李 雷，魯利民，薛 飛

（西南財經(jīng)大學 高級工商管理教育中心，四川 成都 610075）

多媒體課件的數(shù)字圖像水印保護*

李 雷，魯利民，薛 飛

（西南財經(jīng)大學 高級工商管理教育中心，四川 成都 610075）

隨著高校校園網(wǎng)建設的逐步完善，教師的多媒體課件等相關數(shù)字教學內(nèi)容也廣泛傳播。如何保護教師多媒體課件的作品版權已受到學校的高度重視。數(shù)字圖像水印技術作為版權保護的重要手段，已得到廣泛的研究和應用。本文利用基于DCT（Discrete Cosine Transform）離散余弦變換的數(shù)字圖像水印算法很好地實現(xiàn)了高校教師多媒體課件的版權保護，它具有魯棒性強、隱蔽性好等特點。

數(shù)字圖像水印；多媒體課件；DCT；版權保護

目前，多媒體教學已被越來越多的學校和教師所采用。作為多媒體教學的核心，多媒體課件的內(nèi)容也越來越豐富，并在校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布、傳播、共享。同時，這些共享的多媒體教學課件被非法復制、篡改也變得越來越容易，版權擁有者——教師的權益受到了極大的侵犯。因此，多媒體教學課件的版權保護已成為了一個亟待解決的問題。

目前，幾乎在所有大學的公開網(wǎng)站上都發(fā)布有大量的教學資源，其中包括教學大綱、教學幻燈片、教學講義、教學錄像、教學軟件、習題等大量的數(shù)字多媒體內(nèi)容，如果誰都可以任意下載使用和傳播，就會嚴重損害創(chuàng)作者的創(chuàng)作權益。[1]數(shù)字圖像水印是實現(xiàn)版權保護的有效辦法。如今，數(shù)字圖像水印已成為數(shù)字多媒體信息安全研究領域的一個熱點，也是信息隱藏技術研究領域的重要分支。數(shù)字圖像水印技術即是通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息——水印來證實該數(shù)據(jù)的所有權。[2]這種被嵌入的水印信息可以是一段文字、標識、所有權信息、序列號等。數(shù)字圖像水印通常是不可見或不可察的，它與原始數(shù)據(jù)（如圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù)）緊密結合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價值或商用價值的操作而保存下來。換一種考慮可以看成是信息隱藏，利用數(shù)字圖像水印的不可察覺性將重要的信息加入到原數(shù)據(jù)中傳輸，提高需要傳輸信息的安全性。[3]

一、數(shù)字圖像水印研究現(xiàn)狀

數(shù)字圖像水印技術自1993年被提出以來，由于其在信息安全和經(jīng)濟上的重要地位，發(fā)展較為迅速，世界各國的科研機構、大學和商業(yè)集團都積極地參與或投資支持此方面的研究。

國際學術界陸續(xù)發(fā)表了許多關于數(shù)字圖像水印技術方面的文章，幾個有影響的國際會議 （例如IEEE，SPIE等）及一些國際權威學術期刊相繼出版了有關數(shù)字圖像水印技術的專題。在圖像水印方面，美國的Digimarc公司率先推出了第一個商用數(shù)字圖像水印軟件，而后又以插件形式將該軟件集成到Adobe公司的Photoshop和CorelDraw圖像處理軟件中。AlpVision公司推出的LavelIt軟件，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字符，這些字符標記可以作為原始文件出處的證明，也就是說，任何電子圖片，無論是用于Word文檔、出版物，還是電子郵件或者網(wǎng)頁，都可以借助于隱藏的標記知道它的原始出處。[4]

隨著技術信息交流的加快和水印技術的迅速發(fā)展，我國在該領域的研究這些年也從跟蹤逐步轉向自主研究，許多大學和研究所等科研機構紛紛致力于數(shù)字水印技術的研究，并在國內(nèi)也開辦了生產(chǎn)水印產(chǎn)品的公司。雖然數(shù)字圖像水印在國內(nèi)的應用還處于初級階段，但水印公司的創(chuàng)辦使得數(shù)字圖像水印技術在國內(nèi)不僅僅停留在理論研究的層面上，而是從此走上了實用化和商業(yè)化的道路，這樣會更加推動國內(nèi)水印技術的蓬勃發(fā)展，為國內(nèi)的信息安全產(chǎn)業(yè)提供有效的、安全的保障。[5]

二、基于DCT的數(shù)字圖像水印技術研究

1.DCT理論體系

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DCT（Discrete Cosine Transform）離散余弦變換的數(shù)字圖像水印算法就是最常用一種,它具有魯棒性強、隱蔽性好的特點。其主要思想是在圖像的DCT域上選擇直流系數(shù)疊加水印信息。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縮放和剪切等一系列攻擊。并且能使用密鑰較高精度地恢復水印。一個數(shù)字圖像水印方案一般包括三個基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或檢測。數(shù)字圖像水印技術實際上是通過對水印載體媒質(zhì)的分析、嵌入信息的預處理、信息嵌入點的選擇、嵌入方式的設計、嵌入調(diào)制的控制等幾個相關技術環(huán)節(jié)進行合理優(yōu)化，尋求滿足不可感知性、安全可靠性、穩(wěn)健性等諸條件約束下的準最優(yōu)化設計問題。而作為水印信息的重要組成部分——密鑰，則是每個設計方案的一個重要特色所在。往往可以在信息預處理、嵌入點的選擇和調(diào)制控制等不同環(huán)節(jié)入手完成密鑰的嵌入。

數(shù)字圖像水印嵌入的一般原理如圖1所示：

上圖展示了水印的嵌入過程。水印信息可以是任何形式的數(shù)據(jù)，如隨機序列或偽隨機序列；字符或柵格；二值圖像、灰度圖像或彩色圖像；3D圖像等具有一定意義的圖像。水印嵌入算法應保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。密鑰可用來加強安全性，以避免未授權的恢復和修復水印。所有的實用系統(tǒng)必須使用一個密鑰，有的甚至使用幾個密鑰的組合。

數(shù)字圖像水印提取的一般過程如圖2所示：

2.DCT數(shù)字圖像水印基本特點

不同的應用對數(shù)字圖像水印的要求不盡相同，一般認為數(shù)字圖像水印應具有如下特點：

（1）透明性：對于以模擬方式存儲和分發(fā)的信息（如電視節(jié)目），或是以物理形式存儲的信息（如報刊、雜志），用可見的標志就足以表明其所有權。但在數(shù)字方式下，標志信息極易被修改或擦除。因此應根據(jù)多媒體信息的類型和幾何特性，利用用戶提供的密鑰將水印隱藏到一系列隨機產(chǎn)生的位置中，使人無法察覺。

（2）魯棒性：水印必須對一般的信號處理操作（如濾波、平滑、增強和有失真壓縮等）、刪除攻擊和迷惑攻擊等具有魯棒性。除非對數(shù)字圖像水印具有足夠的先驗知識，任何破壞和消除水印的企圖都將嚴重破壞多媒體信息的質(zhì)量。

（3）不可檢測性：包括兩方面的含義：一是水印信息與原始載體數(shù)據(jù)具有一致的特性，使攻擊者無法通過信息分析手段判斷多媒體數(shù)據(jù)中是否存在水印；二是水印信息本身具有不可統(tǒng)計性，避免攻擊者通過統(tǒng)計多個多媒體數(shù)據(jù)進而分析存在的相似性來進行攻擊。

（4）安全性：指水印嵌入算法具有較強的抵抗攻擊的能力，能夠承受一定程度的人為攻擊而使水印不會被破壞。

（5）自恢復性：經(jīng)過一些操作或者變換之后，可能會使原始載體數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的破壞，如果從留下的片斷數(shù)據(jù)能夠恢復信號，就是所謂的自恢復性。

三、基于DCT的數(shù)字圖像水印算法

1.水印預處理

數(shù)字圖像可以看作是一個矩陣，矩陣的元素所在的行與列就是圖像顯示在計算機屏幕上的諸像素點的坐標，元素的值就是像素的灰度。對于一幅圖像，如果把它數(shù)字化得到一個矩陣，改變矩陣元素的位置或灰度值，圖像就會變成另外一幅圖像。作為信息隱藏的基礎性工作，置亂技術已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，提出了很多有效的方法，如基于Arnold變換、幻方、仿射變換、Gray碼變換的置亂方法。Arnold變換具有算法簡單，運算快和具有周期性等特點。本文采用Arnold變換來對水印圖像進行置亂。

2.水印嵌入

本文采用 512×512的灰度圖像 I（Lena）和 64×64的水印圖像W為例。嵌入過程如下：

（1）讀入需要嵌入水印的原圖像I和水印圖像W。

（2）對水印圖像W進行二值化處理。

（3）利用Arnold變換對水印圖像進行預處理，采用5次變換。

（4）將原圖分成 8×8大小的分塊 ai，j，按從左到右、從上到下的順序?qū)γ恳粔K進行 DCT 變換 Ai，j=DC T（ai，j）。 得到 Ai，j={Fi，j（u,v）,1≦u,v≦8}。

（5）將水印信息嵌入到DCT變換的直流分量。

（6）對修改過的子塊進行反DCT變換。

（7）重復步驟5、6直到將所有水印信息都加到圖像當中。

3.水印提取

水印的提取是嵌入的逆過程，假設給定義嵌入水印的圖像I’，n為置亂次數(shù)，提取方法如下：

（1）把含水印的圖像I’分成8×8的子塊進行DCT變換。

（2）對直流系數(shù)進行判斷，判斷出水印信息。

（3）重復上述步驟，直到所有的水印都提出。

（4）對提出的水印信息進行5次反Arnold變換，即提出水印信息。

四、結束語

多媒體教學課件的版權保護是當前計算機多媒體教學實際中一個亟待解決的突出問題。本文通過運用基于DCT數(shù)字圖像水印技術在本校多媒體課件上進行應用，在實際工作中取得了較好的效果。通過研究各類變換域水印技術，認為DCT域的水印算法由于其計算量較小、易實現(xiàn)，與目前流行的壓縮標準兼容，便于壓縮域中實現(xiàn)水印編碼，是比較適合用于高校多媒體課件版權保護的。

[1]孫丹,程鵬.數(shù)字版權管理技術在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2004（3）.

[2]孫圣,陸哲明,牛夏牧.數(shù)字水印技術及應用[M].北京：科學出版社,2004.

[3]邢輕,柏森,劉耀東.水印攻擊方法綜述[J].重慶通信學院學報,2005（2）.

[4]俞銀燕,湯幟.數(shù)字版權保護技術研究綜述[J].計算機學報,2005（12）.

[5]范科峰.數(shù)字版權管理技術及應用研究進展[J].電子學報,2007（6）.

（編輯：隗爽）

TP309.2

B

1673-8454（2010）21-0077-03

*本文為四川省科技廳軟件學項目（2010ZR 0023）。