基于數字水印的圖像防偽及版權保護方法研究

摘 要：信息技術的發展，使網絡信息資源變得更容易被復制使用，侵權問題日益嚴重。數字水印技術的研究使用，可有效提高數字媒體信息的抗侵權能力。本文介紹了數字水印技術的基本情況，總結了其特點和常用算法，并通過基于離散余弦變換算法進行了水印的嵌入的提取實驗，得到了較好的效果。

關鍵詞：數字水印；信息隱藏；版權保護；離散余弦變換

隨著計算機網絡技術的發展，數字信息傳輸的安全問題逐漸顯現，數字媒體的內容經常被復制、傳播，從而給媒體制造商帶來了損失，也制約和阻礙著多媒體的應用發展。因此，如何實施有效的辦法來保護版權和信息的安全成了商業界和學術界共同關注的問題，而數字水印的加入是一項很有潛力也很有效的技術解決手段。

1 數字水印介紹

數字水印技術是數字信息的一種，其主要達到信息隱藏的目的，實現過程是往多媒體數據中添加某些數字信息而不影響原數據的效果來實施多媒體信息的版權保護。信息的添加，是通過數字算法時行處理的，而且信息的加入到媒體中后，不能改變原來信息的特征，也就是說這種標記是不可見的。這些隱藏的信息可以用作侵權證據，證明作者對作品的所有權，從而有效的起到媒體信息的防偽手段。媒體信息數字水印的應用過程分兩個步驟，一是水印信息的嵌入，二是信息的提取。如在圖像中加入水印，可以看作以圖像為背景，重疊加入微弱信號，這個弱信號則為水印。而人眼的視覺對圖像的分辨率不是無止境的，它有一定的限度，當我們在強背景下加入的這個弱信號低于此限度時，人眼是無法看到和感受到這個弱信號的存在的。因此只要加入的信號低于這個限度就可以做到不改變原始圖像的基礎上加入人眼看不到的水印信息。數字水印可用于版權保護，廣播監控，還可以把作品的標題、注釋的內容通過水印的形式嵌入到該作品中，不容易被發現而且不容易丟失。

2 數字水印的特征

數字水印的目的不在于限制其正常的圖像復制，而在于保證隱蔽在其內的水印不被侵犯和發現。因此，在圖像嵌入水印時，必須考慮到正常的信息操作對水印所造成的威脅，以及要求水印能夠對通常的圖像編輯處理操作具有一定的防御能力。數字水印應有較好的魯棒性。也就是數字水印在被多種信號處理后的情況下，可以被準確的鑒別。嵌入水印后的數據經受對數據的處理和攻擊后，嵌入的數據還可以被得到。圖像嵌入水印后，圖像和水印就會緊密的結合在一起，而且隱藏的水印信息不會被丟失。常見的攻擊操作主要包括數據壓縮、低通濾波、圖像增強、噪聲干擾、幾何失真、A/D和D/A轉換和打印掃描操作等，經過這些操作后，在魯棒性較好的水印算法中水印信息依然可以被提取出來。水印應透明，觀察經過水印處理的圖像和原始的圖像不應有較大區別，也即在人眼觀察時，圖像在視覺上不會有質量下降的感覺。水印和圖像應具有一致的特性，如統計噪聲分布等，不能被檢測出水印，這樣可以使非法攻擊者無從確認該圖像是否含有水印。在技術上，水印的嵌入和提取識別算法應簡單易行，且具有較好的易恢復性。數字水印技術目前還有待提高，缺乏普遍性及原理性，較難進行全面的測試和測量。在魯棒性和信息嵌入量之間也難以達到最佳狀態，較難實現兩者平衡。原圖像所有權的證明問題還沒有完全解決。通過破解現有算法，仍可以復制出原始圖像，不能為版權歸屬提供有效證據。其他媒體信息，如音頻、視頻加入水印的算法方案還仍然沒有得到很好地解決。現有水印算法中在原理上有許多雷同之處，需要進一步研究完善。

3 數字水印的算法

數字水印生成及嵌入是其兩大關鍵技術。按水印嵌入處理方法的不同，可將圖像數字水印的算法分成空域、變換域及壓縮域算法三大類。空域水印處理算法中，信息的嵌入形式是比特流，位置是在圖像各像素中最不重要的位置，這樣可使得最終圖像水印的隱密性。其實現簡單方便，實用性強，水印容量也比較大，而且還能根據圖像的局部特性進行自適應調整；缺點是比較脆弱，抗攻擊能力差，與其他幾種算法相比，其棒性也較差。變換域處理算法相對復雜，首先需要對原始圖像進行離散余弦變換為小波變換，圖像變換到變換域后，再嵌入水印信息，再經過反變換處理，得到含有水印信息的空域圖像。其算法主要包括離散余弦變換（DCT）、離散小波變換（DWT）域、離散傅里葉變換（DFT）域、哈德碼變換域等，其中DCT域DWT域和DFT域是比較常見的，此類算法的水印嵌入和檢測過程較為復雜，容量也不是太大，但是抗攻擊能力特別強。

4 DCT的數字水印算法

典型的DCT域算法，具有很好的能量壓縮能力和去相關能力。這種算法能有效抵御各種基本的圖像處理操作。應用中，如將水印信息加入到圖像的高頻區域，可以提高數字水印的魯棒性，但有可能使得到的最終圖像與原始文件在視覺上產生較大差別。其算法的實現過程中，原始圖像被均勻的切分為8×8的圖像塊，依據孟塞爾顏色系統對圖塊進行分類后，分別對其進行DCT變換。根據分類的情況，每個圖塊被嵌入不同的水印信息。之后，每個圖塊的DCT系數按順序排列起來。直流系統表示在圖像最左上方，用DCT表示。下一步是低頻系數的安排，頻率越高被排列的系數就越大，因此，圖像的右下角是頻率做高的系數，圖像被按照能量的大小進行了頻譜系數的區分。

5 DCT的數字水印算法實驗

水印信息選用大小為64×64的二值圖像，背景圖像選用LENA圖像，大小為512×512。基于DCT的數字水印算法如下：讀入原圖像LENA，并切分為8×8的塊，把需要隱藏的圖像用坐標標示。之后，對每一切分的圖塊進行DCT變換，讀出二值水印圖并嵌入。對嵌入的圖像進行反DCT變換，得到最終帶有水印信息的圖像。水印提取算法是基于離散余弦變換的數字水印嵌入算法的逆過程，步驟如下：讀出圖像，將圖像切分為8×8的塊圖，然后對每一切分的分塊圖像進行DCT變換，讀出嵌入的水印信息，并提取。在這一實驗過程中，最終得到的嵌入水印信息的圖像觀察效果好，與原圖肉眼看不到差別，水印信息不可見，隱蔽性良好。讀取過程中，水印信息能夠被順利讀出，并且水印圖與原水印圖僅存在稍少差別。

6 結語

數字水印技術的發展與數字信息版權保護緊密相關，通過算法可以使多媒體嵌入水印而達到防偽的目的。當然，數字水印的算法還需要不斷研究完善，如進一步提高算法的安全性、易用性等，只有這樣，才能使數字水印技術真正起到防偽的目的，其應用也將更加廣泛。

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作者簡介：文東越（1994-），男，漢族，山東濟寧人，本科，研究方向：包裝印刷技術。