摘 要：數(shù)字水印是一種全新的數(shù)字產(chǎn)品保護技術，是信息隱藏技術的一種，這種技術將數(shù)字水印嵌到各種數(shù)字產(chǎn)品中，最終達到保護信息安全的目的。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、隱蔽性好的特點。該系統(tǒng)是一種對原始圖像作分塊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。

關鍵詞：DCT；數(shù)字圖像水?。浑x散余弦；魯棒性

中圖分類號：TP309

1 數(shù)字水印技術研究的意義

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

數(shù)字水印技術，從1993年Caronni正式提出數(shù)字水印到現(xiàn)在，無論國內(nèi)還是國外對數(shù)字水印的研究都引起了人們的關注。在國外方面，由于有大公司的介入和美國軍方及財政部的支持，雖然在數(shù)字水印方面的研究剛起步不久，但該技術研究的發(fā)展速度非?？?。1998年以來，《IEEE圖像處理》、《IEEE會報》、《IEEE通信選題》、《IEEE消費電子學》等許多國際重要期刊都組織了數(shù)字水印的技術專刊或專題新聞報道，SPIE和IEEE的一些重要國際會議也開辟了相關的專題。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，也已經(jīng)取得了一定的研究成果，而且從學術領域的研究成果來看，我國的研究與世界水平相差的并不遠，并且有自己的獨特研究思路。

數(shù)字水印的主要用途可以分為以下幾類：（1）版權標識水印。數(shù)字水印將各種信息放在各種需要保護的數(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）隱蔽標識水印。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)代各種先進輸出設備的發(fā)展，使得各種票據(jù)的偽造變得更加容易，數(shù)字水印技術可以增加偽造的難度。因此，研究數(shù)字技術非常有必要性。

2 基于DCT數(shù)字圖像水印技術的研究

2.1 數(shù)字水印的概念

數(shù)字水印技術是指用信號處理的方法在多媒體數(shù)據(jù)中嵌入某些能證明版權歸屬或跟蹤侵權行為的隱蔽的信息，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，可以達到確認內(nèi)容創(chuàng)建者，購買者或判斷內(nèi)容是否真實完整的目的。水印系統(tǒng)所隱藏的信息總是與被保護的數(shù)字對象或它的所有者有關。

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：

圖像信號經(jīng)過變換后，變換系數(shù)幾乎不相關，經(jīng)過反變換重構圖像信道誤差和量化誤差將像隨機噪聲一樣分散到塊中的各個像素中去，不會造成誤差累積，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）看成一個二維矩陣直接對其進行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壓縮標準相統(tǒng)一，先把圖像分成8*8的不同小塊，再分別對每一塊進行DCT變換，進而嵌入水印，本文采用后一種方法嵌入水印。

一般數(shù)字水印應具有如下的特征：無論經(jīng)過怎樣復雜的操作處理，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人的攻擊，同時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)的設計與實現(xiàn)

3.1 MATLAB軟件的介紹

MATLAB是目前最強大的編程工具之一，本文將利用MATLAB7.0軟件進行基于DCT的數(shù)字水印算法的系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。

MATLAB語言簡潔緊湊，庫函數(shù)豐富，程序書寫形式自由，運算符豐富，使用方便靈活。MATLAB具有結構化的面向對象編程的特性，可移植性好，且具有較強的圖形編輯界面和功能強大的工具箱。同時，MATLAB中的源程序具有開放性，可以通過對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)字水印技術集成了DCT等函數(shù)，方便了研究人員編寫源程序，易實現(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)的設計與實現(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，一類是直接對整幅圖像進行DCT整體計算，然后嵌入水印。另一類是先將整幅圖像分成塊，對每一塊分別進行DCT計算，最后再嵌入水印。由于分塊DCT計算速度比整體DCT計算速度快得多，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)的設計與實現(xiàn)，可以提供用戶一個良好的交互手段，用戶可以利用本系統(tǒng)進行水印的嵌入、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)功能模塊設計

（1）水印生成。通常是通過偽隨機數(shù)發(fā)生器或混沌系統(tǒng)來產(chǎn)生水印信號，通常需要對水印進行預處理來適應水印嵌入算法。

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

（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)實現(xiàn)

一個完整水印系統(tǒng)的設計通常包括水印的生成、嵌入、提取和檢測四個部分。

通過選取實驗圖片，點擊導入圖片，然后進行水印的嵌入，再對嵌入水印的圖片進行高斯噪聲、濾波、剪切、旋轉等攻擊實驗后，可以繼續(xù)提取水印，進行水印信號的檢測。

（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，然后對每一塊都進行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：W～N（0，1）；

3）將每個8×8的DCT系數(shù)矩陣從每一塊的中頻段取出（（64×Nw）/（M×N））個系數(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)對原來位置的DCT系數(shù)進行置換。

6）對新的DCT系數(shù)矩陣進行DCT反變換，得到了嵌入水印信號后的圖像。

4 結束語

本論文是在應用了MATLAB7.0軟件，設計和實現(xiàn)了完整的數(shù)字圖像水印處理系統(tǒng)，包括水印的嵌入、提取與驗證過程。所提出的方案均在該系統(tǒng)中進行了驗證。

數(shù)字水印技術的發(fā)展時間雖然不長，但其在版權保護、內(nèi)容的完整性以及認證方面都做出了一定的貢獻。未來，數(shù)字水印在知識產(chǎn)權的保護、內(nèi)容認證等方面會有一個更好的應用前景。我們應該抓住信息時代對于數(shù)字版權保護的迫切需求，開發(fā)出自己的水印產(chǎn)品。

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作者簡介：黃俊霞（1981-），女，山西運城人，助講，研究方向：計算機教學。

作者單位：運城幼兒師范高等?？茖W校，山西運城 044000