数字水印

1摘要随着计算机通信技术的迅速发展，传播数字多媒体信息也越来越方便快捷，迅速兴起的互联网以电子印刷出版、电子广告、数字仓库和数字图书馆、网络视频和音频、电子商务等新的服务和运作方式为商业、科研、娱乐等带来了许多机会。然而，随之而来的盗版和侵权行为也越来越猖獗，对数字产品的保护和信息安全的迫切需求使得数字水印技术成为多媒体信息安全研究领域的一个热点问题。数字水印可以标识作者、所有者、发行者、使用者等并携带有版权保护信息和认证信息，保护数字产品的合法拷贝和传播。数字水印技术近年来得到了较大的发展，基于变换域的水印技术是目前研究的热点。数字水印是利用数字作品中普遍存在的冗余数据和随机性，把标识版权的水印信息嵌入到数字作品中，从而可以起到保护数字作品的版权或其完整性的一种技术。本文首先介绍了数字水印的背景、意义以及目前国内外的研究现状等基本问题，接着介绍了数字水印的基本特征、原理，随后介绍了数字水印的基本框架和数字水印的分类，为数字水印算法的提出、实现及测试提供了理论依据。介绍了一种基于DCT的数字水印嵌入算法以及一种基于小波变换的数字水印嵌入算法，使用MATLAB设计了实验方案。关键字：数字水印MatlabDCT小波变换2AbstractWiththerapiddevelopmentofcomputercommunicationtechnology,thespreadofdigitalmultimediainformationmoreandmoreconvenient,rapidriseofInternetpublishingelectronicprinting,electronicadvertising,digitalstorageanddigitallibraries,onlinevideoandaudio,e-commerceandothernewservicesmanyopportunitiesforcommercial,research,entertainment,andmodeofoperation.Piracyandinfringement,followedbymoreandmorerampant,andtheurgentneedsofprotectionandinformationsecurity,digitalproductsmakesthedigitalwatermarkingtechnologyintothefieldofmultimediainformationsecurityisahotissue.Digitalwatermarkscanidentifytheauthor,owner,publisher,users,andcarrythecopyrightprotectioninformationandauthenticationinformation,theprotectionoflegitimatecopyinganddisseminationofdigitalproducts.Digitalwatermarkingtechnologyinrecentyearshasbeengreatprogressinthetransformdomain-basedwatermarkingtechnologyisahottopicofcurrentresearch.Digitalwatermarkingistheuseofredundantdataandrandomnessofthecommondigitalworkstoidentifythecopyrightwatermarkinformationembeddedindigitalworks,copyrightprotectionofdigitalworksortheintegrityofatechnologywhichcanplay.Thispaperfirstintroducesthebasicquestionsofbackground,significance,andthecurrentdomesticandinternationalstatusofthedigitalwatermark,andthenintroducesthebasicfeaturesofthedigitalwatermarkprinciple,thenthebasicframeworkfordigitalwatermarkinganddigitalwatermarkingclassification,digitalwatermarkingalgorithmtheproposedimplementationandtestingprovidesatheoreticalbasis.BasedontheDCTwatermarkingalgorithmbasedonwavelettransformdigitalwatermarkembeddingalgorithmusingMATLABdesigntheexperimentalprogram.Keywords:digitalwatermarkingMatlabDCTwavelettransform31.绪论1.1研究背景随着计算机网络通信技术的发展，信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性；数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到任何地方。随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使另有意图的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下复制和传播有版权的信息，例如，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍，目前，数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，它是基于香农信息论及密码学理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得其在传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获取机要信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。但这并不能完全解决问题：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且当信息被接收并进行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样，将不再受到保护，无法幸免于盗版。换言之，密码学只能保护传输中的内容，而内容一旦解密就不再有保护作用了。因此，迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够继续保护内容。这样，人们提出了一种新兴的信息隐藏的概念——数字水印(digitalwatermarking)。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的4新型技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印。在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。自1993年以来，该技术已经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。数字水印技术还处于发展之中，数字水印技术未来的通信应用市场将会更加广阔。综上所述，我们可以把数字水印技术的功能总结为两个方面。一方面，它可以被用来证明原创作者对其作品的所有权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据；另一方面作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动态跟踪，从而保证其作品的完整可靠性。多媒体数字水印系统软件的开发具有显著的经济效益和社会效益；对于规范数字化市场，促进信息产业的健康持续发展都有极为重要的意义。1.2国内外研究现状数字水印处理技术作为一种新兴的技术虽然提出的时间不长，但已经成为了最近几年的一个热门研究领域。常见的数字水印按载体分为文档水印(DocumentWatermark)、图像水印(ImageWatermark)、音频水印(AudioWatermark)、视频水印(VideoWatermark)及3D水印等。当前对于数字水印算法的研究主要是基于图像的数字水印算法，常见的有基于最低有效位的图像水印，基于离散余弦变换的数字水印，和基于小波变换的数字水印三种算法。VanShynde等提出了基于最低有效位的图像水印算法(LSB,LeastSignificantBit)，利用此方法将特定的数字标记在图像里，该方法实际上是利用图像的视觉冗余。对于灰度图像，人眼不能分辨全部256个灰度等级，4个左右灰度等级的差异人眼是不能区别的，由于最低几位数据的更改影响很少的灰度，因此可利用最低几位来隐藏信息。这种算法的优点是有较大信息量的隐藏能力，应用简单，成本低，可容纳的信息量5大，适合于对水印信息隐藏要求不高的场合。缺点是这种水印有较弱的鲁棒性，当图像处理，即能够直接影响灰度值的操作，如压缩、锐化、雾化、旋转等处理后，信息很容易丢失或出错，以至于水印不能被正确检测到。Bender等提出了Patchwork方法及纹理块映射编码方法，Patchwork方法是一种基于统计思想的水印。该算法的优点是隐蔽性好，并且对有损JPEG压缩和滤波及扭转等操作有一定免疫能力，缺点是仅适用于具有大量任意纹区域的图像，而且不能自动完成。基于变换域的数字水印技术可以嵌入大量比特的数据而不会导致不可见性的问题，而且有比较好的鲁棒性。通常使用离散余弦变换、小波变换及其他变换方法对图像进行变换。然后把水印信息嵌入变换系数中。这类方法都利用了视觉的频率敏感度来保证水印不可见，根据它们所利用的视觉模型还可以分为与图像无关的水印技术和图像自适应水印技术。我国学术界对数字水印技术也进行了一定的研究，相关领域的研究与世界水平相差不远，并且有自己独特的思路。黄继武等提出了一种自适应的水印算法，孙圣和、陆哲明、牛夏牧等提出了图像图形可逆水印算法，并对多重数字图像水印算法、基于多分辨率数字水印处理技术等各方面进行了探讨。综上所述，当前常见的数字水印算法有空域法和变换域法。空域主要采用最低有效位方法，优点是实现方法简单，缺点是鲁棒性差。变换域较多的采用基于DCT变换和小波变换，具有比较好的鲁棒性和通用性。1.3数字水印涉及的理论数字水印技术涉及到通信理论、编码理论、噪声理论、视听觉感知理论、扩频技术（SpreadSpectrum）、信号处理(SignalProcessing)技术、数字图像处理(DigitalImageProcessing)技术、多媒体(Multimedia)技术、模式识别(PatternReorganization)技术、算法设计(AlgorithmDesign)等理论，用到经典的DFT（DiscreteFourierTransform）、DCT(DiscreteCosineTransform)变换和近代最先进的数学工具----小波(Wavelet)。1.4数字水印的应用虽然数字水印产品是近几年才出现的，但其应用前景和应用领域将是巨大6的，对数字水印技术的研究具有很重要的意义。总的说来，数字水印技术有以下一些主要应用领域。（1）版权保护。数字作品的所有者用密钥产生一个水印，将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可以利用从盗版作品或水印作品中获取水印