藍夏梅

(中國人民武裝警察部隊工程大學，陜西西安710086)

0 引言

作為數(shù)字媒體作品知識產(chǎn)權保護的一種有效手段,數(shù)字水印技術的研究吸引了國內(nèi)外研究人員的極大興趣, 并已成為一個研究熱點。在實際應用中,數(shù)字圖像是最基本的數(shù)據(jù)，而彩色圖像在數(shù)字圖像應用中占主導地位，可以說與灰度圖像水印算法相比，彩色圖像的水印算法更具實用性。 近年來,彩色圖像數(shù)字水印技術的研究取得了很大進展,研究人員提出了很多優(yōu)秀的數(shù)字水印算法。

1 彩色圖像水印及特征

彩色圖像數(shù)字水印技術通過一定的算法將具有特定意義的水印信息隱藏在彩色數(shù)字圖像中，水印信息的嵌入不能影響圖像的正常使用。 一般來講，彩色圖像數(shù)字水印應具有如下的基本特性：

1.1 可證明性

在需要證明數(shù)字作品的版權時，水印應提供完全可靠的證明。 水印算法能夠?qū)⑺姓叩挠嘘P信息嵌入到數(shù)字圖像中，并在需要的時候?qū)⑦@些信息提取出來，用來保護數(shù)字圖像的版權和內(nèi)容安全。

1.2 不可感知性

在圖像水印方面，不可感知性是指視覺上的不可感知，即指人的肉眼很難看出因嵌入水印導致數(shù)字圖像的變化，而且對數(shù)字圖像進行統(tǒng)計的方法時，水印不能被察覺。

1.3 魯棒性

魯棒性是指水印能承受大量的惡意處理和常規(guī)處理，常規(guī)處理主要有圖像壓縮、濾波、打印、掃描與復印、噪聲污染、旋轉(zhuǎn)、剪切等。在經(jīng)過大量處理和失真后，水印仍能被準確檢測出來并保持水印的相對完整。

1.4 安全性

水印嵌入后應具有安全性，即水印應嵌入在隱蔽的位置，隨機分布在數(shù)字圖像中，攻擊者不能發(fā)現(xiàn)水印的嵌入位置。

一般認為,魯棒性和不可感知性是相互矛盾的因素,水印算法的設計即是要在保證不可感知的前提下提高魯棒性。

2 彩色圖像數(shù)字水印的分類

2.1 按照水印的特性分類

按數(shù)字水印的特性可將水印分為魯棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。脆弱水印主要用于完整性保護，對圖像的任何改動都非常敏感，不能經(jīng)受任何處理， 可以根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)來判斷圖像是否被篡改過。 魯棒水印主要用于版權認證與保護，要求嵌入水印后的數(shù)字圖像能夠經(jīng)受各種常用的處理操作，包括惡意的和無意的處理。 半脆弱水印主要用于認證，對常規(guī)的處理具有魯棒性，對惡意攻擊具有脆弱性。

2.2 按水印的外觀分類

從外觀上看，分為可見水印和不可見水印。 可見水印是在圖像中嵌入可見的水印，其目的是明確版權標識，在不妨礙所有者使用的前提下，可以防止被非法商業(yè)使用。不可見水印將數(shù)字水印隱藏，在需要證明物品所有者或其他信息時，可以從圖像中提取水印，不可見水印的應用更廣泛。

2.3 按水印的提取方法分類

按照水印提取時是否需要原始載體和原始水印可將數(shù)字水印分為非盲水印、半盲水印和盲水印。 非盲水印在提取過程中需要原始圖像和原始水印。 半盲水印則需要原始圖像和原始水印的部分信息。 盲水印在提取時不需要原始圖像和原始水印。

2.4 按水印的隱藏位置分類

根據(jù)隱藏位置的不同， 可分為空間域數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印。 空間域數(shù)字水印是直接在數(shù)據(jù)上改變或者疊加水印信息，其最大優(yōu)點是直觀、算法簡單、可嵌入信息量大，其缺點是穩(wěn)健性比較差。 變換域水印充分利用人類視覺系統(tǒng)特性，通過一定的算法在進行了某種可逆的數(shù)學變換的圖像的變換域嵌入水印。其優(yōu)點是可嵌入水印的數(shù)據(jù)大，具有較好的魯棒性，且不容易引起視覺上的可見性，但算法復雜度較高。

3 彩色圖像數(shù)字水印的常見算法及評價標準

根據(jù)水印的實現(xiàn)過程，彩色圖像水印算法可分為空間域算法和變換域算法。 早期對數(shù)字水印技術的研究都是在空間域進行的，典型算法有最低有效位算法、量化算法和拼湊算法等?？臻g域算法比較簡單，但魯棒性不如變換域算法。變換域算法是在經(jīng)過某些圖像變換后的圖像中嵌入水印，可以充分結合人類視覺的特性，通常具有很好的魯棒性和不可感知性。 其實現(xiàn)一般是基于圖像變換，常見的有離散傅立葉變換、離散小波變換、離散余弦變換等。 此處重點介紹一下變換域算法。

3.1 離散傅里葉變換(DFT)

圖像在進行二維傅立葉變換后能夠反映圖像的頻域關系，根據(jù)傅立葉變換后的變換系數(shù)選擇嵌入的位置。 離散傅立葉變換具有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放不變性，利用離散傅立葉變換得到的水印能有效抵抗幾何攻擊，但該方法的抗壓縮能力比較弱。

3.2 離散余弦變換(DCT)

離散余弦變換的主要思想是把水印信息嵌入到人眼視覺敏感的中低頻系數(shù)中。 二維離散余弦變換是JEPG 壓縮的核心技術，采用離散余弦變換的水印算法能較好的抵抗JEPG 有損壓縮，但不可感知性不是最佳。

3.3 離散小波變換(DWT)

離散小波變換是一種時間-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。圖像經(jīng)過離散小波變換后可以得到水平、垂直、對角線和低頻四個多尺度分析子圖，將水印信息嵌入到低頻系數(shù)中具有良好的視覺效果，不可感知性最好。

對水印系統(tǒng)或者水印方案的評估是多方面的，可分為主觀評價和客觀評價。 主觀評價是從人的視覺角度考慮的，在評價過程中主要考慮水印的不可感知性。客觀評價需要對算法的不可感知性、魯棒性、安全性等多方面進行客觀的評價。 迄今為止，還沒有一個良好的客觀評價手段來對水印進行合理公平的評價。 常用的評價標準主要有信噪比、峰值信噪比和歸一化系數(shù)等。

4 彩色圖像數(shù)字水印的應用

4.1 版權保護

版權保護是彩色圖像數(shù)字水印的最主要應用，版權保護水印能有效防止數(shù)字圖像被盜版使用。數(shù)字作品的所有者在對外公開發(fā)布其作品之前，可以將版權保護水印嵌入到原始圖像中，當其作品被盜版或出現(xiàn)版權糾紛時，從盜版圖像或其水印作品中提取的水印信號就可以作為依據(jù)，來保護所有者的合法權益。 版權保護水印要求具有較強的魯棒性，能夠承受各種常規(guī)處理和惡意攻擊。

4.2 圖像認證

圖像認證是用來檢測含水印圖像的完整性，檢測其是否被修改、偽造或被特殊處理，而將數(shù)字水印信息嵌入到原始圖像中。這類應用采用脆弱水印、半脆弱水印為多，對水印的魯棒性要求很低，并且檢測水印時不需要提供原始圖像。

4.3 票據(jù)防偽

在支票、貨幣、電子票據(jù)中嵌入不可感知的數(shù)字水印信息，檢測水印的存在來判斷票據(jù)的真?zhèn)巍?/p>

5 小結

彩色圖像數(shù)字水印技術作為一門新興的學科交叉的應用技術,是信息隱藏學的重要分支。 它結合了不同學科領域的理論和技術,如通信理論、密碼學、計算機科學與網(wǎng)絡技術、算法設計等,還包括法律等方面的問題。彩色圖像數(shù)字水印作為當前多媒體信息安全領域的熱點技術,已經(jīng)受到國際學術界和企業(yè)界的高度重視,可以預見,彩色圖像數(shù)字水印技術將在版權保護等領域繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。

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