多媒体课件的数字图像水印保护*

李 雷，鲁利民，薛 飞

（西南财经大学 高级工商管理教育中心，四川 成都 610075）

多媒体课件的数字图像水印保护*

李 雷，鲁利民，薛 飞

（西南财经大学 高级工商管理教育中心，四川 成都 610075）

随着高校校园网建设的逐步完善，教师的多媒体课件等相关数字教学内容也广泛传播。如何保护教师多媒体课件的作品版权已受到学校的高度重视。数字图像水印技术作为版权保护的重要手段，已得到广泛的研究和应用。本文利用基于DCT（Discrete Cosine Transform）离散余弦变换的数字图像水印算法很好地实现了高校教师多媒体课件的版权保护，它具有鲁棒性强、隐蔽性好等特点。

数字图像水印；多媒体课件；DCT；版权保护

目前，多媒体教学已被越来越多的学校和教师所采用。作为多媒体教学的核心，多媒体课件的内容也越来越丰富，并在校园网和互联网上发布、传播、共享。同时，这些共享的多媒体教学课件被非法复制、篡改也变得越来越容易，版权拥有者——教师的权益受到了极大的侵犯。因此，多媒体教学课件的版权保护已成为了一个亟待解决的问题。

目前，几乎在所有大学的公开网站上都发布有大量的教学资源，其中包括教学大纲、教学幻灯片、教学讲义、教学录像、教学软件、习题等大量的数字多媒体内容，如果谁都可以任意下载使用和传播，就会严重损害创作者的创作权益。[1]数字图像水印是实现版权保护的有效办法。如今，数字图像水印已成为数字多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。数字图像水印技术即是通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印来证实该数据的所有权。[2]这种被嵌入的水印信息可以是一段文字、标识、所有权信息、序列号等。数字图像水印通常是不可见或不可察的，它与原始数据（如图像、音频、视频数据）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而保存下来。换一种考虑可以看成是信息隐藏，利用数字图像水印的不可察觉性将重要的信息加入到原数据中传输，提高需要传输信息的安全性。[3]

一、数字图像水印研究现状

数字图像水印技术自1993年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极地参与或投资支持此方面的研究。

国际学术界陆续发表了许多关于数字图像水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议 （例如IEEE，SPIE等）及一些国际权威学术期刊相继出版了有关数字图像水印技术的专题。在图像水印方面，美国的Digimarc公司率先推出了第一个商用数字图像水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到Adobe公司的Photoshop和CorelDraw图像处理软件中。AlpVision公司推出的LavelIt软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于Word文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。[4]

随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，我国在该领域的研究这些年也从跟踪逐步转向自主研究，许多大学和研究所等科研机构纷纷致力于数字水印技术的研究，并在国内也开办了生产水印产品的公司。虽然数字图像水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字图像水印技术在国内不仅仅停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。[5]

二、基于DCT的数字图像水印技术研究

1.DCT理论体系

数字图像水印算法分空域和变换域，其中变换域具有更好的视觉效果和鲁棒性，其中基于DCT（Discrete Cosine Transform）离散余弦变换的数字图像水印算法就是最常用一种,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域上选择直流系数叠加水印信息。利用离散余弦变换嵌入的数字图像水印具有感官上的不可见性，并且原图像信息丢失量少，根据离散余弦变换抗几何变换的性质，使水印图像能够抵抗缩放和剪切等一系列攻击。并且能使用密钥较高精度地恢复水印。一个数字图像水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测。数字图像水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分——密钥，则是每个设计方案的一个重要特色所在。往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等不同环节入手完成密钥的嵌入。

数字图像水印嵌入的一般原理如图1所示：

上图展示了水印的嵌入过程。水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列或伪随机序列；字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像；3D图像等具有一定意义的图像。水印嵌入算法应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。密钥可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。

数字图像水印提取的一般过程如图2所示：

2.DCT数字图像水印基本特点

不同的应用对数字图像水印的要求不尽相同，一般认为数字图像水印应具有如下特点：

（1）透明性：对于以模拟方式存储和分发的信息（如电视节目），或是以物理形式存储的信息（如报刊、杂志），用可见的标志就足以表明其所有权。但在数字方式下，标志信息极易被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型和几何特性，利用用户提供的密钥将水印隐藏到一系列随机产生的位置中，使人无法察觉。

（2）鲁棒性：水印必须对一般的信号处理操作（如滤波、平滑、增强和有失真压缩等）、删除攻击和迷惑攻击等具有鲁棒性。除非对数字图像水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。

（3）不可检测性：包括两方面的含义：一是水印信息与原始载体数据具有一致的特性，使攻击者无法通过信息分析手段判断多媒体数据中是否存在水印；二是水印信息本身具有不可统计性，避免攻击者通过统计多个多媒体数据进而分析存在的相似性来进行攻击。

（4）安全性：指水印嵌入算法具有较强的抵抗攻击的能力，能够承受一定程度的人为攻击而使水印不会被破坏。

（5）自恢复性：经过一些操作或者变换之后，可能会使原始载体数据产生较大的破坏，如果从留下的片断数据能够恢复信号，就是所谓的自恢复性。

三、基于DCT的数字图像水印算法

1.水印预处理

数字图像可以看作是一个矩阵，矩阵的元素所在的行与列就是图像显示在计算机屏幕上的诸像素点的坐标，元素的值就是像素的灰度。对于一幅图像，如果把它数字化得到一个矩阵，改变矩阵元素的位置或灰度值，图像就会变成另外一幅图像。作为信息隐藏的基础性工作，置乱技术已经取得了较大的发展，提出了很多有效的方法，如基于Arnold变换、幻方、仿射变换、Gray码变换的置乱方法。Arnold变换具有算法简单，运算快和具有周期性等特点。本文采用Arnold变换来对水印图像进行置乱。

2.水印嵌入

本文采用 512×512的灰度图像 I（Lena）和 64×64的水印图像W为例。嵌入过程如下：

（1）读入需要嵌入水印的原图像I和水印图像W。

（2）对水印图像W进行二值化处理。

（3）利用Arnold变换对水印图像进行预处理，采用5次变换。

（4）将原图分成 8×8大小的分块 ai，j，按从左到右、从上到下的顺序对每一块进行 DCT 变换 Ai，j=DC T（ai，j）。 得到 Ai，j={Fi，j（u,v）,1≦u,v≦8}。

（5）将水印信息嵌入到DCT变换的直流分量。

（6）对修改过的子块进行反DCT变换。

（7）重复步骤5、6直到将所有水印信息都加到图像当中。

3.水印提取

水印的提取是嵌入的逆过程，假设给定义嵌入水印的图像I’，n为置乱次数，提取方法如下：

（1）把含水印的图像I’分成8×8的子块进行DCT变换。

（2）对直流系数进行判断，判断出水印信息。

（3）重复上述步骤，直到所有的水印都提出。

（4）对提出的水印信息进行5次反Arnold变换，即提出水印信息。

四、结束语

多媒体教学课件的版权保护是当前计算机多媒体教学实际中一个亟待解决的突出问题。本文通过运用基于DCT数字图像水印技术在本校多媒体课件上进行应用，在实际工作中取得了较好的效果。通过研究各类变换域水印技术，认为DCT域的水印算法由于其计算量较小、易实现，与目前流行的压缩标准兼容，便于压缩域中实现水印编码，是比较适合用于高校多媒体课件版权保护的。

[1]孙丹,程鹏.数字版权管理技术在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2004（3）.

[2]孙圣,陆哲明,牛夏牧.数字水印技术及应用[M].北京：科学出版社,2004.

[3]邢轻,柏森,刘耀东.水印攻击方法综述[J].重庆通信学院学报,2005（2）.

[4]俞银燕,汤帜.数字版权保护技术研究综述[J].计算机学报,2005（12）.

[5]范科峰.数字版权管理技术及应用研究进展[J].电子学报,2007（6）.

（编辑：隗爽）

TP309.2

B

1673-8454（2010）21-0077-03

*本文为四川省科技厅软件学项目（2010ZR 0023）。