基于離散余弦變換的數(shù)字圖像水印技術(shù)研究

摘 要：數(shù)字水印是一種全新的數(shù)字產(chǎn)品保護(hù)技術(shù)，是信息隱藏技術(shù)的一種，這種技術(shù)將數(shù)字水印嵌到各種數(shù)字產(chǎn)品中，最終達(dá)到保護(hù)信息安全的目的。數(shù)字圖像水印算法分空域和變換域，其中變換域具有更好的視覺效果和魯棒性，其中基于離散余弦變換（DCT for Discrete Cosine Transform）的數(shù)字圖像水印算法就是最常用一種，它具有魯棒性強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)。該系統(tǒng)是一種對(duì)原始圖像作分塊DCT變換后選取直流分量嵌入水印和提取水印的算法，利用離散余弦變換嵌入的數(shù)字圖像水印具有感官上的不可見性，并且原圖像信息丟失量少，根據(jù)離散余弦變換抗幾何變換的性質(zhì)，使水印圖像能夠抵抗噪聲和剪切等一系列攻擊。

關(guān)鍵詞：DCT；數(shù)字圖像水??；離散余弦；魯棒性

中圖分類號(hào)：TP309

1 數(shù)字水印技術(shù)研究的意義

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多的數(shù)字化產(chǎn)品易于加工，非法的復(fù)制和拷貝也比較容易，這樣嚴(yán)重?fù)p壞了數(shù)字產(chǎn)品的完整性以及數(shù)字產(chǎn)品作者的版權(quán)。為了解決這一問題，因而提出了數(shù)字水印技術(shù)。

數(shù)字水印技術(shù)，從1993年Caronni正式提出數(shù)字水印到現(xiàn)在，無論國內(nèi)還是國外對(duì)數(shù)字水印的研究都引起了人們的關(guān)注。在國外方面，由于有大公司的介入和美國軍方及財(cái)政部的支持，雖然在數(shù)字水印方面的研究剛起步不久，但該技術(shù)研究的發(fā)展速度非常快。1998年以來，《IEEE圖像處理》、《IEEE會(huì)報(bào)》、《IEEE通信選題》、《IEEE消費(fèi)電子學(xué)》等許多國際重要期刊都組織了數(shù)字水印的技術(shù)?？?qū)ｎ}新聞報(bào)道，SPIE和IEEE的一些重要國際會(huì)議也開辟了相關(guān)的專題。IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer電子公司和Sony公司等五家公司還宣布聯(lián)合研究基于信息隱藏的電子水印。國內(nèi)方面，我國的數(shù)字水印技術(shù)，也已經(jīng)取得了一定的研究成果，而且從學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究成果來看，我國的研究與世界水平相差的并不遠(yuǎn)，并且有自己的獨(dú)特研究思路。

數(shù)字水印的主要用途可以分為以下幾類：（1）版權(quán)標(biāo)識(shí)水印。數(shù)字水印將各種信息放在各種需要保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品中，即使經(jīng)過噪聲干擾、濾波、剪切、壓縮、旋轉(zhuǎn)等攻擊，水印仍可以繼續(xù)存在。例如Adobe公司在其著名的PS軟件Corel Draw圖像處理軟件中集成了Digimarc公司的數(shù)字水印插件。（2）篡改提示水印。檢測數(shù)字產(chǎn)品是否被修改、偽造等的處理的過程。（3）隱蔽標(biāo)識(shí)水印。在一些數(shù)字產(chǎn)品中，可以將數(shù)字水印嵌入作一些隱式注釋。（4）票據(jù)防偽水印。隨著現(xiàn)代各種先進(jìn)輸出設(shè)備的發(fā)展，使得各種票據(jù)的偽造變得更加容易，數(shù)字水印技術(shù)可以增加偽造的難度。因此，研究數(shù)字技術(shù)非常有必要性。

2 基于DCT數(shù)字圖像水印技術(shù)的研究

2.1 數(shù)字水印的概念

數(shù)字水印技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法在多媒體數(shù)據(jù)中嵌入某些能證明版權(quán)歸屬或跟蹤侵權(quán)行為的隱蔽的信息，這些信息通常是不可見的，不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到，這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息只有通過專用的監(jiān)測器或閱讀器才能提取。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者，購買者或判斷內(nèi)容是否真實(shí)完整的目的。水印系統(tǒng)所隱藏的信息總是與被保護(hù)的數(shù)字對(duì)象或它的所有者有關(guān)。

2.2 DCT數(shù)字圖像水印的基本理論

其中圖像二維DCT變換（M取8或16）有許多優(yōu)點(diǎn)：

圖像信號(hào)經(jīng)過變換后，變換系數(shù)幾乎不相關(guān)，經(jīng)過反變換重構(gòu)圖像信道誤差和量化誤差將像隨機(jī)噪聲一樣分散到塊中的各個(gè)像素中去，不會(huì)造成誤差累積，并且變換能將數(shù)據(jù)塊中的能量壓縮到為數(shù)不多的部分低頻系數(shù)中去（即DCT矩陣的左上角）。對(duì)于給定圖像f（m，n）存在兩種DCT變換方法：一種是把圖像f（m，n）看成一個(gè)二維矩陣直接對(duì)其進(jìn)行DCT變換，然后嵌入水印，Cox[3]采用此種方法；另一種方法是與JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，先把圖像分成8*8的不同小塊，再分別對(duì)每一塊進(jìn)行DCT變換，進(jìn)而嵌入水印，本文采用后一種方法嵌入水印。

一般數(shù)字水印應(yīng)具有如下的特征：無論經(jīng)過怎樣復(fù)雜的操作處理，通過水印算法仍能檢測到數(shù)字水印作品中的水印能力。即所謂的穩(wěn)健性；通過水印算法，嵌入水印后不能最終導(dǎo)致圖像的質(zhì)量在視覺上發(fā)生明顯變化，即視覺的不可感知性；通過數(shù)字水印算法能夠抵御非授權(quán)人的攻擊，同時(shí)檢測可以檢測到水印的概率，具有較高的安全性及有效性。

3 基于DCT的數(shù)字圖像水印算法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 MATLAB軟件的介紹

MATLAB是目前最強(qiáng)大的編程工具之一，本文將利用MATLAB7.0軟件進(jìn)行基于DCT的數(shù)字水印算法的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

MATLAB語言簡潔緊湊，庫函數(shù)豐富，程序書寫形式自由，運(yùn)算符豐富，使用方便靈活。MATLAB具有結(jié)構(gòu)化的面向?qū)ο缶幊痰奶匦?，可移植性好，且具有較強(qiáng)的圖形編輯界面和功能強(qiáng)大的工具箱。同時(shí)，MATLAB中的源程序具有開放性，可以通過對(duì)其的修改使其變成新的程序。不足之處是，MATLAB的程序執(zhí)行速度較慢。利用MATLAB研究數(shù)字水印技術(shù)集成了DCT等函數(shù)，方便了研究人員編寫源程序，易實(shí)現(xiàn)。使用了MATLAB中很多的工具箱。

3.2 基于DCT的數(shù)字圖像水印算法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 需求分析

離散余弦變換（Discrete Cosine Transform）簡稱DCT，基于DCT域的數(shù)字水印算法，可以分為兩大類，一類是直接對(duì)整幅圖像進(jìn)行DCT整體計(jì)算，然后嵌入水印。另一類是先將整幅圖像分成塊，對(duì)每一塊分別進(jìn)行DCT計(jì)算，最后再嵌入水印。由于分塊DCT計(jì)算速度比整體DCT計(jì)算速度快得多，因此目前DCT域的水印方法大多數(shù)是采用的分塊DCT方法。

基于DCT的數(shù)字圖像水印算法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以提供用戶一個(gè)良好的交互手段，用戶可以利用本系統(tǒng)進(jìn)行水印的嵌入、提取、攻擊等，本系統(tǒng)的可交互的，可視化的特點(diǎn)為用戶研究基于DCT的數(shù)字圖像水印算法提供了方便。

3.2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

（1）水印生成。通常是通過偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或混沌系統(tǒng)來產(chǎn)生水印信號(hào)，通常需要對(duì)水印進(jìn)行預(yù)處理來適應(yīng)水印嵌入算法。

（2）水印嵌入。水印嵌入的準(zhǔn)則常用的有三種，分別為加法準(zhǔn)則、乘法準(zhǔn)則、加法乘法混合準(zhǔn)則，混合準(zhǔn)則近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。

（3）水印提取。指水印被提取出來的過程。

（4）水印檢測。水印檢測是指判斷數(shù)字產(chǎn)品中是否存在水印的過程。

3.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

一個(gè)完整水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常包括水印的生成、嵌入、提取和檢測四個(gè)部分。

通過選取實(shí)驗(yàn)圖片，點(diǎn)擊導(dǎo)入圖片，然后進(jìn)行水印的嵌入，再對(duì)嵌入水印的圖片進(jìn)行高斯噪聲、濾波、剪切、旋轉(zhuǎn)等攻擊實(shí)驗(yàn)后，可以繼續(xù)提取水印，進(jìn)行水印信號(hào)的檢測。

（1）嵌入水印的過程。論文采用的是分塊DCT算法，水印嵌入步驟如下：

1）將灰度宿主圖像分成互不覆蓋的8×8的塊，然后對(duì)每一塊都進(jìn)行DCT變換，得到與宿主圖像相同尺寸的DCT域；

2）我們用密鑰生成長度為NW的Gaussian白噪聲作為水印信號(hào)：W～N（0，1）；

3）將每個(gè)8×8的DCT系數(shù)矩陣從每一塊的中頻段取出（（64×Nw）/（M×N））個(gè)系數(shù)CK（i，j），k=1，2，…Bnum；

4）根據(jù)公式W′=W（1+alfa*mark）嵌入水印，其中alfa為尺度因子，mark為水印信息，W為原圖象的分塊DCT系數(shù)。

5）用得到的新的DCT系數(shù)對(duì)原來位置的DCT系數(shù)進(jìn)行置換。

6）對(duì)新的DCT系數(shù)矩陣進(jìn)行DCT反變換，得到了嵌入水印信號(hào)后的圖像。

4 結(jié)束語

本論文是在應(yīng)用了MATLAB7.0軟件，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了完整的數(shù)字圖像水印處理系統(tǒng)，包括水印的嵌入、提取與驗(yàn)證過程。所提出的方案均在該系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展時(shí)間雖然不長，但其在版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容的完整性以及認(rèn)證方面都做出了一定的貢獻(xiàn)。未來，數(shù)字水印在知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證等方面會(huì)有一個(gè)更好的應(yīng)用前景。我們應(yīng)該抓住信息時(shí)代對(duì)于數(shù)字版權(quán)保護(hù)的迫切需求，開發(fā)出自己的水印產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫銳，孫洪，姚天任.多媒體水印技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，25（6）：772-776.

[2]王丙錫，陳琦，鄧峰森.數(shù)字水印技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3]余成波，楊菁，楊如民，周登義.數(shù)字信號(hào)處理及MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]王家文，李仰軍.MATLAB7.0圖形圖像處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[5]張問銀，梁永全.基于DCT的一種數(shù)字圖像水印策略[J].山東：山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.

[6]肖力.一種基于DCT域的數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)[J].鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[7]Rafael C.Gonzalez，Richad E.Woods.阮秋琦，阮宇智譯.數(shù)字圖像處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[8]耿永軍，朱雪芹.基于離散余弦變換的數(shù)字水印算法[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[9]M.jiang，Z.jiang.A New Searchless Fractal Image Encoding Method Based on Wavelet Decomposition.Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and automatiaon，（2006）：83-86.

作者簡介：黃俊霞（1981-），女，山西運(yùn)城人，助講，研究方向：計(jì)算機(jī)教學(xué)。

作者單位：運(yùn)城幼兒師范高等專科學(xué)校，山西運(yùn)城 044000