數(shù)字水印技術(shù)及基于MATLAB的快速實現(xiàn)

1、數(shù)字水印技術(shù)及基于MATLAB的快速實現(xiàn)摘要：數(shù)字水印是近幾年來出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)技術(shù)，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)該文論述了數(shù)字水印的提出及研究現(xiàn)狀、水印的基本原理和算法、水印的分類等情況，并介紹了一種可以快速上手的高效的實用語言MATLAB，同時給出了一個用MATLAB工具在靜止圖像上嵌入水印的實例。關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；MATLAB；DCT1 引言 多媒體及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展使得多媒體信息的交流和傳輸變得更加簡單和快捷，然而，這也使盜版者能以低廉的成本復(fù)制及傳播未經(jīng)授權(quán)的數(shù)字產(chǎn)品，這種對數(shù)字產(chǎn)品保護(hù)和信息安全的迫切需求，導(dǎo)致了數(shù)字水印技術(shù)成為多媒體信息安全領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題。數(shù)字水印技術(shù)是在不

2、影響宿主媒體主觀質(zhì)量的情況下，在宿主媒體（文本、圖像、視頻、音頻）中嵌入不易被人察覺的標(biāo)識信息，用以證明原創(chuàng)作者對其作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)。 2 數(shù)字水印的特征 一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)具有以下特征 ： (1) 安全性 數(shù)字水印應(yīng)該是安全、難以被篡改的。當(dāng)數(shù)字作品發(fā)生變化時，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)也相應(yīng)發(fā)生變化 ；同時，未經(jīng)授權(quán)的個人不得修改水印，理論上是未經(jīng)授權(quán)的用戶不能檢測到產(chǎn)品中是否含有水印。 (2) 魯棒性 當(dāng)被保護(hù)的數(shù)據(jù)在經(jīng)過攻擊后，嵌入的水印信息仍能保持好的完整性并能以一定的正確概率被檢測到。這些可能的攻擊包括噪聲、濾波、剪切、旋轉(zhuǎn)和編碼等。 (3) 不可感知性 數(shù)字水印的嵌

3、入不應(yīng)使得原始作品發(fā)生可以感知的變化，也不能使得被保護(hù)數(shù)據(jù)在質(zhì)量上發(fā)生可以感覺到的失真。 (4) 可證明性 在多媒體作品的實際應(yīng)用過程中可能需要多次加入水印，這時水印系統(tǒng)必須能夠允許水印被多次嵌入到被保護(hù)的數(shù)據(jù)，而且每個水印均能獨(dú)立地被證明。 (5) 無歧義性 恢復(fù)出的水印或?qū)λ∨袥Q結(jié)果能夠表明版權(quán)的惟一，不會發(fā)生多重版權(quán)糾紛問題。 3 數(shù)字水印的基本原理 通用的水印技術(shù)包含兩個方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測，如圖1和圖2所示。 圖 1 水印信號嵌入 圖 2 水印信號提取或檢測 4 數(shù)字水印的研究現(xiàn)狀 4.1 文本水印 文本水印就是將代表著作人身份的信息(水印)嵌入到電子出版物中，在產(chǎn)生

4、版權(quán)糾紛時來驗證版權(quán)的歸屬。其主要分為三大類：基于文檔結(jié)構(gòu)的水印方法、基于自然語言處理技術(shù)的水印方法、基于傳統(tǒng)圖像的水印方法。 基于文檔結(jié)構(gòu)的各種水印方法都只是提留在文本的表層，無法抵抗對于文本結(jié)構(gòu)和格式的攻擊，簡單的重新錄入攻擊就能使之失效，因此這些水印方法普遍存在魯棒性差的缺點(diǎn)。自然語言文本水印方法相對提高了抗攻擊的能力，但普遍存在容量不足的問題?；趥鹘y(tǒng)圖像的文本水印普遍存在魯棒性不高、操作復(fù)雜的缺點(diǎn)。 4.2 圖像水印 根據(jù)水印的實現(xiàn)過程，圖像水印算法可分為空域算法和變換域算法?？沼蛩惴ㄊ峭ㄟ^直接改變原始圖像的像素值來嵌入水印，通常具有較快的速度，但魯棒性差，且水印容量也會受到限制 ；

5、變換域算法是通過改變某些變換系數(shù)來嵌入水印，通常具有很好的魯棒性和不可見性。其實現(xiàn)一般是基于圖像變換，如DCT、DFT、DWT等。重點(diǎn)介紹一下變換域算法。 4.2.1 離散傅里葉變換 (DFT) 該方法是利用圖像的DFT來嵌入信息。通信理論中調(diào)相信號的抗干擾能力比調(diào)幅信號的抗干擾能力強(qiáng)，同樣在圖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穩(wěn)健。實驗表明該方法的抗壓縮能力比較弱。 4.2.2 離散余弦變換 (DCT) DCT能把空間域的圖像轉(zhuǎn)換到變換域上進(jìn)行研究，從而能很容易了解到圖像的各空間頻域成分，進(jìn)行相應(yīng)處理?；贒CT的水印方法與基于DFT的水印方法相比有較好的魯棒性，但是無法做

6、到對圖像信號內(nèi)容的自適應(yīng)，因此往往會造成對圖像特征的明顯損害，不可感知性不是最佳。 4.2.3 離散小波變換 (DWT) DWT是一種時間-頻率信號的多分辨率分析方法，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。實驗表明，與DCT、DFT變換相比較，基于DWT的水印算法的魯棒性最優(yōu)，且與JPEG2000、MPEG4壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，利用DWT產(chǎn)生的水印具有良好的視覺效果和抵抗多種攻擊的能力，且不可感知性最好。 4.3 音頻水印 音頻水印利用音頻文件的冗余信息和人耳聽覺系統(tǒng)的特點(diǎn)來嵌入水印，其可以保護(hù)聲音數(shù)字產(chǎn)品不被隨意復(fù)制和篡改，如CD唱片，廣播電臺的節(jié)目內(nèi)容等。音頻水印的三種基本方法 ：擴(kuò)頻嵌入方法

7、、回聲隱藏方法和相位編碼方法。 4.4 視頻水印 視頻水印是通過對視頻載體的時間和空間冗余來嵌入水印，其既不影響視頻質(zhì)量，又能達(dá)到保護(hù)節(jié)目制作者的合法權(quán)益和控制數(shù)字產(chǎn)品的復(fù)制。視頻水印從算法要求上同圖像水印有許多相似之處，但視頻水印也有一些獨(dú)特之處，如能夠在壓縮和未壓縮的格式下實時完成水印的檢測，對MPEG壓縮、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等都有較好的穩(wěn)健性。 數(shù)字水印技術(shù)涉及到通信理論、編碼理論、噪聲理論、視聽覺感知理論、擴(kuò)頻技術(shù)、信號處理技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、模式識別技術(shù)、算法設(shè)計等理論，用到經(jīng)典的DFT離散傅立葉變換、DCT離散余弦變換和近代最先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具小波即DWT離散小波變換技

8、術(shù)。而以上算法的計算量都非常大，用Visual C+或者其它語言編程實現(xiàn)這些變換和逆變換也需要很長的代碼，由此造成研究人員把大量的時間和精力浪費(fèi)在與水印算法研究無關(guān)的問題上，下面我們介紹基于MATLAB的快速水印嵌入編程技術(shù)。 5 實用工具M(jìn)ATLAB介紹 5.1 MATLAB簡介 MATLAB是Mathworks公司發(fā)布的是集數(shù)學(xué)計算、圖形處理、結(jié)果可視化和程序語言設(shè)計于一體的著名數(shù)學(xué)軟件，是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言。MATLAB的推出得到了各個領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各個專家學(xué)者相繼推出了MATLAB工具箱，其中的信號處理、控制系統(tǒng)、

9、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)化、模糊邏輯、小波、通信、統(tǒng)計等工具箱，這些工具箱給各個領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供了有力的工具，借助于這些“巨人肩上的工具”，各個層次的研究人員可直觀、方便地進(jìn)行分析、計算及設(shè)計工作，從而大大地節(jié)省了時間。 5.2 DCT數(shù)字圖像水印算法 選擇二值圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行8*8的分塊，將數(shù)字水印的值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實現(xiàn)水印的嵌入。 具體方法如下： （1）讀取原始公開圖像和黑白水印圖像到二維數(shù)組I與W; （2）將原始公開圖像I分割為互不覆蓋的圖像塊block(x

10、,y),10 F(p,q)=1; else F(p,q)=0; end end end figure(5);imshow(F,) 圖3 原始水印圖像圖4黑白水印圖像 圖5黑白水印圖像 大小256*256 大小128*128 大小32*32 圖6 嵌入水印后的圖像 圖7 提取的水印圖像 運(yùn)行結(jié)果如上圖所示，由此可以看到用MATLAB的編寫一個完整的水印嵌入算法只需幾十條語句便可以完成。這個例子充分證明了MATLAB在數(shù)字水印技術(shù)處理中的方便性和高效性。 6 結(jié)束語 用MATLAB這個當(dāng)前最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)工具來實現(xiàn)圖像中的水印嵌入是相當(dāng)有效的，MATLAB的程序代碼比其它語言的編碼要短很多，而且MATLAB在其它領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用，與其它的編程語言有較