彩色图像数字水印技术的应用

蓝夏梅

(中国人民武装警察部队工程大学，陕西西安710086)

0 引言

作为数字媒体作品知识产权保护的一种有效手段,数字水印技术的研究吸引了国内外研究人员的极大兴趣, 并已成为一个研究热点。在实际应用中,数字图像是最基本的数据，而彩色图像在数字图像应用中占主导地位，可以说与灰度图像水印算法相比，彩色图像的水印算法更具实用性。 近年来,彩色图像数字水印技术的研究取得了很大进展,研究人员提出了很多优秀的数字水印算法。

1 彩色图像水印及特征

彩色图像数字水印技术通过一定的算法将具有特定意义的水印信息隐藏在彩色数字图像中，水印信息的嵌入不能影响图像的正常使用。 一般来讲，彩色图像数字水印应具有如下的基本特性：

1.1 可证明性

在需要证明数字作品的版权时，水印应提供完全可靠的证明。 水印算法能够将所有者的有关信息嵌入到数字图像中，并在需要的时候将这些信息提取出来，用来保护数字图像的版权和内容安全。

1.2 不可感知性

在图像水印方面，不可感知性是指视觉上的不可感知，即指人的肉眼很难看出因嵌入水印导致数字图像的变化，而且对数字图像进行统计的方法时，水印不能被察觉。

1.3 鲁棒性

鲁棒性是指水印能承受大量的恶意处理和常规处理，常规处理主要有图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、旋转、剪切等。在经过大量处理和失真后，水印仍能被准确检测出来并保持水印的相对完整。

1.4 安全性

水印嵌入后应具有安全性，即水印应嵌入在隐蔽的位置，随机分布在数字图像中，攻击者不能发现水印的嵌入位置。

一般认为,鲁棒性和不可感知性是相互矛盾的因素,水印算法的设计即是要在保证不可感知的前提下提高鲁棒性。

2 彩色图像数字水印的分类

2.1 按照水印的特性分类

按数字水印的特性可将水印分为鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。脆弱水印主要用于完整性保护，对图像的任何改动都非常敏感，不能经受任何处理， 可以根据脆弱水印的状态来判断图像是否被篡改过。 鲁棒水印主要用于版权认证与保护，要求嵌入水印后的数字图像能够经受各种常用的处理操作，包括恶意的和无意的处理。 半脆弱水印主要用于认证，对常规的处理具有鲁棒性，对恶意攻击具有脆弱性。

2.2 按水印的外观分类

从外观上看，分为可见水印和不可见水印。 可见水印是在图像中嵌入可见的水印，其目的是明确版权标识，在不妨碍所有者使用的前提下，可以防止被非法商业使用。不可见水印将数字水印隐藏，在需要证明物品所有者或其他信息时，可以从图像中提取水印，不可见水印的应用更广泛。

2.3 按水印的提取方法分类

按照水印提取时是否需要原始载体和原始水印可将数字水印分为非盲水印、半盲水印和盲水印。 非盲水印在提取过程中需要原始图像和原始水印。 半盲水印则需要原始图像和原始水印的部分信息。 盲水印在提取时不需要原始图像和原始水印。

2.4 按水印的隐藏位置分类

根据隐藏位置的不同， 可分为空间域数字水印和变换域数字水印。 空间域数字水印是直接在数据上改变或者叠加水印信息，其最大优点是直观、算法简单、可嵌入信息量大，其缺点是稳健性比较差。 变换域水印充分利用人类视觉系统特性，通过一定的算法在进行了某种可逆的数学变换的图像的变换域嵌入水印。其优点是可嵌入水印的数据大，具有较好的鲁棒性，且不容易引起视觉上的可见性，但算法复杂度较高。

3 彩色图像数字水印的常见算法及评价标准

根据水印的实现过程，彩色图像水印算法可分为空间域算法和变换域算法。 早期对数字水印技术的研究都是在空间域进行的，典型算法有最低有效位算法、量化算法和拼凑算法等。空间域算法比较简单，但鲁棒性不如变换域算法。变换域算法是在经过某些图像变换后的图像中嵌入水印，可以充分结合人类视觉的特性，通常具有很好的鲁棒性和不可感知性。 其实现一般是基于图像变换，常见的有离散傅立叶变换、离散小波变换、离散余弦变换等。 此处重点介绍一下变换域算法。

3.1 离散傅里叶变换(DFT)

图像在进行二维傅立叶变换后能够反映图像的频域关系，根据傅立叶变换后的变换系数选择嵌入的位置。 离散傅立叶变换具有平移、旋转、缩放不变性，利用离散傅立叶变换得到的水印能有效抵抗几何攻击，但该方法的抗压缩能力比较弱。

3.2 离散余弦变换(DCT)

离散余弦变换的主要思想是把水印信息嵌入到人眼视觉敏感的中低频系数中。 二维离散余弦变换是JEPG 压缩的核心技术，采用离散余弦变换的水印算法能较好的抵抗JEPG 有损压缩，但不可感知性不是最佳。

3.3 离散小波变换(DWT)

离散小波变换是一种时间-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。图像经过离散小波变换后可以得到水平、垂直、对角线和低频四个多尺度分析子图，将水印信息嵌入到低频系数中具有良好的视觉效果，不可感知性最好。

对水印系统或者水印方案的评估是多方面的，可分为主观评价和客观评价。 主观评价是从人的视觉角度考虑的，在评价过程中主要考虑水印的不可感知性。客观评价需要对算法的不可感知性、鲁棒性、安全性等多方面进行客观的评价。 迄今为止，还没有一个良好的客观评价手段来对水印进行合理公平的评价。 常用的评价标准主要有信噪比、峰值信噪比和归一化系数等。

4 彩色图像数字水印的应用

4.1 版权保护

版权保护是彩色图像数字水印的最主要应用，版权保护水印能有效防止数字图像被盗版使用。数字作品的所有者在对外公开发布其作品之前，可以将版权保护水印嵌入到原始图像中，当其作品被盗版或出现版权纠纷时，从盗版图像或其水印作品中提取的水印信号就可以作为依据，来保护所有者的合法权益。 版权保护水印要求具有较强的鲁棒性，能够承受各种常规处理和恶意攻击。

4.2 图像认证

图像认证是用来检测含水印图像的完整性，检测其是否被修改、伪造或被特殊处理，而将数字水印信息嵌入到原始图像中。这类应用采用脆弱水印、半脆弱水印为多，对水印的鲁棒性要求很低，并且检测水印时不需要提供原始图像。

4.3 票据防伪

在支票、货币、电子票据中嵌入不可感知的数字水印信息，检测水印的存在来判断票据的真伪。

5 小结

彩色图像数字水印技术作为一门新兴的学科交叉的应用技术,是信息隐藏学的重要分支。 它结合了不同学科领域的理论和技术,如通信理论、密码学、计算机科学与网络技术、算法设计等,还包括法律等方面的问题。彩色图像数字水印作为当前多媒体信息安全领域的热点技术,已经受到国际学术界和企业界的高度重视,可以预见,彩色图像数字水印技术将在版权保护等领域继续发挥其重要作用。

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