周伟峰
（上海大学 机电与自动化学院，上海200072）
摘要：首先对数字水印技术进行了详细介绍，学习研究了数字水印技术的基本原理、基本特性及系统的设计。选取数字水印技术的离散余弦算法作为本文的主要研究方向，重点分析了基于DCT的水印方案。对离散余弦变换( DCT) 域的图像水印的生成、嵌入、提取做了详细的分析、实验, 结果表明: 这种算法较好地兼顾了水印技术的透明性和鲁棒性的要求。和谐农村
关键词：数字水印；离散余弦变换；鲁棒性；水印方案
Research of Digital Watermark Based on DCT Domain
Zhou Wei-feng
(School of Mechatronical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)
Abstract: In this paper we first introduce the research background of digital watermarking basic principles and technique characteristics。 It was analyzed in detail hereby about generating, embedding and extracting of image watermark with DCT domain. It was concluded that the algorithm hereinafter gave better consideration to the demand of both transparency and robustness to watermark technology.
Key words: Digital Watermark; DCT; robustness; watermarking scheme
1 引言
1.1 数字水印技术
数字水印技术是指用信号处理的方法在声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的隐蔽的信息，这些信息通常是不可见的，不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提取。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对象或它的所有者有关 。
作为传统加密系统的有效补充办法，从1993年Caronni正式提出数字水印到现在的十几年时间里，无论国内还是国外对数字水印的研究都引起了人们的极大关注。在国外方面，由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，虽然在数字水印方面的研究刚起步不久，但该技术研究的发展速度非常快。国内方面，我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。数字水印技术从正式提出到现在虽然只有短短几年，但由于它是应用于开放性网络上的多媒体信息隐藏技术，为解决版权保护和内容完整性认证、来源认证、篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个崭新的技术研究方向，因此在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用前景。
从研究意义来看，对它的研究具有重要的学术、经济和军事价值一方面，它将促进多媒体技术、网络技术、通信技术、信号处理技术等多门新兴技术的有机结合，促进多媒体网络的进一步繁荣；另一方面，它将有助于多媒体信息版权保护极其版权冲突问题的解决。同时，它将促进隐蔽通信技术，信息安全技术的提高。
1.2 基于离散余弦变换的数字水印技术
DCT变换域数字水印是目前研究最多的一种数字水印，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的特点。其主要思想是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息。之所以选择中、低频系数，是因为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，一般的图像处理过程也不会改变这部分数据。
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E. Koch和J.Zhao较早提出了利用DCT分解来设计水印的算法 ，他们不是把水印加载到整幅图像上，而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印，水印所选择的区域是由密钥来控制的。Cox等人在文献中提出了基于图像全局变换的水印方法。他们重要的贡献是明确提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才能有较强的鲁棒性。的水印方案是对整个图像进行DCT变换，然后将水印加载在低频分量上。它的实现方法是首先对整幅图像进行二维DCT变换，然后选取除直流(DC)分量外的1000个较大的低频DCT系数并加以改变，用一个服从N （0，1）分布的高斯序列来调制水印序列，伪随机序列是以密钥为种子来产生的，密钥通常由作者的标识码和图像相关信息的散列值组成。检测时通过计算高斯序列与从加水印图像中得到的1000个改动过的低频DCT系数的相关性来判断水印是否存在。该算法不仅在视觉上具有水印的不可察觉性，而且水印的鲁棒性非常好，可经受一定程度的有损JPEG压缩、滤波、D/A及A/D转换等信号处理，也可以经受一般的几何变换如
剪切、缩放、平移及旋转等操作，对复印和扫描等处理也具有较强的鲁棒性。该算法具有较强的鲁棒性和安全性。由于该算法是由LTEc实验室的Cox等人提出的，因此又称为NEC算法 。
2 数字水印技术理论
人类社会经历了农业、工业社会后进入了信息化社会。生活在当今信息化社会里，人们不得不承认我们周边的“信息场”发生了两个重大变化:一是信息空间的结构越来越复杂，信息源的频率范围越来越宽，也就是说，我们的研究对象更加复杂;二是随着信息科学和技术发展，科学家和工程师获取信息的手段和方法越来越多样化。在这样的背景下，数据融合技术应运而生。数据融合的最终目的是构造高性能智能化系统。
2.1 数字水印的基本原理
从图像处理的角度来看，嵌入水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于人类视觉模型HVS(Human Vision System)的对比度门限,HVS就无法感到信号的存在。从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道(载体图像)上用效益最大化
扩频技术传输一个窄带信号(水印信号)。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的检测就相当于是一个有噪声信道中弱信号的检测问题。
通常，可以定义水印为如下的信号：
W=｛W(k)|W(k)∈U,k∈o,1,2,…M-1｝
其中，W有时被称为原始水印，以区别与可能在嵌入或检测过程中变换处理以后的水印。M为水印序列的长度，U代表水印的值域。水印信号可以是二进制形（如：U=（0，1）或U = （-1，1）），也可以是高斯噪声形式（如均值为0，方差为1的高斯白噪声N(0,1)），或者其本身也是一幅图像，其幅值相对要保护的数字产品的幅值而言应该是很小的。
我们可以将数字水印系统的基本框架定义为六元体 表示 。
其中：1、X表示要被保护的数字产品X的集合。其中Xo为表示原始数字作品，Xw表示含水印的数字作品。
2、W为水印信号集合。
3、K是水印密钥集合。
4、G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法，即
G:X×K→W,W=G(X,K)
5、E表示将水印W嵌入到数字作品X中的嵌入算法，即
E: Xo×W→Xw,Xw=E(Xo,W)
6、D表示水印的检测算法。
D: X×K→(0,1)
D(X,K)=
其中，H1和H0分别表示水印的有无。
扶绥中学2.2 数字水印的基本特性
一般地，数字水印应具有如下的特征：
(1)稳健性:指经过常规的处理操作后，水印算法仍能从水印作品中检测到水印的能力。这些处理包括常见的图像处理(图像压缩、低通滤波、高通滤波和图像增强等马克思主义指导思想)、几何失真变换(剪切、图像缩放、平移和旋转等)、噪声干扰、打印和扫描等。稳健性对于水印而言极为重要，通常只要求水印在嵌入和检测之间的信号处理操作中存在。对于不同的应用需求，要求有不同程度的稳健性。
(2)不可感知性:不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可感知性，即嵌入水印后不能导致图像质量在视觉上发生明显地变化。另一方面，用统计方法是不能恢复水印。
(3)安全性:指水印能够抵御未经授权的人的攻击的能力，这些攻击指专门为了阻碍水印发挥作用的处理行为。主要有三大类型的攻击。一类为未经授权的删除，指阻止检测出作品中水印的攻击。另一类为未经授权的嵌入(伪造)，指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为。第三类为未经授权的检测，按照其严重性不同，又可以分为三种程度。第一种最严重，指未经授权者检测并解密出嵌入水印的信息。第二种稍轻，指未经授权者检测出水印并且可以区分不同的水印信息，但是不能解读水印的具体含义。第三种最轻，
指未经授权者能够判断水印的存在，但不能解读水印信息，也不能区分嵌入信息。
(4)有效性:指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。水印系统的有效性可能低于100%，如果要尽量接近期望的100%的有效性，需要在其它特性方面付出较高的代价。在实际的应用中，为了在其它特性方面获得更好的性能，需要牺牲一些有效性。在某些情况下，水印系统的有效性需要经分析后才能确定。
2.3 数字水印系统的设计
数据融合常用的方法有:Un规则、贝叶斯准则、证据推理、模糊积分、确定性理论、神经网络方法等。下面简要介绍。
在实际应用中，一个完整水印系统的设计通常包括水印的生成、嵌入、提取和检测四个部分。
(1) 水印生成:通常基于伪随机数发生器或混沌系统来产生水印信号，从水印的稳健性和安全性考虑，常常需要对水印进行预处理来适应水印嵌入算法
(2) 水印嵌入:尽量保证水印不可感知性的前提下，嵌入最大强度的水印，来提高水印的稳健性。水印的嵌入过程如图2-1所示。有三种常用的水印嵌入准则。一类为加法准则(Xi＇= Xi+a Wi)。｛Xi｝为原始图像，｛Wi｝为水印信号，｛Xi＇｝为含水印图像。a为水印嵌入强度，它的选择必须考虑图像的实际情况和人类的视觉特性。加法准则是一种普遍的水印嵌入方式，嵌入水印时没有考虑到原始图像各像素之间的差异，因此，用此方法嵌入水印后图像质量在视觉上变化较大，影响了水印的稳健性。另一类为乘法准则(Xi＇= Xi(1+a Wi))，它考虑到原始图像各像素间的差异，因此，乘法准则的性能在很多方面要优于加法准则。第三类为融合准则(Xi＇=(1-a)Xi+a Wi)，近年来，融合准则引起了人们的广泛关注，它综合考虑了原始图像和水印图像，在不影响人的视觉效果的前提下，对原始图像做了一定程度地修改。
水印嵌入框图如下：
图2-1 水印嵌入框图
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(3) 水印提取:指水印可比较精确地被提取出来的过程，比如在完整性确认的应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印信息，并且可以通过水印的完整性情况来确认多媒体数据的完整性。水印的提取和检测可以需要原始图像的参与，也可不需要原始图像的参与，如果没有原始图像，则提取和检测将比较困难。水印的提取过程如图2-2所示，虚框表示提取水印信号时并不一定需要原始图像。
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