生活与工作中，常规的图像处理软件处主要是对图像进行几何变换以及对图像锐度、色度的处理。这些处理主要对图像频谱中高频成分影响较大[3]。通过对图像进行DCT变换后的结果分析可知，变换后的低频系数一般远大于高频系数，且低频系数到高频系数的衰减很快。这表明图像本身的信息量基本位于低频区域。如果把水印信息嵌入到高频系数中，对宿主图像进行处理时，很容易把高频分量删掉，因此会造成水印信息的丢失，这对水印的保护不利。另一方面，由于图像的低频系数携带图像本身较多的信号能量，即使对图像进行常规处理后，仍能保留低频分量的主要成分，因此，如果把水印信息嵌入到宿主图像的低频分量，将使得水印信息不易受到攻击者的破快，将能好的保护水印信息。
结合人眼感知特点来分析，由于人眼对图像的灰度等低频信息较为敏感，因此，如果在图像的低频分量嵌入的水印信息过大时，将不能保证水印的不可见性。一般的解决方法是利用人眼的视觉特征，尽可能选择对低频系数改变不大、信息量小的水印信号[4]。通过扩频通信技术分析。如果将水印信息视为某信道中传输的信号，则图像低频系数可以视作为一个通信信道，对嵌入水印后的图像进行的攻击可以视为信号中的噪声。在实际的通信中，为了使得通信中的某个窄带信号能量不被察觉，通常采取的方法是把这个窄带信号通过一个较大的宽带信号进行传输，因此，把水印信息嵌入到图像的低频分量是合理的。但值得注意的是，由于DC分量所携带的信号能量远远大于其他的低频系数，因此水印算法中对低频分量的选择应该排除DC分量。
3.DCT变换域的数字水印嵌入方法
从本文前述所知，水印信息应该加在DCT变换的低频系数中。因此DCT变换域的数字水印嵌入算法首先需要从DCT变换结果中抽取若干个DCT低频系数，把水印信息嵌入到这些低频系数中，然后将嵌入了水印信息的低频系数重新插入到图像的频谱中，并对其进行IDCT反变换，得到嵌入水印后的图像。数字水印嵌入过程如图1所示。
在图1所示水印嵌入过程中，假设I宿主图像，D为存放DCT变换后生成的系数文件，D1为存放在D中加入水印后新系数的文件，I1为经过IDCT变换后得到嵌入水印后的图像。则水印嵌入过程描述如下：
（1）对宿主图像I进行DCT变换，将变换后所得的频谱系数保存到文件D。
（2）将文件D中DCT系数进行降序排序，然后抽取前N个最大值（除DC分量外），形成矢量T={t1，t2，…，tn}。
（3）将水印信号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，还可以对X={x1，x2，…，xn}加密后再进行处理。
（4）将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系数，并且把这些系数存放到文件D1中。
（5）将D1进行IDCT反变换，生成加入水印后的图像I1。
4.DCT变换域的数字水印提取方法
水印的提取过程与水印的嵌入是互逆的。在水印的提取过程中，假设原始图像为I，加入水印后的图像为I1。水印提取的步骤可描述如下：
将加入水印后的图像I1分别进行全图的DCT变换，从DCT变换后的系数中抽取前N个最大值（排除DC分量），计算出水印信号X={x1，x2，…，xn}。在实际应用中，由于嵌入水印后的图像在传输的过程可能被攻击者恶意攻击，导致待检测图像和原始水印图像不同，所以实际提取的水印与原水印存在一定的差别。实际应用中还需要进行相关性判断。
图2为水印提取过程。水印的检测/提取过程为：对所须检测的图像进行水印的提取，其过程为水印嵌入的逆过程，将提取的水印与根据密钥生成的原始水印进行比较检测，确定水印是否存在。
5.实验与分析
实验过程在VC++环境中完成。使用如图3中（a）图为原始图像，其规格为256×256的24位彩色图像，水印图像如图3中（b）图所示，其规格为64×64的8位灰度图像。图4中（a）图为直接嵌入水印后的图像，对比图3中（a）图可以看出嵌入水印后的图像与原图几乎没有区别，图4中（b）图为提取出的水印图像，对比图3中（b）图，提取出的水印效果较好，由此可见DCT变换域的数字水印技术具有较好的实用性。
参考文献
[1]阳鑫.基于DCT变换的数字水印研究及其MATLAB实现[J].信息技术，2010，11：129-131.
[2]黄松，杨华千，张伟等.一种新的基于DCT的自适应数字水印算法[J].计算机科学，2006，33（6）：148-160.
[3]王洪秀，王冰.基于图像纹理复杂度的数字水印算法[J].计算机工程，2011，37（17）：102-104.
【关键词】三维模型；数字水印；版权保护
数字水印技术为我们提供了一种对3D模型和其他CAD产品进行保护的有效途径，使得可以在3D多边形网格数据中嵌入数字水印，对3D模型和其他CAD产品进行有效的保护。三维模型数字水印技术是数字水印技术的一个分支，其原理是在三维模型中嵌入不可见的水印来保护模型的所有权，或用于检验模型的真实性，或嵌入可见信息来申明模型所有权。
一、三维物体的建模与数据表示方法
三维建模就是利用三维数据将现实中的三维物体进行重建，最终实现在计算机上模拟出真实的三维物体。而三维数据就是指用各种三维数据采集设备获得的数据，它包括几何坐标、颜色、纹理、材质、光源等基本信息。三维建模的应用十分广泛，它在建筑、可视化系统、三维游戏、虚拟现实等领域都有重要作用。要建立三维模型，首先要获取三维数据。通常采集三维数据的方法大致有：直接测量、雷达和激光测高仪方法、接触式机械测量、体数据恢复、域扫描等等。三维建模的关键问题是使用三维数据进行绘制，使其在视觉上具有真实感；并且要较好地组织数据格式，减少存储空间并且是硬件易于实现。人们常用的几种建模方法为：多边形建模，NURBs建模与细分曲面技术。
二、三维几何模型水印系统及特性要求
三维模型水印算法和图像水印算法相比，既有相似点，也有不同之处。由于三维模型数据很不规则，在嵌入水印的过程中缺乏进行频域分解的某种自然的参数化方法。三维模型中的点、线、面、等几何信息和顶点法向量、纹理坐标、颜色属性等外观属性的排列具有不同的方式，没有固定的排列标准。三维几何模型的这些特点都使得传统的图像水印算法不能简单地照搬在三维儿何模型的研究中。另外，图像嵌入水印可以看作在强背景（原始图像）下叠加一个弱信号（水印）。只要叠加信号的幅度不超过HVS的门限，人类就无法感觉到信号的存在。此模型对于三维水印也同样适用，但对三维数据，没有图像中那样成熟的HVS模型。在水印的检测过程中，嵌入水印信息的三维模型可能经过了简单的几何操作或者经受了其他的水印攻击，这样可能带来了三维网格的拓扑关系变化，为此在提取水印信息之前我们必须对嵌入水印模型进行变换，以便能够正确的提取出水印信息。然而，不论是变换不变量还是几何校准，同步问题都使三维水印系统更加复杂。
此外，容量、鲁棒性和计算复杂度都是在三维水印算法设计中要特别考虑的问题。
三、三维模型水印算法的特点和难点
与图像水印算法相比，三维模型的研究目前还有限，由于三维模型数据自身的特点，使得传统的图像水印算法不能简单照般地应用于三维几何模型，具体说来三维模型水印存在以下一些难点。
1.三维网格模型具有不规则性和无序性。由于三维几何模型数据具有不规则性，所以在水印嵌入过程中，缺乏进行频率分解的某种自然的参数化方法，需要寻找适当的能够反映三维模型数据特征的参数用于各种变换域水印算法。
2.三维网格模型的攻击处理操作种类繁多、千差万别。对模型操作的工具很多，用户很容易就可以对模型进行几何或拓扑操作。模型的变换操作会对模型上点的坐标进行修改，为正确提取水印信息，我们需要将变换后的模型恢复到原始模型所在的坐标系中，称之为网格对齐。一旦模型经历了如网格简化等改变模型拓扑信息的操作的话，我们在提取水印前，还需要对待检测的模型按照原始模型进行重新采样的工作，该步骤称之为网格重采样。网格对齐和网格重采样是三维网格数字水印的难点所在。
3.有更加丰富的攻击手段。和图像水印相比，三维模型受到的攻击要比对图像的攻击方法复杂的多。
4.表示方法不唯一。三维网格模型在多种格式间进行转换时，信息损失较大，这进一步增加了三维模型数字水印的困难。另外，与图像相比，三维模型的数据没有固定数值范围。对于图像，R、G、B分量的数字通常取[0，255]，而对三维模型，则没有这样的一个范围，因此在嵌入水印时强度系数的选择、阂值的确定更加困难。
5.没有明确的采样率的概念。三维表面模型中的数据，不具有像图像、音频、视频那样的方便的数学工具（如余弦变换、Fourier变换、小波变换等）可以使用。
所以在设计三维几何模型的数字水印算法时要考虑这个三维几何模型本身的特点、可能受到的攻击以及如何减少这些攻击对水印信息的影响等多方面的因素。
三维模型水印作为水印领域的一个新兴的研究方向，国内外学者围绕着3D模型数字水印对其做了许多探索性研究，他们的工作为从事CAD开发和研究的学者提供了许多新思路，开拓了新的研究领域，但分析表明还有许多未完成的工作，还存在一些问题。
一是目前提出的三维网格模型数字水印的嵌入算法，大部分存在着计算量大，嵌入与提取速度慢等缺点。同时，算法很少借鉴已有的音频、图像水印的研究思路和方法，尤其是变换域内的方法。
二是虽然非盲水印算法几近成熟，但是它们在当今的网络安全性条件下己经没有太大意义。而盲水印嵌入算法还很不成熟，由于3D网格的特殊性，盲水印嵌入算法很难做到对于所有攻击均具有高鲁棒性，因此离实际应用还要有很长的路要走。
三是随着3D网格压缩技术的不断发展，越来越多的3D网格以压缩的形式存储和传输。传统的空域与频域水印算法虽然对于压缩攻击具有一定的鲁棒性，但仍不能避免造成水印信息的损失。因此压缩域水印嵌入算法十分重要，然而它的发展还有待研究。
参考文献：
[1]Wat，A 《3D Computer Graphies》，2009年第3版。
[2]黄继武 谭铁牛 《图像隐形水印综述》 《自动化学报》2010年第26期。
[3]史烈 叶绿 黄向军等 《一种鲁棒的三维运动盲水印检测算法》 《浙江大学学报（工学版）》2011年第39期。
摘要：随着多媒体技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，对图像、音频、视频等多媒体内容的保护成为迫切需要的问题。数字水印技术作为版权保护和安全认证的有力工具，已得到了广泛的关注和发展。本文简要介绍了数字水印技术的原理，并基于该技术提出在WWW上的应用的版权认证方案。
关键词：数字水印 多媒体信息安全 版权保护 认证
1．引言
随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字式多媒体信息（图象、文本、音频、视频）的存储、复制与传播变得非常方便。人们不但可以通过互联网络和CD-ROM方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数据完全相同的复制品。但是由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题。据美国唱片行业协会（RIAA）估计，全世界每年因盗版而造成的经济损失高达50亿美元。美国电影行业协会（MPAA）则估计，盗版使美国电影业的年收入减少了25亿美元。因此，对多媒体内容的版权保护已成为亟待解决的问题。
目前的版权保护系统广泛采用对网络资源的访问控制机制，它通过本地网或广域网控制某些IP地址或终端的连接，限制某些用户的访问权限，从而有效地防止非法用户对计算机系统的访问。但是如果用户以合法账号得到多媒体信息，再对数据进行非法复制和传播，则安全访问控制机制就无能为力了。
传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证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，则信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。这样，数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。
2．数字水印技术的基本原理
关键词：mat lab；数字水印技术；图像；版权保护
中图分类号：TP309.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9599（2013）01-0090-02
数字水印技术作为一种信息隐藏技术，能在实现与数字签名相同作用的同时，保护媒体内容的真实性与完整性，在现阶段的版权保护工作过程中得到了较为广泛的应用。对于部分电子档案而言，是以图像的媒体形式显示与存储的。而随着影响网络安全因素的不断增加，为电子档案的安全造成了严重威胁。合理利用matlab数字水印技术能保护版权信息，提高电子档案的安全性。同时，利用matlab数字水印技术将版权信息嵌入图片内，能使媒体内容在出现版权争议时，提取出嵌在图片中的版权信息来解决争议，从而实现电子档案的版权保护。在此，笔者就mat lab数字水印技术实现图像版权保护问题进行以下探讨：
1 matlab数字水印技术简介
Matlab是Math Works公司推出的一款高性能的数据计算与可视化软件，具有数据分析、矩阵计算、信号处理以及图形显示等功能，营造出了一种操作方便、界面友好的用户环境，该软件目前在国内有着非常广泛的应用。同时，用MatIab来研究数字水印技术，更能丰富数字水印技术的功能，并且集成了丰富的工具。对于基于matlab的数字水印技术而言，具有以下基本特征：
1.1 不可见性
matlab数字水印技术能将一些具有辨别作用的信息嵌入文档、图象等多媒体数据中，在涉及到版权争议使，能将辨别信息提取出来，起到保护版权的作用。但对于所嵌入的辨别信息而言，是人们用肉眼所无法辨别的，即嵌入水印的图象与原始图象所带给人们的感觉是一样的。
1.2 鲁棒性
对一个含有水印的图象进行压缩、低通滤波、剪切等处理后，仍然能提取出图象中的水印。显然，这两种特点是一对互相矛盾的因素。但对于一个有效的水印算法而言，必须应考虑到这两种特征。
1.3 复杂性
matlab数字水印技术涉及到通信理论、编码理论、扩频技术、图象处理以及信号处理等技术，并且横跨密码学、计算机科学、通信等多种门类的学科，这两种因素的存在导致了matlab数字水印技术研究的难度与复杂性大大增加。
2 matlab数字水印技术在知识产权保护中的应用
2.1 确定媒体信息的归属权
电子图片、图像、视频、三维动画等媒体的保护工作是现阶段matlab数字水印技术应用最为广泛的一个方向。同时，水印又可分成主动式与被动式两种。对于被动式的水印而言，是借助数据隐藏原理在数字产品中嵌入版权标识，在媒体信息的传播过程中，人们可以提取水印来确定信息的所有权，并对媒体信息传播进行跟踪。同时，在任意情况下能将对可疑的、存在争议的媒体信息进行测试，以确定该媒体信息的归属权。
对于主动式的版权保护水印而言，多用于防止媒体信息的非法复制与下载。而在录放设备中运用matlab数字水印技术，能在录放设备工作时检测媒体上是否存在水印，进而决定媒体信息能否被录放，并拒绝非法的复制与下载使用。
2.2 用以防伪与鉴定
随着高质量图象输出、输入技术以及相对应设备的不断发展，一些高精度、高分辨率的打印机、复印机相继出现，给一些票据图象信息的伪造创造了有利的条件。而matlab数字水印技术能为各种票据的图象信息嵌入不可见的认证标志，能有效提升伪造的难度。目前。一些发达国家已经开始广泛研究用于票据防伪的数字水印技术，能够为护照、驾驶执照、身份证、货币等重要媒体图象信息提供永久的证明和鉴定。
2.3 隐藏数据标识
对于部分数据的隐藏标识而言，往往比标识信息具有更高的保密价值，如一些遥感图象的拍摄日期、经纬度、图片的公布日期、图象的地域标识等。对于部分数据而言，没有标识文件无法正常使用，而将这些重要标识信息标在图象信息上，又会面临着严重的信息安全威胁。而matlab数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，能够将原始图象文件上的标识信息隐藏，并且只有在运行相对应的特殊阅读程序的情况下才能读取图象信息。这种方法已经在遥感图像数据库中得到了广泛的应用，能将一个不可分割的、永久的标签与注释当成一个隐藏的水印嵌入数字图象中，同时还能够将一些其他的重要信息嵌入多媒体数据中来作为背景信息。
2.4 篡改提示
对于matlab数字水印技术而言，水印能用来检测宿主信号的真实性与完整性。对于现有的信号拼接与镶嵌技术而言，能够做到“移花接木”而不为人知。因此，如何防范对一些重要图象等媒体信息资源的篡改攻击是一个非常重要的研究课题。而对于matlab数字水印技术而言，具有篡改提示功能，能有效预防对图象媒体的篡改问题。在具体的应用过程中，通过判断隐藏水印的状态能判断图象信息是否已被篡改。但是对于这种方案而言，要求水印必须具有易碎性，这就导致了一些微小的图象媒体信息改变都可能会造成水印的破碎。为此，在今后的工作过程中，应家加强对于该项功能的进一步分析与研究，以有效确保图象等媒体信息的版权保护。
2.5 隐藏通信与保密存储
对于隐秘通信功能而言，是将一些秘密信息作为水印隐藏在公开的数据中，使监察系统无法察觉到特定信息的存在，从而实现重要信息的通信与保密存储。机密数据多是一些密码、文字以及图象信息，而被公开的数据信息多是一些普通的音频、图象或视频图象信息。例如可将一个航测飞机所测得的图象信息隐藏在一幅画中，将一个公司商标图象隐藏在一个Web网页的图像中。因对于被嵌入的媒体信息而言，在主观感觉上并未发生明显变化，这就很难觉察到秘密信息的存在，从而在很大程度上降低了媒体信息在传播过程中遭受攻击或被拦截读取的可能性。于此同时，如将密码学与水印技术相结合，能够使“敌方”在得知秘密信息存在的情况下，很难将其提取并破译，这就进一步提升了信息的安全性。
3 运用matlab数字水印技术实现图像版权保护
对于运用matlab数字水印技术实现图像版权保护工作的流程而言，包括以下几个方面：（1）图像载体分析。（2）图象预处理。该项工作的主要目的是将图象置乱，以达到相应的加密效果，这也是出于安全性所考虑的。（3）水印嵌入。为了确保算法的鲁棒性，应在图像的敏感地方嵌入水印，在水印信号被破坏的情况下，图像质量也会明显下降。但为了确保嵌入水印的隐蔽性，应确保水印的嵌入不对图像质量造成严重影响。（4）算法的效果分析。该阶段的工作是对水印的嵌入情况以及保护效果进行综合分析，以最终实现图像版权的保护。
4 结束语
综上所述，matlab数字水印技术作为一种新型的信息隐藏技术，在媒体信息版权保护过程中发挥着非常重要的作用。但就现阶段情况而言，对于该项技术的研究还不太成熟，在此应用过程中仍然面临着一系列的问题。为此，在今后的工作过程中，应加强对matlab数字水印技术的研究，对该项技术进行不断完善与优化，以切实促进对图像等媒体信息的版权保护。
参考文献：
[论文摘要]电子商务的迅速发展，使电子商务安全问题不容忽视。从数字水印技术的信息隐藏、不可见性，鲁棒性，安全性等特点出发，把数字水印技术应用到电子商务安全保护中，解决电子商务安全中的数字作品版权信息验证，电子票据保护，身份鉴别、篡改提示等问题。
互联网技术的日新月异，使电子商务的发展变得更加迅猛。同时网络中一些不可预料的危险环节，也使电子商务安全问题成为人们关注的焦点。传统的认证和访问控制技术、密码技术并不能全面解决电子商务安全问题，所以一种新兴的信息安全技术——数字水印技术被应用到电子商务中。
一、数字水印定义、功能及原理
数字水印是信息隐藏技术的重要分支。所谓数字水印（DigitalWatermarking）是指嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)中的数字信号，它可以是图像、文字、符号、数字等所有可以作为标识的信息。数字水印既不影响原始载体的正常使用及存在价值，也不容易被人感知。
通过隐藏在载体中的标识信息即数字水印，可以达到验证和确认内容提供者、购买者、隐藏信息或判断载体是否被篡改等目的。
数字水印算法的原理大都相同，即对时（空）域或变换域中的一些参数进行微小的变动，在某些位置嵌入一定的数据，生成数字水印，当需要检测时，从载体中提取水印，与原水印进行比较，检测水印是否被篡改等。近年来研究者从不同角度提高和改进数字水印算法，其实都是以提高水印的鲁棒性为目的的。
典型的数字水印算法有以下几类：空域算法，变化域算法，压缩域算法，NEC算法，生理模型算法等。
二、数字水印的特点和分类
根据数字水印的定义及功能，可以看出数字水印具有以下几个特点。
不可见性：数字水印作为标识信息隐藏于数字作品中，对拦截者而言，应不可见。
安全性：数字水印应当具备难以篡改或伪造的要求，并应当具有较低的误检测率和较强的抵抗性
鲁棒性：在经过多种信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性及检测的准确性。
脆弱性：能直接反映出水印是否遭受篡改等。
根据不同标准，数字水印分为以下几类。
按照水印特点划分：鲁棒性水印和脆弱水印。
按照水印隐藏位置划分：时域数字水印、空域数字水印、频域数字水印等。
按照水印检测过程划分：明文水印和盲水印。
按照水印是否可见划分：可见水印和不可见水印。
按照水印内容划分：有意义水印和无意义水印。
当然，数字水印还可以按照用途、水印载体等多种方式来划分成更多的小类，这里不再一一列举。三、数字水印技术在电子商务中的应用
数字水印技术在电子商务中的应用集中表现在电子商务安全保护问题中。电子商务安全可以分为网络安全和信息安全。网络安全复杂且受多种因素影响，要解决电子商务安全问题，必须把信息安全作为问题切入点。
目前，电子商务信息安全方面已经使用到了加密技术，安全认证技术等多种安全保护技术，但仍有部分问题得不到解决。
首先，电子商务中数字作品的版权保护问题。在知识产权体系日益完善的今天，版权问题已经成为人们关注的焦点问题，也是数字作品提供者必须正视的问题。研究者试图寻找一种方法，既不损害原作品，又达到版权保护的目的，于是，与传统水印功能几乎相同的“数字水印”被应用到电子商务中。数字水印技术利用信息隐藏原理使版权标志不可见或不可听，“悄然”存在与数字作品之中。
目前应用数字水印来解决版权保护问题多用在软件作品中，比较著名的就是IBM公司的“数字图书馆”软件的数字水印功能，以及Adobe公司的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。
其次，电子交易中的电子票据的防伪问题。随着商务活动电子化和自动化的转变，许多交易活动都转变为电子交易，其中电子票据的安全保护变得犹为重要。数字水印技术可以在交易双方的电子票据中嵌入交易时间和签名等认证信息，使交易过程具有不可抵赖性。而且数字水印技术在电子票据中隐藏了不可见的标识信息，无形中也增加了不法分子伪造篡改票据的难度。水印还具有法律效力，可以在交易出现法律纠纷时，作为证据使用。
还有，身份验证信息的真伪鉴别问题。目前，用于信息安全的加密技术对于电子形式的身份验证信息具有良好的保护功能，但无法作为书面凭证进行鉴别。而通过使用数字水印技术，把电子身份验证信息隐藏到普通的凭证图像当中，使身份凭证具有不可复制和不可抵赖等特性，实现了电子信息和书面信息的双重保护。
重要标识信息的隐藏和篡改提示。许多交易作品的使用必须依赖作品中一些标识信息，如果直接把此类信息标注在原始作品上，会引起一些不必要的麻烦，而利用数字水印技术就可以把重要信息隐藏在原始作品中，通过特殊的阅读程序（水印检测工具等）来读取。数字水印技术还可以用于数字信号的篡改提示，通过水印的状态来检测数字信号是否遭到篡改。
通信过程的信息隐藏。用于信息安全保护的常用方法是对数据进行加密，这样往往更容易引起攻击方的注意，从另一个角度出发，在人类视觉、听觉等无法感知的范围之内，对各种时（空）域、变换域进行微小的改变，从而实现信息隐藏，达到通信过程信息安全保护的目的。
四、结束语
数字水印技术作为一种新兴的安全保护技术应用到电子商务中，表现出其显著的作用和功效，因为区别于传统的数据加密技术或安全认证技术，为信息安全保护领域带来了新思路。但是，由于目前数字水印技术本身并不完善，应用到电子商务中还存在很多实际的问题。例如，水印检测的简便性，水印的鲁棒性，等等，这些也将作为研究者进一步努力的方向。
参考文献：
关键词： 相位恢复算法； 数字水印； 全息图二值化； 盲检测
中图分类号： TN919?34； O438 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0085?04
0 引 言
数字水印技术是信息安全研究领域的重要分支，已成为目前数字产品版权保护研究的热点。基于信息光学理论的数字水印技术具有高鲁棒性、大容量、高加密维度、高处理速度等特点，近年来得到广泛关注与重视[1?6]。2002年，日本学者Takai和Mifune最早提出利用全息技术，将二维数字全息图作为待嵌入的水印信息的方法[7]。Chang等改进了这个方法，提出在离散余弦变换域嵌入数字全息图的技术[8]，实验表明全息水印具有良好的抗剪切能力。陈大庆等提出了基于相位恢复和数字全息技术的图像水印方法[9]，该方法采用相位恢复算法将得到高对比度的全息图，具有很好的稳健性。
以上方案嵌入的全息图均为灰度图，信息量较大。相同条件下，在宿主图像中嵌入的水印信息量越大，水印的透明性和鲁棒性就会相对越差。因此为了减少嵌入信息量，进一步提高全息水印的实用性，2011年，李国明等提出在计算出数字全息图的基础上，进一步对全息图进行二值化，将二值化后的全息图作为水印嵌入载体图像中[10]。但由于直接对全息图二值化，对全息图本身是一种破坏，损失了一定的全息信息，再现像质量有所下降。在上述方案的基础上，本文提出一种基于相位恢复算法的计算全息图二值化改进方法。该方法采用相位恢复算法将水印信息编码为虚拟入射物波的纯相位函数，同模拟参考光波发生干涉，得到对比度很高的计算全息图，二值化后作为待嵌入的水印信息。仿真实验证明改进方法具有更好的鲁棒性。
1 计算全息图二值化
1.1 传统傅里叶计算全息图二值化
将水印图像的灰度值[m（x，y）]作为物光波的振幅，并通过一个[-π，π]范围内的随机相位模板调制，以达到平滑傅里叶谱的目的。物光波复振幅为：
[o（x，y）=m（x，y）exp[iφ（x，y）]] （1）
其傅里叶变换为：
[O（ξ，η）=o（x，y）exp[-2πi（ξx+ηy）]dxdy] （2）
然后同参考光相干涉，设参考光表达式为：
[R（ξ，η）=R0exp[2πi（aξ+bη）]] （3）
式中a，b是空间频率， 决定参考光波的传播方向。相干后的光场分布为：
[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、二项为全息图的晕轮光和中心亮点，对再现像的质量有很大影响，可以通过计算参考光和物光的功率谱密度加以去除。
[H（ξ，η）=O*（ξ，η）R（ξ，η）+O（ξ，η）R*（ξ，η）] （5）
式（5）可用来恢复原始像及共轭像，对[H（ξ，η）]进行二值化，并制作二值全息图。
全息图的再现是用照明光的表达式与全息图相乘，并通过傅里叶逆变换得到再现像的光强分布。为简化计算，假设照明光波振幅为1，相位为0，傅立叶逆变换得到的重构图像为：
[oR（x，y）=H（ξ，η）exp[2πi（ξx+ηy）]dξdη] （6）
将式（3），式（5）代入式（6）就可以得到重构光场为：
[oR（x，y）=o（x-a，y-b）+o*[-（x+a），-（y+b）]] （7）
适当地选择a，b的值，使原始像和再现像分离。
图1为128 pixel×128 pixel原始信息经过传统傅里叶全息法得到的二值化全息图及其再现像（经二值处理），可以明显看出，再现图像质量有所下降。
1.2 基于相位恢复算法计算全息图以及全息图二值化
相位恢复算法是一种通过已知光场强度来确定相位分布的技术，包括GS算法、POCS算法、HIO算法等。GS算法的原理图如图2所示，通过在空间域和频域之间进行傅立叶正反变换来回迭代，并在空间域和频域中分别应用空间域和频域约束限制条件，具体步骤概括为：
（1） 给定一个初始随机相位[?（x0，y0）]（取值范围为[-π，π]），乘以物光波振幅[m（x，y）]，构成入射波复函数[f（x，y）]，并对[f（x，y）]做傅里叶变换，得到频谱函数[F′（μ，ν）]。
（2）引入频域限制条件，去除振幅信息，只保留[F′（μ，ν）]的相位部分[F（μ，ν）]，对其做傅里叶逆变换得到[f′（x，y）]。
（3）运用空域约束条件，取[f′（x，y）]的相位部分与物光波振幅[m（x，y）]构成新的入射波函数，并进入下一次循环。
（4）重复以上过程，直到[f′（x，y）]与期望值[m（x，y）]的差异小于预设值为止。随着迭代次数的增加，输出函数逐渐收敛，最终得到所需要的相位信息。设最佳相位分布为[F（μ，ν）]，以上过程可用公式表示为：
[FT{m（x，y）exp（i?（x，y））}=F（μ，ν）=exp（jψ（μ，ν））] （8）
采用大小为128 pixel×128 pixel的黑白太极图案，同等条件下，传统傅里叶干涉全息和相位恢复法计算全息图对应的灰度直方图如图3所示，可发现传统方法灰度值相对集中，相位恢复算法得到的全息图灰度值分散且具有更高的对比度。所以经过相位恢复算法后的二值全息图比传统傅里叶二值全息图损失的信息量更少，大大提高了再现像的质量。
图4为相位恢复算法二值化全息图和对应的再现像。可以明显看出，该方法比传统傅里叶二值全息图的再现像质量有很大改善。
2 全息水印的嵌入和提取
采用上文的二值全息图作为待嵌入的水印信息，为了提高水印的抗压缩能力，将水印嵌入在宿主图像离散余弦变换（DCT）域中。DCT变换是正交实变换，它有良好的能量压缩能，考虑到人眼对高频成分的失真不太敏感，而压缩、滤波等操作主要破坏高频信息，将水印信息嵌入到宿主图像DCT系数中低频成分上。
2.1 嵌入算法
设原始载体图像[X]是[N1×N2]像素的灰度图像，水印图像[H]是[M1×M2]像素的二值全息图，水印嵌入原理图如图5所示。
具体的嵌入步骤如下：
（1）通过逐行扫描，将二值水印信息[H]转化为一维水印序列[W]：
[W={w（i）=0 or 1 ， 0≤i
（2）采用Logistic方程产生混沌序列，对[W]进行混沌置乱加密。消除了水印像素之间的空间相关性，并提高了水印的抗剪切能力。同时将Logistic方程的初始值作为密钥，提高了水印的安全性。
在非线性系统中，混沌是普遍存在的现象，混沌序列具有对初始条件和微小扰动的高度敏感性、非收敛性、非周期性、运动轨迹的遍历性、随机性和类似噪声等特点，这些特点使得混沌序列广泛应用于水印的加密。
最典型、应用最广泛的产生混沌序列的方法是Logistic映射方法。Logistic映射形式定义如下：
[xk+1=μxk（1-xk）] （10）
式（10）中，初始值[x0∈（0 ，1）]且[x0≠0.25 ，0.5， 0.75]。当[μ=4]时，系统工作于完全混沌状态，[X]在[（0 ，1）]内遍历。混沌状态对初始值极其敏感，所以取不同的初值，可以得到不同的结果，将[x0]的取值作为密钥。对于一维水印序列[W]，通过以下步骤实现空间置乱：
①选取初始值[x0]，产生一个一维混沌序列[m（i）]，其元素个数为[M1 ×M2]的整数倍；
②将[m]序列按照公式（11）进行预处理，使得[m]序列转化为一个整数序列，且[m（i）∈[1 ， M1 ×M2]]；
[m（i）=ceilm（i）×M1 ×M2] （11）
③从[m]序列第一个元素开始，按照下述公式对水印序列置乱，其目的是根据[m]序列，将一维水印序列[W]中的对应位置元素对调。
[a=W（i） ；W（i）=Wmodm（i） ， M1 ×M2+1； Wmodm（i） ， M1 ×M2+1=a] （12）
（3）将宿主图像按照像素8×8分块，并对各个分块作DCT变换。
（4）利用Matlab软件生成两组取值较小、相关性很小且服从高斯分布的一维四位随机序列[K1]，[K2]。
（5）分别计算原始载体图像每个分块的方差，根据方差的大小线性调整水印在各个分块上的嵌入强度。逐个读取置乱后的一维水印序列，若[w（i）=1]，嵌入[K1]；否则，嵌入[K2]，按照加法准则将水印信息嵌入到各个分块的中低频系数上。
2.2 提取算法
水印提取就是水印嵌入的逆过程。首先，将含有水印的图片8×8离散余弦变换，读取嵌入水印部分的DCT系数；然后，分别检测出其与[K1]，[K2]的相关性，比较大小，得到一维二值序列；最后，利用密钥，反置乱，并最终还原为二维二值全息图。通过傅里叶反变换或者光学再现，就可得到原始的水印信息。在提取全息水印时无需原始宿主图像，实现了水印的盲检测。
3 仿真实验
通过Matlab软件仿真验证了本文所提出的全息二值水印方法的稳健性，并且进一步跟传统傅里叶全息二值水印进行对比，验证该方法的优越性。
3.1 水印的嵌入和提取
采用上文制作的128 pixel×128 pixel太极图案的相位恢复算法二值全息图作为待嵌入的水印信息。宿主图像采用512 pixel×512 pixel的灰度Lena图，如图6（a）所示。图6（c）为相位恢复算法的二值全息图，进行混沌置乱后嵌入宿主图像DCT域的中低频区域，图6（b）为嵌入水印后的图像。图6（d）为提取的二值全息图，通过计算机或光学全息再现可得到清晰的原始信息，如图6（e）所示。
3.2 与传统傅里叶全息二值水印的对比试验
为了验证相位恢复算法二值全息水印对各种图像处理方法的抗攻击能力，在相同的嵌入条件下与传统傅里叶全息二值水印方法进行对比。采用峰值信噪比（PSNR）来客观评价嵌入算法对宿主图像的影响。采用归一化互相关系数（NC）定量衡量水印的原始信息和提取信息的相似度。
JPEG压缩对比实验如图7所示。图7（a）～（c）是压缩质量分别为80，70，60时，传统傅里叶全息二值水印法的水印再现像，图7（d）～（e）是本文方法的水印再现像。表1是两种方法对比实验的PSNR和NC。可以看出，在相同嵌入条件下，两种方法的PSNR相近，说明这两种方法的JPEG压缩效果相近，而本文提出方法的NC系数优于传统傅里叶全息二值水印方法。
剪切对比实验。把含水印图像分别切掉10%～40%，然后提取水印信息，结果如图8所示。图8（a）～（d）是传统傅里叶全息图二值水印法的结果，图8（e）～（h）是本文全息二值水印法的结果。表2是两种水印方法剪切对比实验中提取出的水印信息的归一化互相关系数（NC）。可见本文方法具有更好的抗剪切能力。
4 结 语
本文提出了一种基于相位恢复算法的二值全息水印方法，该方法采用相位恢复算法得到高对比度全息图，再将该全息图二值化，大大减少了传统傅里叶全息图直接二值化造成的信息丢失，改进了全息二值水印技术。在宿主图像子块离散余弦变换域的中低频部分嵌入水印，由于水印是二值化的全息图，因此具有较大的水印嵌入量。提取水印时无需原始宿主图像参与，实现了盲检测。通过仿真实验证明，与传统方法相比，本文方法具有更好的稳健性。该方法能够成为数字产品版权保护的有效方案。
参考文献
[1] 张静娟，史伟诗，司徒国海.光学信息隐藏综述[J].中国科学院研究生院学报，2006，23（3）：289?296.
[2] KISHK S， JAVIDI B. Watermarking of three?dimensional objects by digital holography [J]. Optics Letters， 2003， 28（3）： 167?169.
[3] SEO D H， KIM S J. Interferometric phase?only optical encryption system that uses a reference wave [J]. Optics Letters， 2003， 28（5）： 304?306.
[4] OKMAN O E， AKART G B. Quantization index modulation?based image watermarking using digital holography [J]. Opt. Soc.， 2007， 24（1）： 243?252.
[5] 尉迟亮，顾济华，刘薇，等.基于数字全息及离散余弦变换的图像数字水印技术[J].光学学报，2006，26（3）：355?361.
[6] 孟祥锋.基于迭代相位恢复算法和相移干涉术的光学信息安全技术的研究[D].济南：山东大学，2008.
[7] TAKAI Nobukatsu， MIFUNE Yuto. Digital watermarking by a holographic technique [J]. Applied Optics， 2002， 41（5）： 865?873.
[8] CHANG H， TSIAN T. Image watermarking by use of digital holography embedded in the DCT domain [J]. Applied Optics， 2005， 44（29）： 6211?6219.
[关键词]数字水印数据安全多媒体
一、引言
随着计算机和网络技术的飞速发展，特别是因特网的普及，信息的安全保护问题日益突出。此外，多媒体技术已被广泛应用，数字图像、音频和视频等多媒体数字产品愈来愈需要一种有效的版权保护方法。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。
二、数字水印特征及分类
所谓数字水印技术，就是在被保护的数字对象（如静止图像、视频、音频等）中嵌入某些能够证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，这些信息可能是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。水印中的隐藏信息能够抵抗各类攻击。即使水印算法是公开的，攻击者要毁掉水印仍十分困难。将某种不可感知的信息如数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权保护、秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用。在发生数字媒体侵权使用、版权争议时，通过检测媒体内容中的数字水印，获得数字媒体的版权信息、授权信息等，从而起到媒体知识产权保护的目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。
1.数字水印特征
嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：
（1)不可感知性:在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。
（2)隐藏位置的安全性:水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。
（3)鲁棒性:所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。
（4)隐藏的信息量:嵌入的秘密信息必须能够具有足够多的信息。实际上，隐藏的信息与系统的鲁棒性是矛盾的，即嵌入的秘密信息越多，鲁棒性就越差。
2.数字水印分类
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。
按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码;无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。
按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。
票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。
版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。
篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。
隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。
三、数字水印的应用领域
1.数字作品的知识产权保护
数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。
“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。
2.商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。
3.证件真伪鉴别
信息隐藏技术可以应用的范围很广，作为证件来讲，每个人需要不只一个证件，证明个人身份的有：身份证、护照、驾驶证、出入证等；证明某种能力的有：各种学历证书、资格证书等。
国内目前在证件防伪领域面临巨大的商机，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“买假”、“用假”成风，已经严重地干扰了正常的经济秩序，对国家的形象也有不良影响。通过水印技术可以确认该证件的真伪，使得该证件无法仿制和复制。
4.声像数据的隐藏标识和篡改提示
数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。
5.隐蔽通信及其对抗
数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。
网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时（空）域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。
四、数字水印的发展趋势
虽然数字水印技术最初的开发目的是为了解决数字媒体的版权保护问题，然而在实际的研究中，数字水印的应用领域远远超出了版权保护领域；同时，由于目前数字水印技术难以解决的串谋攻击、机会攻击以及解释攻击问题，使得数字水印在版权保护、访问与拷贝控制、数字指纹等方面的应用受到了很大的限制。因此，许多研究者正致力于上述问题的解决，如果这些问题得到解决，数字水印则极有可能成为媒体安全领域的重要的技术基础。但从目前的发展来看，利用数字水印技术进行数字广播监听、媒体内容认证、小范围内媒体使用跟踪等方面则更加实际可行，而且也是非常有意义的，并且在这些领域已经开始实际使用与测试。此外，数字水印技术还可以用于提供媒体增值业务，如提供数字媒体相关内容的因特网链接、隐藏水印信息在数字媒体中以降低媒体传输造成的错误。
参考文献:
关键词：数字水印；性能评估；不可感知性；鲁棒性；水印容量
中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：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
随着科学技术和计算机网络的快速发展，形式多样的数字产品已经与人类生活相融合。数字作品极易被复制的特性，使得产品的版权保护和服务认证面临着日益严峻的挑战。数字水印是版权保护的一种有效手段，利用数字作品中存在的数据冗余和数据随机性把版权信息嵌入到数字作品本身，以保护作品版权。其基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息以保护数字产品版权，可以证明产品的真实性，实现跟踪盗版行为和提品有效信息等功能，数字水印是目前保护数字作品版权的一种有效可行的技术手段。
1 数字水印的特性
数字水印已经成为多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术之一，受到国际学术界和企业界的高度关注。不同的应用对数字水印系统的要求不尽相同，对数字水印系统的特性理解也会随之变化。一般认为数字水印系统应具有如下特点:
1）不可感知性：又称不可见性，水印的存在不应明显干扰原始载体图像的数据，不得使原始数据发生可感知的变化，也不能使得原始载体数据在质量上产生能够感觉得到的失真。
2）鲁棒性：即稳健性，是数字水印技术的重要指标。数字水印必须在一般的信号处理操作(如A/D转换、D/A转换、滤波、平滑、图像增强和有损压缩等)和一般的几何处理操作（如旋转、裁剪、缩放等）之后，仍能够保持数据完整性或仍能被准确识别。
3）水印容量：在数字图像水印系统中，水印容量是指一幅数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。在考虑鲁棒性和不可感知性的情况下，应尽量在载体中嵌入更多的信息。
4）可证明性：数字水印应该为相应数字产品的版权信息提供完全可靠的证据，并能够监视被保护数字产品的传播、有效鉴别真伪以及控制非法复制等。
5）安全性：指数字水印嵌入算法应具有较强的抵抗攻击能力。在水印不被破坏的前提下，可以承受一定程度的人为攻击。甚至在理想情况下，非法的用户将不能检测到产品中是否含有水印。
2 数字水印的性能评估
数字水印技术由数字水印算法设计和数字水印性能评估两部分组成。数字水印算法设计只是整个水印技术的一半，必须对算法作性能评估，并且进行实验验证才能真实地评估水印算法的优劣，得出客观的性能评估结论。由此可知，数字水印的性能评估对水印算法的研究至关重要。
2.1 数字水印性能评估一般步骤
目前，数字图像水印的性能评估还没有统一的步骤，在此介绍一般的测试过程。测试过程中把整个水印的嵌入和提取看成一个黑匣子，将标准的测试参数作为输入，然后观测各种输入下的性能指标输出，以一种统一的方式得到输出结果。测试过程如下：
1）在保证视觉质量的前提下，以最大的强度嵌入水印。即嵌入水印使得对于某一给定的质量度量而言，嵌入水印的图像质量大于某一给定的下限。
2）对嵌入水印的图像进行一系列攻击。
3）对每种攻击，进行水印提取，判断提取是成功还是失败。
对每幅图像都重复上述过程。
2.2 数字水印性能评估方法
不可感知性、鲁棒性和水印容量是数字水印最重要的三个特性，数字水印性能评估主要侧重于这三个特性。数字图像水印算法要求在视觉没有感觉到失真的情况下，嵌入尽可能多的水印信息到载体图像中。数字水印的鲁棒性由水印嵌入强度和嵌入的信息量决定。嵌入的强度越大鲁棒性越高，嵌入的信息量越大鲁棒性越低，这两者之间要有一个平衡。对水印算法的评价和比较要仔细权衡水印的不可感知性和鲁棒性之间的关系。
2.2.1 主观评估
图像质量的主观评价是指采用目视观察和主观感觉评价图像的质量。主观评估反映的是人对图像质量的直观感受，对最终质量评估是有意义的。然而在实际应用中，不同的人对水印图像的主观评价会产生很大差异，并不实用。主观评估包括两个步骤：1) 划分数据等级。2) 测试者根据失真程度进行打分。一般依据ITU-R Rec.500质量等级级别，如表1所示。
表1 ITU-R Rec.500质量等级
2.2.2 客观评估
图像质量的客观评估是指提出某个或某些定量参数和指标来描述图像质量。主观评估的不精确性，并且由于客观评估的测量结果不依赖于主观感觉，可以作为定量评价的标准，客观评估在数字水印性能评估中占有十分重要的地位。常用的客观评估指标主要有：峰值信噪比、均方误差、信噪比、平均绝对差分、拉普拉斯均方误差等。下面列举数字水印常用评估指标：
1) 峰值信噪比（PSNR：Peak Signal-to-Noise Ratio）
图像在经过压缩之后，一般都会出现与原始图像某种程度的不一样，峰值信噪比是广泛使用的评价图像质量的客观度量法。一般可以参考峰值信噪比来衡量处理后的图像质量，定量评估含水印图像的质量。大量实验表明，保证PSNR值大于38dB是水印不可见性的基本要求。而且PSNR越大，被检测图像与原始图像越相似，水印的不可见性越好。对于大小为M×N的二维图像，I表示原始载体图像，I’表示含水印图像，则计算PSNR的公式如下：
2)归一化相关系数（NC：Normalized Correlation）
数字图像水印技术一般通过NC系数来估从待检测图像中提取的水印和原始水印之间的相似程度。NC系数取值介于0和1之间，大量实验结果表明，当NC系数大于或等于阈值0.75时，提取出的数字水印大多数可以为人眼直接辨识，可视为有效数字水印。而当所得NC系数小于阈值0.75时，可视为无效数字水印。NC系数越大，说明提取出的水印和原始水印越相似，水印的鲁棒性越好。W(i,j)表示原始水印，W(i,j)表示提取出的水印，NC的计算公式如下：
峰值信噪比与归一化互相关系数是最常用的客观评价标准，其它经常用到的基于像素的图像质量评测方法如表2示。
表2 其它常用的基于像素的图像质量评测公式
3 结语
目前，数字水印性能评估的研究相对滞后于数字水印算法的研究，虽然国内外的很多学者和相关研究人员在数字水印性能评估方面取得了一些成就，但只是初步探索。建立更具客观性、全面性的数字水印性能评估系统，还需研究和解决很多问题。目前，迫切需要解决的问题有：如何建立完整、统一的数字水印性能评估步骤，完善、规范的评估标准以及兼容的评估系统。针对没有统一的水印评估标准的问题，欧盟的Certimark计划已经启动，表示未来会建立统一的水印测试标准。数字水印性能评估对水印算法的研究非常重要，本文提出了数字水印的不可感知性、鲁棒性、水印容量等几项性能指标，并且对数字图像水印的性能评估从不同的角度进行研究，对数字水印性能评估及标准的建立起到了较好的的指导作用。
参考文献：
[1] 朱香卫,肖亮,吴慧中,等.数字图像水印性能评估指标的研究[J].通信技术,2009(1):256-258.
[2] 吴爱弟,崔英俊,刘赛君.数字水印技术及其应用综述[J].天津工程师范学院学报,2007(1):12-16.
[3] 赵翔,郝林.数字水印综述[J].计算机工程与设计,2006(11):1946-1950.
[4] 朱香卫.静止图像鲁棒性数字水印算法与性能评估方法[D].南京:南京理工大学,2007.
[5] Petitcolas FAP, Anderson RJ.Evaluation of copyright marking systems[J].Proc of IEEE Multimedia Syst,1999,(1):574-579.
[6] 陈涛.基于DCT域的数字图像水印算法研究及应用[D].山东:山东师范大学,2011.
[7] 马秀莹,林家俊.数字水印系统性能评价研究的现状与展望[J].计算机工程与设计,2009,30(22):5233-5238.
[8] 李文.数字图像水印攻击与性能评估[J].科技创新导报,2010(35).
[9] 祁云平,马慧芳,佟雨兵,等.基于PSNR与SSIM 联合的图像质量评[J].计算机应用,2007,27(2):503-50.
[10] 朱建忠.信息隐藏技术及应用研究[J].福建广播电视大学学报,2007(3):65-69.
关键词： 数字水印；攻击；安全
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110223-01
多媒体技术的快速发展，使得很多企业的发展都得到了便利，发展的阶段开始转向信息化时代，但是使用广泛的网络技术也带来了一定的安全问题，网络安全问题比比皆是，对于声像数据也是一样的，所以对其要进行加密，认证和版权保护这些错误，以保证其不被盗版等。数字化的声像数据的根源就是数字信号，这类数据的密码加密方式常常被用来进行安全管理，但是对其本身具备的信号属性，却经常被研究者忽略，这些年研究人员对于传统密码学技术路线选择了放弃，开始隐藏声像数据或是对其加密的方法来尽心应用，这种方法对于多媒体来说就是数字水印技术的应用。
1 数字水印设计原理
一般而言，根据信号处理科学的分析，对于载体作品水印的嵌入是从强信号下增到一层的弱信号，对于水印的信息增强，只要能够弱于人的视觉和听觉感知，人们对于水印信号的存在就无法感知，因为人类的视觉和听觉感知都被很多条件所限制，比如空间，时间和频率特性等条件。所以调整载体作品，加上水印，能够在人类没有感知的情况下给与作品一定的版权安全。从数字通信角度来看，嵌入水印就是在宽带的信道上传递一个窄带的信号，通过扩频技术将其嵌入，因为水印信号本身的能量就很小，所以宽带信道上任何的频率上都得到分布后，就更加无法被检测了[1]。水印检测系统工作原理如图1。
2 数字水印的特性
1）有效性。有效性是指嵌入器的输出被水印化的机率，即作品嵌入水印后检测器能检测到水印的机率。嵌入了水印，如果检测不到信号，有两方面的原因。一种是检测器设计有问题，如有的验钞机把假币验成真的，把真币验成假的。一种是水印技术本身的原因，如嵌入信息太少。
2）保真度。带水印的作品和不带水印的作品在人们眼中和感觉上的相似程度。有效性与保真度是冲突的，不同用户选择不同方案。对于一幅作品的销售商，希望允许一定程度的失真，以获得100%的有效性。而对于作者，则希望作品具有100%的真实性。
3）数据的有效载荷。数据的有效载荷是一个作品中水印编码的比特数。一个作品中水印编码少于数据的有效载荷，水印检测不出来。不同作品，要求数据的有效载荷不同。音乐作品要求每分30比特，视频作品要求每分1.2比特。水印的编码长度与其能嵌入的信息条数成正比，编码长度为n比特的水印可嵌入2n条不同的信息[2]。
4）鲁棒性。所谓鲁棒性，就是作品被正常处理或是操作以后，水印就可以被检测，这些处理或是操作一般就是压缩图像，平移图像，旋转图像，复制和录制视频等。
3 数字水印分类
1）按内容分类。无意义水印和有意义水印是按照数字水印内容来进行的分类。所谓有意义水印，就是水印自身就是某个数字音频的片段编码，优势在于水印一旦被攻击而形成破坏以后，人们可以观察和确认到是否有水印。无意义的水印就是一个序列号，在序列号里应用信号，那么解码后，水印序列一旦有错误，就要用统计分析来确定信号里的水印是否存在，这样就给检测带来了麻烦，而且程序较为复杂[3]。
2）按特性分类。水印的分类按照其特性分类又可以分为脆弱数字水印，鲁棒数字水印。一般而言，后者主要是在数字作品中得到应用，比如作者号和作品序号等等，这就要求水印要进行各种操作，这就是水印的鲁棒特性，要经过很多的操作才能进行完整的嵌入，而脆弱数字水印则在保护作品完整性中经常被应用，他的优势是人们通过水印的状态就可以判断数据有没有被改过，其状态非常的敏感，对于信号的变化也能做出敏锐的反应。
3）按用途分类。水印按照其用途可以分为，票据防伪水印、篡改提示水印、版权保护水印和隐蔽标识水印四种类型。票据防伪水印在电子票据防伪和打印票据中经常使用，主要是对于快速检测的便利性很强，票据防伪的水印算法上比较简单，这样才能被广泛使用。篡改提示水印是主要就是为了能够对于宿主信号的真实性和完整性进行标志，也属于脆弱水印，比较敏感。版权标识水印研究中，数字水印是研究最多的一类，因为他既是作品的标识也是一种商品，所以具有双重属性，这种双重属性对于版权标志是有着很重要的作用的，鲁棒性和隐蔽性都能够发挥，而且对于数据量的要求又不高，所以这种水印应用非常的广泛。隐蔽标识水印的作用是将需保密数据的标注隐藏起来，对非法用户对保密数据的使用进行限制。
4）按水印隐藏的位置分类。按数字水印的隐藏位置，可以将其分为变换域数字水印和时域数字水印。变换域数字水印是在小波变换域、时/频变换域和DCT变换域上隐藏水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息[4]。
4 数字作品的安全性
1）保障数字作品安全的困难性。一是低廉的复制代价。传统艺术品例如绘画、书法、雕塑等的复制，是需要技术非常专业的，而且技术性非常强才能够完成，但是对于数字作品来说，复制就非常的简单，而且可以大批量的复制，衣服花费很长时间的绘画作品，只要上传，就可以短时间被无数次的拷贝，有时候甚至复制者和原创者都无法分辨，所以低成本的复制导致了电脑影像作品非常泛滥的被复制出来，同时给追查侵权行为造成了困难。二是司法鉴定的困难。传统艺术品和纸质文书很难被辨别出来，所以司法鉴定方面的解决方案也没有能够出来，长期没有该类技术导致了艺术品市场的混乱，如纸张鉴定、笔迹鉴定等都没有司法意义上的鉴定[5]。这就是数字作品即便侵权，在知识产
权执法过程中没法取证，这成为了一个很棘手的问题。三是篡改方便，传统艺术品的更改是很困难的，但是数字作品就不同，他可以接收编辑处理，那么对其进行更改就非常的容易，所以也就有了侵权行为，而且不断的增多。
2）保障数字作品安全的方案。针对不同的水印攻击，应采用不同解决方案。
对于二次水印攻击，需要综合运用多种数字水印技术防范。安全的数字水印技术是公开算法的，其安全性依赖于产生水印的密钥，但公开算法会导致技术的失控。每一个能够读懂水印算法的人，都可以在隐藏了水印的数字作品里加入自己的水印，导致权利信息标识的混乱。解决这种二次水印问题，需要综合运用多种数字水印技术来控制[6]。
对于拼接攻击，只能采用增加数字水印编码元素的方式进行抵抗。网页资源的盗用者将盗取的数字声音或图像分成若干小文件，然后在网页上拼接起来，这样虽然不影响听觉和视觉效果，但对大多数数字水印算法都构成了威胁。抗拼接攻击的数字水印在编码时会存在一定冗余数据，而冗余数据太多会影响水印本身的信息量。
对于多图平均攻击，可以采用“基于内容”的数字水印[7]。如果攻击者获得了含有水印的数字作品的多个拷贝，他可以对这些复制作品进行平均操作，利用水印随机性去除水印。抵抗多图平均攻击的方法是采用“基于内容”的数字水印，使媒体数据与数字水印有一定程度的相关。
5 总结
数字水印是通过有一个强信号（或宽带信道）叠加一个弱信号（窄带信号）实现。它具有保真性、有效性、鲁棒性等特性。而数字作品由于其低成本的拷贝和篡改，安全保障比较困难，必须通过综合运用多种数字水印技术来控制。
参考文献：
[1]王丽娜，信息隐藏技术与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[2]王炳锡、陈琦、邓峰森等，数字水印技术[M].西安：西安电子科技出版社，2003.
[3]IngemarJ.Coc等.王颖、黄志蓓译，数字水印[M].北京：电子工业出版社，2003.
[4]杨义先，数字水印理论与技术[M].北京：高等教育出版社，2006.
[5]刘传才、傅晓菲，DCT域中DC分量上嵌入水印的稳健性检验，计算机工程与应用[J].2001，21：13-15.
关键词:数字水印;离散余弦变换;人眼视觉系统
中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号: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
随着信息技术和计算机网络的迅速发展及广泛应用,各种多媒体信息(图像、文本、视频、音频等)纷纷以数码形式进行存储,并通过网络进行和传播。在人们享受着网络带来的迅速与便捷时,如何保护这些数字化信息如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等,已成为迫切需要解决的问题 [1]。由于传统加密方法对多媒体内容保护能力有很大的局限性,数字水印技术日益被人们所重视,成为了信号处理和信息安全领域的研究热点之一。
1 数字水印
数字水印(Digital Watermark)技术作为一种信息隐藏技术,其核心是在不影响数据可用性的前提,通过一定的算法在多媒体信息中嵌入不可移除的标志性信息。这些标志性信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息等,以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提品的附加信息。但与传统加密技术不同的是,数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生。
1.1 基本分类
数字水印按不同的出发点可分为不同的类型。最常见分类有:按特性分为:可见和不可见水印;按载体数据分为:图像、音频、视频、文本以及网络水印等;按检测过程分为:非盲、半盲和盲水印;按内容分为:有意义和无意义水印;按隐藏位置分为:时(空)域和变换域数字水印;按用途分为:票据防伪、版权保护、篡改提示和隐蔽标识水印。
1.2 基本特征
数字水印应具备的基本特征主要有[2-4] :
1) 鲁棒性:指不因多媒体文件的某种改动(信号处理、几何失真、欺骗攻击等)而导致隐藏信息丢失的能力。不同的水印应用对鲁棒性要求不一样。
2) 不可见性(透明性、不可感知性):利用人类视觉系统或听觉系统属性,经过一系列隐藏处理,使目标数据没有明显的降质现象,而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。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) 来衡量[5]。
3) 抗篡改性:与抗毁坏的鲁棒性不同,抗篡改性是指:水印一旦嵌入在载体中, 攻击者就很难改变或伪造。
2 数字水印的实现
数字水印系统实现的典型过程包括:水印的嵌入和水印的提取或检测。
2.1 数字水印的嵌入
图1中的水印信息W为任何形式的数据,如随机序列或伪随机序列、字符或栅格、二值图像、灰度图像或彩色图像、3D图像等。水印生成算法G应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。密钥K通常可在不同环节嵌入如:信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等,用来加强安全性,以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用密钥或密钥的组合。
2.2 数字水印的检测
检测水印的手段主要两种:一是在有原始信息时,做嵌入信号的提取或相关性验证;二是在没有原始信息时,对嵌入信息做全搜索或分布假设检验等。
3 离散余弦变换(DCT)数字水印算法
3.1 数字水印算法
从数字水印算法实现的角度来划分,水印算法基本上可分为两大类:一类方法是将数字水印按某种算法直接叠加到图像的空间域,即空间域算法,另一类方法是先将图像做某种变换(特别是正交变换),然后把水印嵌入到图像的变换域(Transform Domain)中(如DCT 域,Wavelet 变换域,或其它变换域等),即变换域算法[6]。
较早的数字水印算法大都是空间域上的,通过改变某些像素的灰度将要隐蔽的信息嵌入其中。考虑到视觉上的不可见性,水印一般是嵌入到图像中最不重要的像素位上( 如LSB : Least Significant Bits)。空间域算法的普遍缺点是:鲁棒性差,尤其对滤波、量化和压缩攻击,而且嵌入信息量受到限制不能太多。但空间域方法的计算速度通常较快,而且很多算法在提取水印和验证水印的存在时不需要原始图像。而变换域水印算法则通常具有很好的鲁棒性,对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力,同时还可嵌入大量比特数据而不可察觉。因此基于变换域算法的数字水印技术更受青睐,逐渐成为水印技术的主流。
3.2 DCT基本原理
离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)简称DCT,是变换域水印算法的典型代表,并常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换。DCT算法的基本原理是:利用傅立叶变换的对称性,采用图像边界折叠操作将图像变换为偶函数(余弦)形式,然后对这样的图像进行二维傅立叶变换,变化后的结果将仅包含余弦项。
3.3 DCT基本公式
一个长度为N的序列f(x)的一位离散余弦变换C(u)的定义为:
(1)
它的离散反余弦变换(IDCT)由下式表示:
(2)
其中a(u)有如下定义:
(3)
在数字图像处理中使用的是二维DCT,对一幅N×N的图像C(u,v),它的DCT变换为:
(4)
它的离散反余弦变换(IDCT)为:
(5)
4 基于人类视觉系统(HVS)的DCT数字图像水印算法
4.1 设计思想
基于人类视觉系统(Human Vision System,HVS)的自适应DCT数字图像水印算法的基本思想是:利用HVS对于图像的感知特性来限制水印嵌入的位置和强度,从而提高水印的不可感知性和鲁棒性。从信号处理的角度看,在载体图像中嵌入数字水印可以视为在强背景(即原始图像)下叠加一个视觉上看不到的弱信号(水印)。而对人类视觉影响最大的图像因素就是背景照度、背景纹理和信号频率,这三点决定了对比度门限值,因此只要叠加信号的幅度低于HVS 的对比度门限,视觉系统就无法感觉到信号的存在。
4.2 基于HVS频率响应函数选取DCT嵌入区域
视觉系统的频率响应函数为:
(6)
其中ω为视角正对的径向频率,单位为周/度 (Cycle/Degree)。a、b、c为确定人类视觉特性(HVS)曲线形状的常数。当ωmax=3周/度时,HVS曲线的形状可表示为:
(7)
矫正函数为:
(8)
其中,a=11.636度-1 ,这样,矫正后的视觉系统频率响应函数为:
(9)
利用公式:可将二维DCT系数(μ,ν)对应的径向量频率ω的值求出。其中,ωx是依赖于观测距离的采样函数,N是DCT变换块大小。
现将每个8×8的图像子块分别进行DCT变换,并将DCT系数进行Zig_Zag排列,然后将DCT系数变换为相应的ω值来选取每一子块的嵌入区域。如图3所示。
根据矫正后的视觉频率响应函数,所选取的加水印区域如图4所示。为了增强算法的稳健性,利用了多重嵌入技术,即pi1(i=0,…,5) 用来嵌入1 bit的水印信息,同理, pi1,pi2,pi3,pi4(i=0,…,5)分别用来嵌入1 bit的水印信息。该算法中,每个8×8的子块可以用来隐藏4 bit的水印信息。
4.3 嵌入、提取算法的实现
基于HVS的DCT数字图像水印算法的基本实现思想是先将原始图像分成8×8的子块,并分别对每一子块进行离散余弦变换(DCT),然后随机函数来选取(1,8)之间的随机数,将随机数与水印分块一起嵌入到DCT变换系数的位置,然后将嵌入水印信息的DCT系数的子块进行逆DCT变换,最后合成为嵌入水印图像。提取算法与嵌入算法相似。
4.3.1 嵌入算法实现
1)原始图像和载体水印图像分别进行划分为I(N1×N2),W(M1×M2)。
2)将I分成8×8的子块。对每一个子块分别进行DCT变换:
(10)
变换后存入数组cda0中。
3)将W(M1×M2)分成8×8的子块。
4)取随机数K嵌入到载体图像中。公式为:
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为50,x和y分别是水印图像的8×8的子块数。
5)对嵌入水印信息的图像cda1进行IDCT变换。按照水印子块相对应的位置进行放置,组合成一个完整图像。
4.3.2 提取算法实现
1)将待检测图像分成8×8的子块。对每个子块分别进行DCT变换得DEI1m,n(i,j)
(11)
变换后存入cda1中。
2)对cda1(x+1,y+8),cda1(x+2,y+7),cda1(x+3,y+6)……,cda1(x+8,y+1)位置进行信息提取。其中x和y分别是含水印图像的8x8的子块数。
3)将提取的水印信息读为二维子块EWI1m,n(i,j),并将EWI1m,n(i,j)按照水印子块相对应的位置进行放置,组合成一个完整图像。
5 仿真实验结果及分析
本文用MATLAB语言编程,以数字图像为实验对象,模拟开发小型数字水印系统,并进行了相应的鲁棒性测试。该系统实现了基于HVS的DCT数字图像水印算法,执行水印图像的嵌入与提取操作,并针对此算法执行高斯噪声、剪切、滤波、JPEG压缩等多种信号处理操作的攻击测试。同时还计算了峰值信噪比PSNR及水印相似度。
5.1 水印嵌入及提取仿真
从图5可看出该系统可成功执行水印图像的嵌入与提取操作,具有较好的可见性。
5.2 鲁棒性测试
图5未受攻击的水印图像嵌入提取结果 图6白噪声攻击后的水印图像检测结果 图7高斯低通滤波后的水印图像检测结果
图8JPEG压缩后的水印图像检测结果 图9图像剪切后的水印图像检测结果图10剪切后的含水印图像
图11 图像旋转后的水印图像检测结果 图12旋转后的含水印图像
从图中可看出信号处理类(噪声、滤波、压缩)攻击对该算法影响微小;而几何失真类(剪切、旋转)对该算法影响较大。
6 结论
本文在分析了人类视觉系统(HVS)对DCT水印算法的影响后,提出了一种基于HVS简单的DCT域图像水印算法。该算法根据人眼视觉频率响应理论确定水印嵌入位置以实现盲水印,利用离散余弦变换(DCT)实现数据的嵌入和提取。借用Matlab编程工具,成功地实现了水印嵌入、提取及攻击功能。由攻击测试结果可看出此算法具有较好的不可见性及鲁棒性。
参考文献:
[1] 王炳锡.数字水印技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003:1-5.
[2] 李思静,杨小帆,石磊.数字水印: 数字产品所有权保护的有力武器[J].计算机应用与软件,2004,21(10):16-17.
[3] 汪保友,王俊杰,胡运发.数字水印与版权保护[J].计算机应用与软件,2004,21(1):30-32.
[4] 张荣,陈勇跃.数字水印技术在电子信息安全中的应用[J].情报科学,2005,23(1):140-143.
[关键词]离散余弦变换 数字水印 抗攻击 水印恢复
[中图分类号]TP[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0026-02
1 引言
数字水印的研究从嵌入方式上看,可分为两类:一类方法是将数字水印按某种算法直接叠加到图像的空间域上;另一类方法是先将图像做某种变换(特别是正交变换),然后把水印嵌入到图像的变换域中。从目前的情况看,变换域方法正变得日益普遍。因为变换域方法通常都具有很好的鲁棒性,对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力,并且一些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准。常用的变换域主要包括离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)和离散小波变换(DWT)等。[1]
本文对基于DCT变换的数字图像水印技术等方面进行了一些探索。在研究中采用了分块DCT变换技术和实验验证等手段,提出了一种数字图像水印实现方案,该方案实现了数字水印的嵌入与还原,并且有一定的抗噪声攻击能力。由于DCT变换主要将水印信息叠加在中低频段,而人眼的感觉主要集中在这一频段,攻击者在破坏水印的过程中,不可避免地会引起图像质量的严重下降,因此与传统LSB算法和Patchwork算法相比,该方案的抗击攻击能力更强。
2 数字水印技术的基本原理
数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容中,目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥、私有密钥)体系来加强,在水印的嵌入,提取时采用一种密钥,甚至几种密钥的联合使用。[2]水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示:
数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现。
空间域方法可以细分为如下几种方法:(1)最低有效位法,该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的,具体取多少位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则。(2)Patchwork方法及纹理映射编码方法,该方法是通过任意选择N对图像点,增加一点亮度的同时,降低相应另一点的亮度值来加载数字水印。(3)文档结构微调方法,在通用文档图像(postscript)中隐藏特定二进制信息的技术,主要是通过垂直移动行距,水平调整字距,调整文字特性等来完成编码。[3]
基于变换域的技术采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图象变换,基于局部或全部的变换,这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT)、付氏变换(FT或FFT)以及哈达马变换(Hadamard Transform)等等。频域方法具有如下优点:(1)在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布到所有的像素上,有利于保证水印的不可见性;(2)在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性,可以更方便、更有效的进行水印的编码。
3 数字图像中的DCT原理
离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)简称DCT变换。离散余弦变换是傅立叶变换的一种特殊情况,在傅里叶级数展开式中,如果被展开的函数是实偶函数,那么其傅立叶级数中只包含余弦项,再将其离散化可导出离散余弦变换,因此余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义,DCT变换避免了傅里叶变换中的复数运算,它是基于实数的正交变换。[4]DCT变换矩阵的基向量很近似于ToePlitz矩阵(系数矩阵对称且沿着与主对角线平行的任一对角线上的元素都相等)的特征向量,而ToePIitz矩阵又体现了人类语言及图像信号的相关特性,故DCT常常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换,同时DCT算法较易于在数字信号处理器中快速实现,因此它目前在图像编码中占有重要的地位,目前使用的JPEG和MPEG压缩标准都是基于图像的DCT变换。[5]
4 DCT实现方案
4.1 嵌入水印
(1)将载体图像转至YUV色度空间,提取Y分量。
(2)在Y分量开始嵌入水印:a.由载体图像和水印图像计算初始嵌入位置,使得水印大致位于载体图像中央;b.将载体图像划分为(Mm×Nm)大块,每个大块划分为blocksize_sub×blocksize_sub2子块,每个子块大小为blocksize×blocksize;c.对每个大块,将其中的每个小块做DC变换,提取出DC系数,对其除步长之后的值和水印对应位置相加后模2,若为1,则减0.5后乘步长;若为0,则加0.5后乘步长。d.将修改后的DC系数放回原处。e.反DCT后得到嵌入水印后的Y分量。f.与UV分量组合后即得到嵌入水印后的图像。g.获取结束时间,相减即得到整个算法所需时间。
4.2 在嵌入水印的图像中加入噪声信号(模拟图像被攻击)
4.3 提取水印
(1)获取起始时间。(2)设置块(blocksize*blocksize)及子块(blocksize_sub*blocksize_sub2)大小,与嵌入端保持一致。(3)读取嵌水印后图像的长和宽、经攻击后图像、水印图像。(4)将攻击后图像恢复至嵌水印后图像的大小,与嵌水印类似,将图像Y分量划分为(Mm*Nm)大块,每个大块划分为blocksize_sub*blocksize_sub2子块,每个子块大小为blocksize*blocksize,除以步长后模2,最终每个大块得到数目为blocksize_sub*blocksize_sub2的0、1,若0多,表明该位置对应水印为0,否则为1。(5)按水印长宽将生成的一维矩阵重置,得到提取的水印。
5 仿真实验结果
本实验采用MATLAB软件为工具,对提出的DCT水印方案进行了仿真实验。
6 结语
通过实验图片的效果显示,我们可以看到加入水印后的图像基本不影响原图片的质量,也看不出水印的图案,而且可以基本保持载体图片的原貌。从被攻击后的图像中也可以顺利恢复出来水印,并且能够识别原水印。因此,通过分块的离散余弦变换可以实现数字图像水印的嵌入与提取,并且有良好的抗攻击能力。
[参考文献]
[1] 李道远,常敏,袁春风.一种基于图像分割和H V S 的自适应数字水印.计算机工程,2003,11.
[2] 党红梅,李人厚,弋英民.几种频率域图像数字水印算法.计算机工程与设计,2003,12.
[3] Liu R,Tan T.An SVD2Based Watermarking Scheme forProtectingrightful Ownership [J].IEEE Trans on Multime2dia,2002,4(1):1212128.
[4] 刘锋,孙林军.一种基于DCT 和SVD 的数字图像水印技术[J ].计算机应用,2005,25(8):194421945.
