基于数字水印的图像防伪及版权保护方法研究

摘 要：信息技术的发展，使网络信息资源变得更容易被复制使用，侵权问题日益严重。数字水印技术的研究使用，可有效提高数字媒体信息的抗侵权能力。本文介绍了数字水印技术的基本情况，总结了其特点和常用算法，并通过基于离散余弦变换算法进行了水印的嵌入的提取实验，得到了较好的效果。

关键词：数字水印；信息隐藏；版权保护；离散余弦变换

随着计算机网络技术的发展，数字信息传输的安全问题逐渐显现，数字媒体的内容经常被复制、传播，从而给媒体制造商带来了损失，也制约和阻碍着多媒体的应用发展。因此，如何实施有效的办法来保护版权和信息的安全成了商业界和学术界共同关注的问题，而数字水印的加入是一项很有潜力也很有效的技术解决手段。

1 数字水印介绍

数字水印技术是数字信息的一种，其主要达到信息隐藏的目的，实现过程是往多媒体数据中添加某些数字信息而不影响原数据的效果来实施多媒体信息的版权保护。信息的添加，是通过数字算法时行处理的，而且信息的加入到媒体中后，不能改变原来信息的特征，也就是说这种标记是不可见的。这些隐藏的信息可以用作侵权证据，证明作者对作品的所有权，从而有效的起到媒体信息的防伪手段。媒体信息数字水印的应用过程分两个步骤，一是水印信息的嵌入，二是信息的提取。如在图像中加入水印，可以看作以图像为背景，重叠加入微弱信号，这个弱信号则为水印。而人眼的视觉对图像的分辨率不是无止境的，它有一定的限度，当我们在强背景下加入的这个弱信号低于此限度时，人眼是无法看到和感受到这个弱信号的存在的。因此只要加入的信号低于这个限度就可以做到不改变原始图像的基础上加入人眼看不到的水印信息。数字水印可用于版权保护，广播监控，还可以把作品的标题、注释的内容通过水印的形式嵌入到该作品中，不容易被发现而且不容易丢失。

2 数字水印的特征

数字水印的目的不在于限制其正常的图像复制，而在于保证隐蔽在其内的水印不被侵犯和发现。因此，在图像嵌入水印时，必须考虑到正常的信息操作对水印所造成的威胁，以及要求水印能够对通常的图像编辑处理操作具有一定的防御能力。数字水印应有较好的鲁棒性。也就是数字水印在被多种信号处理后的情况下，可以被准确的鉴别。嵌入水印后的数据经受对数据的处理和攻击后，嵌入的数据还可以被得到。图像嵌入水印后，图像和水印就会紧密的结合在一起，而且隐藏的水印信息不会被丢失。常见的攻击操作主要包括数据压缩、低通滤波、图像增强、噪声干扰、几何失真、A/D和D/A转换和打印扫描操作等，经过这些操作后，在鲁棒性较好的水印算法中水印信息依然可以被提取出来。水印应透明，观察经过水印处理的图像和原始的图像不应有较大区别，也即在人眼观察时，图像在视觉上不会有质量下降的感觉。水印和图像应具有一致的特性，如统计噪声分布等，不能被检测出水印，这样可以使非法攻击者无从确认该图像是否含有水印。在技术上，水印的嵌入和提取识别算法应简单易行，且具有较好的易恢复性。数字水印技术目前还有待提高，缺乏普遍性及原理性，较难进行全面的测试和测量。在鲁棒性和信息嵌入量之间也难以达到最佳状态，较难实现两者平衡。原图像所有权的证明问题还没有完全解决。通过破解现有算法，仍可以复制出原始图像，不能为版权归属提供有效证据。其他媒体信息，如音频、视频加入水印的算法方案还仍然没有得到很好地解决。现有水印算法中在原理上有许多雷同之处，需要进一步研究完善。

3 数字水印的算法

数字水印生成及嵌入是其两大关键技术。按水印嵌入处理方法的不同，可将图像数字水印的算法分成空域、变换域及压缩域算法三大类。空域水印处理算法中，信息的嵌入形式是比特流，位置是在图像各像素中最不重要的位置，这样可使得最终图像水印的隐密性。其实现简单方便，实用性强，水印容量也比较大，而且还能根据图像的局部特性进行自适应调整；缺点是比较脆弱，抗攻击能力差，与其他几种算法相比，其棒性也较差。变换域处理算法相对复杂，首先需要对原始图像进行离散余弦变换为小波变换，图像变换到变换域后，再嵌入水印信息，再经过反变换处理，得到含有水印信息的空域图像。其算法主要包括离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）域、离散傅里叶变换（DFT）域、哈德码变换域等，其中DCT域DWT域和DFT域是比较常见的，此类算法的水印嵌入和检测过程较为复杂，容量也不是太大，但是抗攻击能力特别强。

4 DCT的数字水印算法

典型的DCT域算法，具有很好的能量压缩能力和去相关能力。这种算法能有效抵御各种基本的图像处理操作。应用中，如将水印信息加入到图像的高频区域，可以提高数字水印的鲁棒性，但有可能使得到的最终图像与原始文件在视觉上产生较大差别。其算法的实现过程中，原始图像被均匀的切分为8×8的图像块，依据孟塞尔颜色系统对图块进行分类后，分别对其进行DCT变换。根据分类的情况，每个图块被嵌入不同的水印信息。之后，每个图块的DCT系数按顺序排列起来。直流系统表示在图像最左上方，用DCT表示。下一步是低频系数的安排，频率越高被排列的系数就越大，因此，图像的右下角是频率做高的系数，图像被按照能量的大小进行了频谱系数的区分。

5 DCT的数字水印算法实验

水印信息选用大小为64×64的二值图像，背景图像选用LENA图像，大小为512×512。基于DCT的数字水印算法如下：读入原图像LENA，并切分为8×8的块，把需要隐藏的图像用坐标标示。之后，对每一切分的图块进行DCT变换，读出二值水印图并嵌入。对嵌入的图像进行反DCT变换，得到最终带有水印信息的图像。水印提取算法是基于离散余弦变换的数字水印嵌入算法的逆过程，步骤如下：读出图像，将图像切分为8×8的块图，然后对每一切分的分块图像进行DCT变换，读出嵌入的水印信息，并提取。在这一实验过程中，最终得到的嵌入水印信息的图像观察效果好，与原图肉眼看不到差别，水印信息不可见，隐蔽性良好。读取过程中，水印信息能够被顺利读出，并且水印图与原水印图仅存在稍少差别。

6 结语

数字水印技术的发展与数字信息版权保护紧密相关，通过算法可以使多媒体嵌入水印而达到防伪的目的。当然，数字水印的算法还需要不断研究完善，如进一步提高算法的安全性、易用性等，只有这样，才能使数字水印技术真正起到防伪的目的，其应用也将更加广泛。

参考文献：

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[2] 高建華.论版权保护的图像数字水印技术研究[M].中国轻工业出版社，2012，31-32.

[3] 俄克拉斯.数字图像水印技术的实现[J].印刷杂志，2014，3（2）：10-14.

作者简介：文东越（1994-），男，汉族，山东济宁人，本科，研究方向：包装印刷技术。