數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字圖書(shū)館版權(quán)保護(hù)問(wèn)題中的應(yīng)用

摘 要：近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用通信網(wǎng)絡(luò)傳送學(xué)術(shù)文獻(xiàn)等圖書(shū)資料復(fù)制品越來(lái)越普及，數(shù)字圖書(shū)館的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越得到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。本文通過(guò)一種基于DCT域魯棒水印技術(shù)的方法來(lái)舉例說(shuō)明，數(shù)字水印技術(shù)能夠保護(hù)版權(quán)和信息安全，解決數(shù)字圖書(shū)館的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；數(shù)字圖書(shū)館；版權(quán)保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309.7

數(shù)字圖書(shū)館是用數(shù)字技術(shù)存儲(chǔ)和處理各種圖片、文字和聲像等文獻(xiàn)的圖書(shū)館，也是一種多媒體制作的分布式信息系統(tǒng)，包括信息資源加工、存儲(chǔ)、檢索、傳輸和利用等過(guò)程。它是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建成的，不受時(shí)空限制，可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)查詢(xún)和傳播，緩解了高校圖書(shū)館文獻(xiàn)服務(wù)與讀者信息需求之間的矛盾。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化作品的復(fù)制、下載、盜版等行為變得更加容易，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題比傳統(tǒng)紙質(zhì)文獻(xiàn)也更為復(fù)雜和突出，這就需要一種技術(shù)能夠有效的保護(hù)版權(quán)和信息安全。數(shù)字水印技術(shù)恰好解決了這一問(wèn)題，它主要用于數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)及其真實(shí)性和完整性的認(rèn)證，是當(dāng)前多媒體信息安全領(lǐng)域發(fā)展最快的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

1 數(shù)字水印技術(shù)的概念及特性

數(shù)字水印技術(shù)是一種信息隱藏技術(shù)，用來(lái)對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行標(biāo)記和鑒別，而不是保護(hù)數(shù)字作品免受非授權(quán)訪問(wèn)，屬于事后保護(hù)手段[1]。它的基本思想是在數(shù)字文本、圖像、音頻和視頻等數(shù)字產(chǎn)品中嵌入秘密信息，以便保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)、證明數(shù)字產(chǎn)品的真實(shí)可靠性、跟蹤盜版行為，提供產(chǎn)品的附加信息。其中秘密信息可以是版權(quán)標(biāo)識(shí)、用戶序列號(hào)或產(chǎn)品相關(guān)信息。為了防止正常的數(shù)據(jù)操作技術(shù)對(duì)隱藏信息的破壞，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)具有不易被正常數(shù)據(jù)操作破壞的特性[2]。通常，數(shù)字水印應(yīng)具有如下的基本特性：

（1）不可見(jiàn)性。它是指通過(guò)技術(shù)處理，是隱藏的信息無(wú)法被視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)發(fā)現(xiàn)。

（2）魯棒性。指保證隱藏?cái)?shù)據(jù)不被正常的數(shù)據(jù)操作技術(shù)破壞的特性。

（3）安全性。指保證隱藏?cái)?shù)據(jù)在遭到惡意攻擊時(shí)不被破壞的特性。

2 數(shù)字水印技術(shù)的原理

數(shù)字水印系統(tǒng)主要包含嵌入和提取兩大部分。嵌入過(guò)程至少有兩個(gè)輸入量：一個(gè)是原始信息或版權(quán)信息，它通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q后作為將被嵌入的水??；另一個(gè)是要被嵌入水印的載體，可以是文檔、圖片、音頻、視頻等。含有水印的載體，通常用于傳輸和轉(zhuǎn)錄，在傳輸或轉(zhuǎn)錄過(guò)程中可能會(huì)受到不同種類(lèi)和程度的攻擊。水印的嵌入要綜合考慮到數(shù)字水印的不可見(jiàn)性和魯棒性，在完成數(shù)字水印功能的同時(shí)兼顧這兩個(gè)方面的需要，既保證數(shù)字水印的不可見(jiàn)性，又具備一定的魯棒性[3]。在提取水印時(shí)，將含有水印的作品作為輸入量，利用水印提取算法，將水印從載體中提取出來(lái)。通常數(shù)字水印處理系統(tǒng)基本框架可以如圖1所示。

圖1 數(shù)字水印系統(tǒng)

3 典型算法實(shí)例

根據(jù)水印的實(shí)現(xiàn)方法可將水印分成兩類(lèi)：空域算法和頻域算法。空域算法就是直接修改圖像的像素值，在圖像的亮度或色帶中嵌入水印信息，典型的算法是最低有效位（LSB）算法，這類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)嵌入信息量大，具有較好的不可見(jiàn)性。Amit Singh等人提出了改進(jìn)的LSB算法[4]。頻域算法是利用某些數(shù)學(xué)變換，在變換域表示圖像，通過(guò)改變圖像的某些變換系數(shù)嵌入水印，再利用反變換生成含有水印的圖像。目前已有的方法主要集中在離散小波變換（DWT），離散余弦變換（DCT）、離散傅里葉變換（DFT）等等。這類(lèi)方法具有較好的魯棒性，可以抵抗一定強(qiáng)度的攻擊，適用于數(shù)字圖書(shū)館數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)，在保證數(shù)字水印透明性及安全同時(shí)具備較高的魯棒性[3]。Okkyung Choi等人提出了一種抗幾何攻擊的DCT域水印算法[5]。

下面以一種基于DCT域的魯棒水印算法為例[6]，實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入和提取過(guò)程。

3.1 水印嵌入

根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）特性可知，圖像的紋理越復(fù)雜，人眼對(duì)圖像中的輕微變化就越不敏感。為了實(shí)現(xiàn)原始載體圖像和嵌入水印后的載體圖像之間的感知相似性，應(yīng)盡可能的將水印嵌入到圖像中紋理較復(fù)雜的部分。

具體步驟如下：

（1）將原始載體圖像分為互不重疊的8×8子塊，再對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換。

（2）子塊的方差σ2反映了子塊的平滑程度，用來(lái)衡量子塊紋理的復(fù)雜程度。當(dāng)σ2較大時(shí)，認(rèn)為子塊中包含較為復(fù)雜的紋理或邊緣信息。因此，應(yīng)計(jì)算出所有子塊的方差值，并選出方差值最大的前n塊。子塊平均灰度m和方差σ2的計(jì)算公式如下：

（3）選擇一幅二值水印圖像作為版權(quán)信息，將二值水印圖像轉(zhuǎn)換為一維向量，并作為待嵌入的水印信息。根據(jù)密鑰K將水印信息嵌入到原始載體圖像的中頻部分，再將子塊進(jìn)行DCT逆變換生成含有水印的圖像。

3.2 水印提取

（1）將原始載體圖像和含水印圖像做DCT變換并求差，比較其相關(guān)性，確定序列mv。

（2）計(jì)算子塊的方差值，找到水印嵌入位置。

（3）根據(jù)序列mv和子塊紋理復(fù)雜度的次序形成一維水印序列。

（4）將一維水印序列重新構(gòu)成二位水印圖像，并以此進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文在Matlab環(huán)境中實(shí)現(xiàn)該算法，用多幅512×512大小的標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像作為原始載體圖像，64×64大小的二值圖像作為水印圖像，并反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用以機(jī)器為主體對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀評(píng)價(jià)方法。從圖像中提取一些特征參數(shù)作為研究分析的對(duì)象，處理并作比較，得出的數(shù)據(jù)如均方誤差（MSE）、峰值信噪比（PSNR）等作為對(duì)圖像的客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)，通常認(rèn)為當(dāng)PSNR的值大于30時(shí)，圖像質(zhì)量較好，人眼不能有效察覺(jué)出圖像的改變。因此，峰值信噪比（PSNR）作為本文圖像質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并比較原始水印和提取水印的相似度。均方誤差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）計(jì)算公式如下[2]：

（1）選取“l(fā)ena”圖像作為原始載體圖像，嵌入水印后載體圖像的PSNR值為39.4769。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖2 未受攻擊情況下的對(duì)比圖像

表1 含水印圖像受到攻擊后的水印相似度比較結(jié)果

攻擊類(lèi)型原始水印圖像與提取水印圖像的相似度

椒鹽噪聲0.010.8066

高斯噪聲0.0020.8612

JPEG壓縮（60）0.9089

（2）選取“peppers”圖像作為原始載體圖像，嵌入水印后載體圖像的PSNR值為39.4176。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖3 未受攻擊情況下的對(duì)比圖像

表2 含水印圖像受到攻擊后的水印相似度比較結(jié)果

攻擊類(lèi)型原始水印圖像與提取水印圖像的相似度

椒鹽噪聲0.010.7909

高斯噪聲0.0020.8532

JPEG壓縮（60）0.9173

由此可見(jiàn)，數(shù)字圖像利用該算法在受到一定攻擊后，仍可恢復(fù)較完整的版權(quán)信息，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)數(shù)字作品版權(quán)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)一種基于DCT域的魯棒水印算法來(lái)說(shuō)明數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字圖書(shū)館中的作用，并得出了結(jié)論。數(shù)字圖書(shū)館的建設(shè)成為了現(xiàn)代高校圖書(shū)館建設(shè)的發(fā)展方向。數(shù)字圖書(shū)館在強(qiáng)化、拓展、提升傳統(tǒng)圖書(shū)館信息傳播功能的同時(shí)，日益突出的版權(quán)問(wèn)題也制約著數(shù)字圖書(shū)館的進(jìn)一步發(fā)展[3]。利用數(shù)字水印技術(shù)來(lái)解決數(shù)字圖書(shū)館面臨的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題，提高數(shù)字圖書(shū)館建設(shè)的質(zhì)量和效益，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)圖書(shū)館向數(shù)字化、信息化現(xiàn)代圖書(shū)館的轉(zhuǎn)變，是我們將要繼續(xù)研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]周軍.數(shù)字圖書(shū)館建設(shè)中的數(shù)字水印技術(shù)[J].中國(guó)科技信息，2006（10）：183-189.

[2]任卷芳.基于獨(dú)立分量分析和噪聲可見(jiàn)性函數(shù)的信息隱藏方法研究[D].東北師范大學(xué)，2011.

[3]陳旭暉.數(shù)字水印系統(tǒng)在高校數(shù)字圖書(shū)館中的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2011（10）：12-16.

[4]Amit Singh，Susheel Jain， Anurag Jain.Digital Watermarking Method Using Replacement of Second Least Significant Bit（LSB）with Inverse of LSB. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. Volume 3，Issue 2，F(xiàn)ebruary 2013：121-124.

[5]Okkyung Choi，InBae Jeon，Seung-Wha Yoo，SeungbinMoon.An Extended DCT Domain Watermarking for Robot Vision against Geometric Image Attacks.Journal of Applied Mathematics.Volume 2013，Article ID 632043，8 pages.

[6]龔聲蓉，劉純平，王強(qiáng).數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：任卷芳（1983-），女，吉林人，館員，碩士，研究方向：圖像處理與模式識(shí)別；高巖（1982-），男，吉林人，研究方向：圖像處理與模式識(shí)別；海濤（1965-），女，蒙古族，副研究館員，研究方向：圖書(shū)館服務(wù)。

作者單位：吉林動(dòng)畫(huà)學(xué)院，長(zhǎng)春 130032；吉林省民航機(jī)場(chǎng)集團(tuán)公司，長(zhǎng)春 130000