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数字水印技术范文第1篇
关键词：数字水印；
数字媒体；
版权保护
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-02
The Introduction of Digital Watermarking Techniques
Li Yang
(Xi’an Vocational and Technical College,Xi"an710077,China)
Abstract:As an effective method to provide copyright protection for digital media,digital watermarking has received considerable attention all over the world in recent years.This paper introduces the background of the demand for and research significance of digital watermarking techniques,the basic communication model of watermarking,the classification of watermarking,applications of watermarking and last open issues and possible future research directions.
Keywords:Digital watermarking;Digital media;Copyright protection
一、数字水印技术的需求背景及研究意义
数字媒体和计算机网络的迅速发展为社会生活提供了巨大便利。与模拟媒体文件相比，数字媒体文件具有质量优、易于编辑、可实现对媒体信息的精确复制、方便进行网络传输的优点。然而数字媒体文件的这些优势，对传统的版权保护方法提出了严峻的挑战。如何对数字作品版权进行有效地保护，成为了当今版权保护中亟待解决的问题。
传统的加密方法只能在数据的传输过程中起保护作用。一旦数据被接收并被解密，对数据的复制和传播就无法检测和控制，难以满足版权保护的要求。而水印技术不是防止别人非法地读取数字信息，而是在非法用户成功地读取了这些信息后对其进行追踪，追究其法律责任。作为数字文件版权保护的一种有效办法，数字水印技术就是在这个背景下提出的。
数字水印技术作为一门新兴的学科交叉的应用技术，涉及了不同学科领域的思想和理论，如信号处理、图像处理、编码理论、密码学、数字通信、算法设计等，还包括公共策略和法律等问题。因此无论从理论角度还是应用角度来看，开展对数字水印技术的研究，不但具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。
二、数字水印系统模型
数字水印技术的基本思想是将含有作者电子签名、日期、商标以及使用权限等的数字信息作为水印信号，嵌入到图像、文本、视频和音频等数字媒体中，并且在需要时，能够通过一定的技术检测方法提取出水印，以此作为判断媒体的版权归属和跟踪非法侵权的证据。
因此水印系统可分为嵌入和提取两个模块：定义[1]如下：
水印嵌入：
水印提取：
其中，I为原图像，W为水印，K为密钥， 为加入水印后的图像，也是待检测图像。1称为水印的非盲检测；
2、3称为水印的盲检测。
Cox将数字水印看作通信问题，提出了一个数字水印系统的一般模型，如图1所示：
图1数字水印的一般模型
三、数字水印的分类
数字水印是指嵌入在载体数据中的，由版权所有者确定的版权信息，用以证明数据的所有权归属。从其表现形式上可以分为三大类，一类是有意义的字符，一类是伪随机序列，一类是可视的图片。
第一类是为了在作品中标注作品的所有者、创作日期、发行部门以及其他需要标注的信息，它们可以是明文字符，将这些字符串以比特流的形式嵌入数字作品中。在提取水印时，按照提取算法提取出这些比特流，转换成字符串，就可以得到需要的水印信息。这类水印直接明了，没有歧义，只要水印能够正确提取，就可以证明作品的版权，但健壮性较差，需要健壮性更强的水印嵌入算法来保证水印能够正确提取。
第二类数字水印克服了第一类水印的缺点，它不是直接将明文字符作为水印，而是将需要标识的信息与一个伪随机序列串对应起来。将伪随机数作为数字水印嵌入数字作品中。需要验证作品的所有权时，用相应的水印提取算法提取出数字水印，这时提取出的数字水印不需要与原来水印完全一致，通过相关性检测就可以判断有没有水印的存在。可以说利用相关性检测的水印是健壮性比较好的水印。因为它不要求精确的水印恢复，提取出的水印和原始水印在每一个样点上都可能是不同的，但是只要它们的相关值很大，就可以判断水印的存在。
第三类数字水印是一种可视图像，它可以是以二值图像（或灰度图像）的形式保存的一个人的手写签名、字符、徽标等。将这些二值图像（或灰度图像）变成比特串，作为数字水印嵌入作品中。水印提取时，也是提取这些比特串，并把它们复原成原图像，由于数字作品受到可能的信号处理的破坏，或恶意攻击，因此恢复出的比特串会有误码，但是在误码率不是很大的情况下，所组成的二值图像（或灰度图像）仍然能够通过人眼来识别出原来的手写签名、字符或徽标。这类水印主要是利用人眼的冗余性，它可以容忍较大的比特误码，只要仍然能够识别出原来的二值图像（或灰度图像）的样子，就可以判定有水印存在。因此这类水印从形式上来说，也是健壮性较好的水印。
四、数字水印技术的主要应用
目前，数字水印的应用大体上可以分为版权保护、数字指纹、使用控制、票据防伪、标题与注释、内容保护等几个方面。
（一）版权保护[2]：为了表明对数字产品内容的所有权，所有者A用私钥产生水印并将其插入原图像，如果B声称对公开的有水印的图像拥有所有权，那么A可以用原图像和私钥证明在B声称的图像中有A的水印，由于B无法得到原图像，B无法作同样的证明。
（二）数字指纹[2]：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索其指纹来追踪其来源。
（三）使用控制[3]：在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和使用，插入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印的内容，将允许的拷贝数减一，以防止大规模的盗版，DVD就是这种应用的实例。
（四）票据防伪[4]：为了在需要时能够追踪伪造票据的打印机，可以在每个打印机输出图像中嵌入能够标识打印机的序列号，作为伪造追踪的线索。
（五）标题与注释[5]：将作品的标题、注释等内容（如，一张照片的拍摄时间和地点等）以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。
五、数字水印技术存在问题和未来的研究方向
数字水印技术是一门相当复杂的新技术，还有许多未触及的研究课题，现有技术也需要改进和提高。根据水印的研究现状分析，数字水印技术存在的问题和未来的研究重点[6]总结如下：
（一）由于数字水印技术难以解决复杂的异步攻击问题，数字水印技术在版权保护及访问控制等方面的应用受到限制，该问题需要得到解决。
（二）基于DCT和DWT的方法将继续成为主流，同时压缩域方法也是重点研究方向。
（三）盲水印技术将成为应用的主流，高性能的盲水印算法需要进一步研究。
（四）音频水印的研究将继续成为研究热点。
（五）数字水印算法的性能分析需要更高标准的方法。
（六）数字水印的标准化研究。
（七）数字水印的网络应用研究。
参考文献：
[1]张焕国,郝彦军,王丽娜.数字水印、密码学比较研究[J].计算机工程与应用,2003,9
[2]吴秋新,钮心忻,杨义先.信息隐藏技术―隐写术与数字水印[J].北京:人民邮电出版社,2001:72
[3]Nikolaidis A,Tsekeridou S,Tefas A,et al.A survey on watermarking application scenarios and related attacks[c]//Proc of the 2001 IEEE International Conference on Image Processing.Washington:IEEE Press,2001:991-994
[4]戴明辉,刘真祥.数字水印技术研究与展望[J].网络安全技术与应用,2010,8:22
[5]Potdar V M,Han S,Chang E.A survey of digital image watermarking techniques[c]//2005 3rd IEEE International Conference on Industrial Informatics.Perth:IEEE Press,2005:709-716
数字水印技术范文第2篇
传统的版权保护方法包括：在通信网中限制某些站点的存取和对多媒体数据进行加密且严格管理密码，这种称之为“信任系统”通过阻止未授权用户访问多媒体数据来实现版权保护。然而，一旦授权用户非法拷贝、非法传播给其他用户，这种系统对版权保护无济于事。
针对以上情况，数字水印技术被提出且被认为最有希望成为“信任系统”的补充。数字水印技术是将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频、音频等多媒体数据中，这种特殊的信息即数字水印永久地和多媒体数据结合在一起。与加密技术不同，这种技术对原数据基本上不作改变。
水印标明数据的所有者、日期、权限等信息，就像产品的商标一样。因而，水印可用于标题说明、数据鉴别、保密通信和版权保护等，根据不同的目的，水印包含的信息不同。
2．数字水印技术的框架
目前，数字水印技术仍没有统一的标准。本文以图像数据为例，其一般原理同样适用于其它多媒体数据。图 1、图2、图3 分别示出了数字水印技术涉及的三个过程：水印的加入、通信、水印检测。
图 1 水印生成及加入过程
图 1 可分成 C1、C2 两个过程。原始图像 I 和版权信息S通过 C1运算生成水印W ,掩蔽 M 、关键字 K 和原始图像 I 通过 C2 运算过程生成含水印的图像 I’。关键字 K的作用有二，一是保密性：K仅为授权部门所知；
二是指定加入水印的位置，掩蔽 M 的目的是利用HVS(人的视觉系统)特性，加入尽可能强的水印信号到原始图像 I 中，以便提高水印的健壮性。
图像 I’ 在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰而变形成图像 I” ,这一过程可用通信领域的通信信道来表示。如图 2。
图2 水印通信
水印检测可分为水印提取和验证。提取过程是利用关键字 K 从变形的图像I” 中通过E1运算提取出可能的水印 W’ ，这一过程有可能利用原始图像 I；
验证是将W’和W作相似性比较，比较过程用sim(W,W’) 表示，如结果满足一定条件，比如 sim(W,W’)≈1,可认为图像 I” 中含水印W, 这一结果可用作版权的证据，因而能确定出图像 I” 的所有者 ，如图3 表示。
图3 水印检测与验证
3．数字水印的种类
对于数字图像来说，水印技术就是通过改变图像数据的值来加入水印，根据加入方法不同，水印技术分成：时域法和频域法。
时域法直接改变图像元素的值，一般是在图像元素的亮度或色带中加入调制的水印信号。
频域法利用某种数学变换，将图像用频域表示，通过改变图像的某些频域系数来加入水印，然后利用反变换生成含水印的图像，常用的数学变换有离散傅立叶和离散余弦变换。
数字水印技术的要求
针对不同的应用，水印的要求不同或者强调的重点不同，一般来说，水印应具有：
不可感知性。水印技术的首要条件是加入水印的图像和原始图像基本上相同，即水印是看不见的，图像的质量不因水印的加入有明显的改变，否则将影响图像的商业价值。
（2）健壮性。加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰，水印技术必须能抵抗低通滤波、变形、边缘增强、抖动、剪切、扫描、有损压缩、A/D、D/A转换等信号处理。另外，水印技术还应能抵御各种有意的破坏，它们包括移去水印和使水印无法提取。
（3）安全性。即使水印算法公开，它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。
（4）隐藏能力。它是指在不影响图像质量的前提条件下，能加入水印的信息量。为了加入足够的版权信息来作为合法证据，水印算法应有合理的隐藏能力。
不难分析出，某些要求之间存在冲突，比如不可感知性和健壮性、隐藏能力和不可感知性，增加一方必然会降低另一方。实际上，水印技术的一个重要方面是研究如何折衷这些要求。
5．扩频技术及其在数字水印技术中的应用
数字水印技术的研究大约始于1994年，早期的算法强调水印的不可见性而忽视水印的健壮性，这些算法的理论基础主要源自统计学和图像编码、处理领域。扩频技术的运用标志着水印技术的重大进步。扩频技术起源于通信系统，最早只是用于军用通信系统、制导系统等军用系统，它的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。香农（Shannon）在其信息论中得到有名公式：
C=Wlog2(1+S/N)。
(1)
式中 C 表示信道容量，W 是信道带宽，N 是噪声功率，S 是信号功率。香农公式表明了一个无误差地传输信息的能力同存在与信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息，对式（1） 换成以 e 为底的对数
C/W=1.44loge(1+S/N) (2)
对于干扰环境的典型情况，S/N<<1,对上式用幂级数展开，略去高次项得
C/W=1.44S/N (3)
通过上述的分析可得出一个重要结论：对于给定的信道容量 C 可以用不同的带宽 W 和信噪比 S/N的组合来传输信息。如减少带宽则必须发送较大的信号功率；
如有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率（较小的 S/N）来传送，这表明宽带系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量是，常用宽带系统改善通信质量，使信号在强干扰情况下，仍然可以保持可靠通信。
扩频技术是一种信息处理技术，它是利用同欲传输数据（信息）无关的扩谱码对被传输的信号扩展频谱，使之远远超过被传输信息所必需的带宽，在接收机中采用相同的解扩和恢复数据。
由于扩谱码的随机性；
扩谱信号的宽带性，扩频系统具有以下特点：
（1）扩谱信号是不可预测的伪随机的宽带信号，扩频系统具有很高的抗干扰能力，因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术。
（2）扩谱信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以至被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。因此，扩频系统具有低截获率性。
（3）扩频系统具有良好的码分多址通信能力，对不同的用户使用不同的码，别人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。
以上特点对数字水印技术特别有用,在数字水印技术中,将原始数据的频域看作通信信道 C ,水印看作将通过 C 的信号 S ,各种有意、无意的干扰看作噪声 N。利用扩频技术原理，将水印分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测。然而，水印检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系数中，但是，破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降。
只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被看见或听到。而且，利用人的掩蔽效应可以增加加入水印信号的能量。
因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的健壮性和安全性。第一，水印的位置不明显且水印的值具有随机性；
第二，频域区域的适当选择，使得有意、无意破坏水印的同时也破坏了原数据。
6．以下是利用扩频技术的一个典型方案。
NEC 研究所的科学家提出了扩频编码的水印方案，水印是由一实数序列 X=x1,x2.....xn构成，xi (i=1,2,....n) 是根据正态分布 N(0,1) 独立选取的。为了将长度为 n 的水印加入到一幅 NxN 的图像中，对此图像进行 NxN DCT 变换。假设，图像的时域用 f(x,y)表示,频域用 F(u,v) 表示。以下是二维 DCT 及反DCT表示式 ：
for 及其反变换 ：
for ,
for
for
直流系数DC 是
，, for 为交流系数。
从 NxN 变换矩阵中选取 n 个最大值交流系数，用水印 X=x1,x2,...xn 改变这 n 个系数的值，对改变的 NxN DCT 进行反变换 IDCT 得到含水印的图像。
这种方案唯一的关键字是水印本身 。不过，如从 m 个系数中选取 n (m>n)个系数，选取的不同引入了另一个关键字。假设被选中的系数为 V=v1,v2,...vn ,用水印 X=x1,x2....xn以非线性的方式改变V 得到：V’(v1’,v2’....vn’)=V(1+aX)。强度因子 a 决定改变的程度。水印提取需要利用原始图像，验证过程是通过以下公式计算提取水印 W’ 和原水印 W 的相似性来确定是否存在水印。
参考文献
<<通信新技术续篇〉〉北京邮电大学出版社 陈法荣 1997.1 《CDMA 扩频通信原理 〉〉人民邮电出版社 [美]A.J.维比特 1995.2
3.[BGM95] W.Bender, D.Gruhl, N.Morinoto," Techniques for data hiding", Proceedings of the SPIE, 2420:40, San Jose, CA, USA, Feb.1995.
4.[Cha92] S.-F. Chang, Video Compositing in the DCT Domain, I.E.E.E. International Workshop on Visual Signal Processing and Communications (VSPC-92)
5.[Cha94] S.-F. Chang, Some New Algorithms for Processing Images in the Transform Compressed Domain, SPIE Symposium on Visual Communications and Image Processing (VCIP-95), (CU/CTR TR 390-94-37)
数字水印技术范文第3篇
关键词：电子商务；
数字水印；
版权保护；
鲁棒性
一、数字水印技术
所谓数字水印是利用数字信号处理的相关技术，在多媒体数据中永久镶嵌具有可鉴别性的某些数字信息，用于文件真伪鉴别、版权保护并检查数据是否被破坏。嵌入的信息隐藏于宿主文件中，不影响原始文件的可用性和完整性。数字水印技术的基本思想是将某种信息嵌入到主数据中，使得如果嵌入的信息得到可靠的恢复后，那么该信息可以说明主数据和原始所有者之间的所属关系。数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以解决版权纠纷并为法庭提供证据。
1.数字产品的内嵌数字水印应具有以下基本特性
（1）鲁棒性
数字水印必须对各种信号处理过程具有很强的鲁棒性。鲁棒性是指数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括各种有意的或无意的，仍能保持水印的完整性和鉴别的准确性。成功的数字水印技术在解除信息不完备的情况下，任何试图去除水印的方法均应直接导致原始数据的严重损失。
（2）不易觉察性
一是指嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可见的，最理想的情况是水印图像与原图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；
一是指水印用统计方法也是不能恢复的，即也无法提取水印或确定水印的存在。
（3）安全性
指隐藏算法有较强的抗攻击能力，难以篡改或伪造，数字水印往往结合密钥提高它的安全性。在没有密钥的情况下，未授权者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破坏水印信息。
（4）抗攻击性
在水印能够承受合法的信号失真的同时，水印还应能抗击试图去除所含水印的破坏处理过程。除此之外，如果许多同样作品的复件存在不同的水印，当水印用作购买者的鉴定，就可能遭受许多购买者的合谋攻击。水印技术必须考虑这些攻击模式，确保水印探测的准确性。
（5）可证明性
水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息并能在需要的时候将其提取出来。提取出来的水印或水印检测的结果能够明确地表明版权所有者的身份，不会导致发生所有权的纠纷。
（6）稳健性
数字水印必须难以被除去，如果只知道部分数字水印信息，那么试图除去或完全破坏数字水印将导致载体严重降质或不可用，而且好的水印能够确定对图像的破坏位置以及部分地恢复图像。
2.数字水印的嵌入与提取分析
数字水印的通用模型包括两个阶段：数字水印的嵌入阶段和数字水印的提取或检测阶段。在水印信息的嵌入和提取算法中，需考虑到嵌入水印信息后的宿主信息往往会经过许多无意的或恶意的攻击，这就要求在宿主信息的使用价值下降不太大的情况下，水印能可靠地被提取或检测出来。
（1）水印嵌入过程：数字水印的生成阶段，嵌入算法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。
设有算法E，原始图像I和水印W，那么水印图像Iw可表示为：Iw=E(I，W)
水印嵌入过程如下图1所示：
图1.数字水印嵌入模型
（2）水印提取过程：提取阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。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在加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。
水印提取是水印嵌入的逆操作。若将检测过程定义为解码函数D，已知原始图像I、有版权疑问的图像^Iw，水印W和，密码K。则有：W =D(^Iw，I)
水印提取过程如图2所示：
2.数字水印的提取模型
二、数字水印技术在电子商务中的应用
1.电子商务中，版权问题已经成为人们关注的热点问题。数字水印技术利用隐藏水印信息原理使版权标志不可见或不可听而存在于数字作品之中。当出现版权纠纷问题时，所有者可以从作品中获取水印信号作为版权依据，从而保护了所有者的正当合法权益。这种用于版权证明的水印要求是鲁棒数字水印，用户在不知密钥的情况下很难去除或破坏其中的水印。
2.随着电子商务的发展，电子票据的使用越来越频繁。数字水印技术是电子票据防伪的关键技术，可以在交易双方的电子票据中嵌入交易时间和签名等不可见的认证信息，使交易过程不可抵赖，降低了伪造的可能性。水印具有法律效力，可以在交易出现法律纠纷时，作为证据使用。
3.目前，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，使得“造假”、“买假”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。而通过数字水印技术，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。
4.“电子签章”也叫“数字签名”，它能够认定签署人身份、信息的来源、信息的完整性与安全性等，因此被广泛地应用在加密信件、商务活动、远程金融交易等电子商务和电子政务等领域。虽然数字签名在电子商务应用中已经具备了很高的安全性能，但仍存在风险。使用数字水印技术，鲁棒性水印和数字签名相结合，它能够将电子签章信息以数据形式隐藏到普通印章图像中，与图像合二为一，能够取得“白纸黑字”的书面凭证，而且可以对纸质文档进行签名。打印后仍能提取，使得文件具备双重安全效果。
三、 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。随着数字水印的深入研究，其在电子商务中的应用也将日益广泛。
参考文献:
数字水印技术范文第4篇
关键词：数字水印；
MATLAB；
DCT
1 引言
多媒体及网络的迅速发展使得多媒体信息的交流和传输变得更加简单和快捷，然而，这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品，这种对数字产品保护和信息安全的迫切需求，导致了数字水印技术成为多媒体信息安全领域的一个热点问题。数字水印技术是在不影响宿主媒体主观质量的情况下，在宿主媒体（文本、图像、视频、音频）中嵌入不易被人察觉的标识信息，用以证明原创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。
2 数字水印的特征
一般认为数字水印应具有以下特征 ：
(1) 安全性
数字水印应该是安全、难以被篡改的。当数字作品发生变化时，数字水印应当也相应发生变化 ；
同时，未经授权的个人不得修改水印，理论上是未经授权的用户不能检测到产品中是否含有水印。
(2) 鲁棒性
当被保护的数据在经过攻击后，嵌入的水印信息仍能保持好的完整性并能以一定的正确概率被检测到。这些可能的攻击包括噪声、滤波、剪切、旋转和编码等。
(3) 不可感知性
数字水印的嵌入不应使得原始作品发生可以感知的变化，也不能使得被保护数据在质量上发生可以感觉到的失真。
(4) 可证明性
在多媒体作品的实际应用过程中可能需要多次加入水印，这时水印系统必须能够允许水印被多次嵌入到被保护的数据，而且每个水印均能独立地被证明。
(5) 无歧义性
恢复出的水印或对水印判决结果能够表明版权的惟一，不会发生多重版权纠纷问题。
3 数字水印的基本原理
通用的水印技术包含两个方面：水印的嵌入和水印的提取或检测，如图1和图2所示。
图 1 水印信号嵌入
图 2 水印信号提取或检测
4 数字水印的研究现状
4.1 文本水印
文本水印就是将代表著作人身份的信息(水印)嵌入到电子出版物中，在产生版权纠纷时来验证版权的归属。其主要分为三大类：基于文档结构的水印方法、基于自然语言处理技术的水印方法、基于传统图像的水印方法。
基于文档结构的各种水印方法都只是提留在文本的表层，无法抵抗对于文本结构和格式的攻击，简单的重新录入攻击就能使之失效，因此这些水印方法普遍存在鲁棒性差的缺点。自然语言文本水印方法相对提高了抗攻击的能力，但普遍存在容量不足的问题。基于传统图像的文本水印普遍存在鲁棒性不高、操作复杂的缺点。
4.2 图像水印
根据水印的实现过程，图像水印算法可分为空域算法和变换域算法。空域算法是通过直接改变原始图像的像素值来嵌入水印，通常具有较快的速度，但鲁棒性差，且水印容量也会受到限制 ；
变换域算法是通过改变某些变换系数来嵌入水印，通常具有很好的鲁棒性和不可见性。其实现一般是基于图像变换，如DCT、DFT、DWT等。重点介绍一下变换域算法。
4.2.1 离散傅里叶变换 (DFT)
该方法是利用图像的DFT来嵌入信息。通信理论中调相信号的抗干扰能力比调幅信号的抗干扰能力强，同样在图像中利用相位信息嵌入的水印也比用幅值信息嵌入的水印更稳健。实验表明该方法的抗压缩能力比较弱。
4.2.2 离散余弦变换 (DCT)
DCT能把空间域的图像转换到变换域上进行研究，从而能很容易了解到图像的各空间频域成分，进行相应处理。基于DCT的水印方法与基于DFT的水印方法相比有较好的鲁棒性，但是无法做到对图像信号内容的自适应，因此往往会造成对图像特征的明显损害，不可感知性不是最佳。
4.2.3 离散小波变换 (DWT)
DWT是一种时间---频率信号的多分辨率分析方法，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。实验表明，与DCT、DFT变换相比较，基于DWT的水印算法的鲁棒性最优，且与JPEG2000、MPEG4压缩标准兼容，利用DWT产生的水印具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力，且不可感知性最好。
4.3 音频水印
音频水印利用音频文件的冗余信息和人耳听觉系统的特点来嵌入水印，其可以保护声音数字产品不被随意复制和篡改，如CD唱片，广播电台的节目内容等。音频水印的三种基本方法 ：扩频嵌入方法、回声隐藏方法和相位编码方法。
4.4 视频水印
视频水印是通过对视频载体的时间和空间冗余来嵌入水印，其既不影响视频质量，又能达到保护节目制作者的合法权益和控制数字产品的复制。视频水印从算法要求上同图像水印有许多相似之处，但视频水印也有一些独特之处，如能够在压缩和未压缩的格式下实时完成水印的检测，对MPEG压缩、A/D和D/A转换等都有较好的稳健性。
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、信号处理技术、数字图像处理技术、多媒体技术、模式识别技术、算法设计等理论，用到经典的DFT离散傅立叶变换、DCT离散余弦变换和近代最先进的数学工具——小波即DWT离散小波变换技术。而以上算法的计算量都非常大，用Visual C++或者其它语言编程实现这些变换和逆变换也需要很长的代码，由此造成研究人员把大量的时间和精力浪费在与水印算法研究无关的问题上，下面我们介绍基于MATLAB的快速水印嵌入编程技术。
5 实用工具MATLAB介绍
5.1 MATLAB简介
MATLAB是Mathworks公司的．是集数学计算、图形处理、结果可视化和程序语言设计于一体的著名数学软件，是以矩阵运算为基础的交互式程序语言。MATLAB的推出得到了各个领域专家、学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个专家学者相继推出了MATLAB工具箱，其中的信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、最优化、模糊逻辑、小波、通信、统计等工具箱，这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具，借助于这些“巨人肩上的工具”，各个层次的研究人员可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大地节省了时间。
5.2 DCT数字图像水印算法
选择二值图像作为水印信息，根据水印图像的二值性选择不同的 嵌入系数，并将载体图像进行8*8的分块，将数字水印的值直接植入到载体灰度图像的DCT变换域中，实现水印的嵌入。
具体方法如下：
（1）读取原始公开图像和黑白水印图像到二维数组I与W;
（2）将原始公开图像I分割为互不覆盖的图像块block(x,y),1
（3）取黑白水印图像中的一个元素W(p,q)嵌入原始公开图像块的低频系数中；
（4）对嵌入水印信息后的图像块block_dct(x,y)进行逆向DCT变换；
（5）合并图像块，得到嵌入黑白水印后的图像。
水印提取过程为上述加载水印算法的逆运算。
整个算法的MATLAB实现程序如下：
clear;close all
size=256;block=8;I_W=zeros(size);
I=imread("man.tif");
figure(1);imshow(I);
I=double(I)/256;
W=imread("zw.bmp");
数字水印技术范文第5篇
关键词：数字水印 Contourlet变换 奇异值分解 版权保护
中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0190-02
1、引言
随着多媒体和网络技术的发展，数字图像和视频等数字产品的版权保护、内容完整性验证等方面受到了极大的挑战。数字水印技术是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权跟踪及版权保护的作用，作为数字版权保护的有效手段，数字水印已经成为多媒体信息安全领域的一个研究热点[1]。
常见的图像水印算法[2]包括基于离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）和SVD[3]的方法等。目前，各种水印算法在图像受到滤波、失真、几何变换等攻击时的鲁棒性很难保证。Do和Vetterli 提出的Contourlet 变换[4]既具有小波变换的多分辨分析和时频局部能力，同时兼具了良好的各向异性，从而能更有效地表达图像中的边缘、轮廓和纹理等高维奇异性几何信息，因此也开始应用于图像分析、编码和数字水印算法中。本文利用Contourlet变换多分辨率和多方向性特点，对载体图像和水印图像Contourlet稀疏变换的低频子带进行SVD分解，在奇异值信息上实现水印嵌入，该技术能够有效增强水印在多种攻击下的鲁棒性和不可见性。
2、Contourlet变换和SVD分解
Contourlet变换和奇异值分解（SVD）是实现本文数字版权保护鲁棒水印算法的核心技术，这两种技术的原理和特点如下。
2.1 Contourlet变换
Contourle变换[4]是一种新的图像多方向多尺度分析方法，它能在任意尺度上实现任意方向的分解，擅长描述图像中的轮廓和方向性纹理信息。Contourlet变换具有多分辨率、局部定位、多方向性、近邻界采样和各向异性等性质，其基函数分布于多尺度、多方向上，利用少量系数即可有效地捕捉图像中的边缘轮廓这一自然图像中的主要特征。Contourlet分解由Laplacian金字塔和方向滤波器组（DFB）两部分组成，采用Laplacian金字塔算法实现了多分辨率分解，采用方向滤波器组实现定向分解，即Laplacian金字塔结构导致分解的多尺度属性，而方向滤波器组导致分解的定向属性。
2.2 SVD分解
奇异值分解（SVD）常在矩阵求逆、数据降维表示和图像去噪等中应用。由于图像可以看成是一个非负矩阵，因此图像处理也可以应用矩阵中奇异值分解。矩阵奇异值分解（SVD）是一种将矩阵对角化的算法，矩阵A的奇异值分解定义为。其中，正交矩阵，，对角阵，其元素满足。奇异值具有转置不变性、旋转不变性、位移不变性等性质，在数字水印中采用SVD技术具有如下优势：（1）稳定性好，小的扰动添加到图像时，它的奇异值不会显著变化，在奇异值中嵌入水印必然会有不错的鲁棒性；
（2）奇异值表现的是图像内蕴特性而非视觉特性，这为水印不可见性提供了保障。
3、水印嵌入与检测
利用DCT 、DWT、Contourlet、SVD等方法进行数字水印算法的研究已经有人研究[5][6]，本文尝试对融合Contourlet变换和SVD分解方法的图像水印技术性能进行析，如图1所示，该方法的水印嵌入过程简述（如图1）。
（1）分别对载体图像和水印图像进行Contourlet变换；
（2）将SVD分解应用于载体图像和水印图像Contourlet变换的低频子带，得到奇异值和；
（3）使用两图像数据的奇异值进行水印嵌入；
其中，是比例因子，也是水印算法的密钥参数，为输出图像的奇异值。
（4）新的奇异值进行逆分解获得新的Contourlet系数；
（5）进行逆Contourlet变换获得嵌入水印后的图像。
水印检测是上述水印嵌入过程的逆过程，其关键是在第三步将奇异值计算方法修改为。
4、实验结果
利用“Barbara”图像和“Lena”图像作为载体图像，“子予之印”图像作为水印图像，本文方法进行水印嵌入及不同攻击下的检测结果如图2所示。利用信噪比（SNR）、峰值信噪比（PSNR）和归一化相关系数（NC）进行了统计分析，图2（b）中嵌入水印后的图像的SNR：和PSNR分别为26.4138和39.7996，提取的水印NC为0.99874。图2（c）和（d）中嵌入水印后的Leba图像分别经过高斯噪声和JPEG压缩攻击，检测出的水印数据相关系数NC分别为0.98971和0.99784。将“子予之印”作为水印图像，在8种常见图像处理测试中进行嵌入和检测，其平均SNR为26.7520，平均PSNR为39.8171，平均NC为0.99503（如图2）。
实验结果表明，对于不同载体图像和水印图像，本文方法得到的嵌入水印图像没有明显的视觉退化；
在水印图像受到椒盐噪声、高斯噪声、JPEG压缩、直方图均衡、伽玛校正等攻击时，提取的水印都有品质很优的归一化相关系数，说明了这种混合水印算法有很强的鲁棒性，能满足版权保护对鲁棒性的需求。
5、结语
本文提出了一种融合Contourlet变换和SVD分解的用于多媒体版权保护的鲁棒性数字水印技术。Contourlet变换可以凭借其良好的多分辨率、平移不变性和多方向性特点在图像的边缘和轮廓处给予渐近的最优表示，SVD分解又具有很好的稳定性和不可见性。实验结果表明，这种混合技术在多种线性和非线性滤波、噪声及几何攻击下均能获得鲁棒的水印提取效果，很适合进行数字多媒体版权保护。
参考文献
[1]Li B， He J， Huang J， Shi Y. A survey on image steganography and steganalysis[J]. Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing，2011，2（2）：142-172.
[2]Singh V. Digital watermarking：
a tutorial[J]. Multidisciplinary Journals in Science and Technology， January 2011， 10-21.
[3]刘瑞祯，谭铁牛.基于奇异值分解的数字图像水印方法[J].电子学报，2001.29（2）：168-171.
[4]Minh N. Do， Martin Vetterli. The Contourlet transform：
an efficient directional multiresolution image representation[J]. IEEE Transaction on Image Processing， 2005， 14（12）：
2091-2106.
