摘 要：近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用通信網(wǎng)絡(luò)傳送學術(shù)文獻等圖書資料復制品越來越普及，數(shù)字圖書館的版權(quán)保護問題也越來越得到學術(shù)界的關(guān)注。本文通過一種基于DCT域魯棒水印技術(shù)的方法來舉例說明，數(shù)字水印技術(shù)能夠保護版權(quán)和信息安全，解決數(shù)字圖書館的版權(quán)保護問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；數(shù)字圖書館；版權(quán)保護

中圖分類號：TP309.7

數(shù)字圖書館是用數(shù)字技術(shù)存儲和處理各種圖片、文字和聲像等文獻的圖書館，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、檢索、傳輸和利用等過程。它是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建成的，不受時空限制，可以實現(xiàn)跨區(qū)域、面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)查詢和傳播，緩解了高校圖書館文獻服務(wù)與讀者信息需求之間的矛盾。由于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化作品的復制、下載、盜版等行為變得更加容易，知識產(chǎn)權(quán)保護問題比傳統(tǒng)紙質(zhì)文獻也更為復雜和突出，這就需要一種技術(shù)能夠有效的保護版權(quán)和信息安全。數(shù)字水印技術(shù)恰好解決了這一問題，它主要用于數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護及其真實性和完整性的認證，是當前多媒體信息安全領(lǐng)域發(fā)展最快的熱點技術(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)，用來對數(shù)字作品進行標記和鑒別，而不是保護數(shù)字作品免受非授權(quán)訪問，屬于事后保護手段[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，以便保護數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)、證明數(shù)字產(chǎn)品的真實可靠性、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)標識、用戶序列號或產(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）不可見性。它是指通過技術(shù)處理，是隱藏的信息無法被視覺或聽覺發(fā)現(xiàn)。

（2）魯棒性。指保證隱藏數(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。指保證隱藏數(shù)據(jù)在遭到惡意攻擊時不被破壞的特性。

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。嵌入過程至少有兩個輸入量：一個是原始信息或版權(quán)信息，它通過適當?shù)淖儞Q后作為將被嵌入的水?。涣硪粋€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)錄過程中可能會受到不同種類和程度的攻擊。水印的嵌入要綜合考慮到數(shù)字水印的不可見性和魯棒性，在完成數(shù)字水印功能的同時兼顧這兩個方面的需要，既保證數(shù)字水印的不可見性，又具備一定的魯棒性[3]。在提取水印時，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。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 典型算法實例

根據(jù)水印的實現(xiàn)方法可將水印分成兩類：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，這類方法的優(yōu)點嵌入信息量大，具有較好的不可見性。Amit Singh等人提出了改進的LSB算法[4]。頻域算法是利用某些數(shù)學變換，在變換域表示圖像，通過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。這類方法具有較好的魯棒性，可以抵抗一定強度的攻擊，適用于數(shù)字圖書館數(shù)字作品的版權(quán)保護，在保證數(shù)字水印透明性及安全同時具備較高的魯棒性[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]，實現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入和提取過程。

3.1 水印嵌入

根據(jù)人類視覺系統(tǒng)（HVS）特性可知，圖像的紋理越復雜，人眼對圖像中的輕微變化就越不敏感。為了實現(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，再對每個子塊進行DCT變換。

（2）子塊的方差σ2反映了子塊的平滑程度，用來衡量子塊紋理的復雜程度。當σ2較大時，認為子塊中包含較為復雜的紋理或邊緣信息。因此，應(yīng)計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，并以此進行版權(quán)認證。

3.3 實驗結(jié)果

本文在Matlab環(huán)境中實現(xiàn)該算法，用多幅512×512大小的標準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，并反復實驗。

在實際應(yīng)用中，一般采用以機器為主體對圖像質(zhì)量進行評價的客觀評價方法。從圖像中提取一些特征參數(shù)作為研究分析的對象，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）等作為對圖像的客觀質(zhì)量評價，通常認為當PSNR的值大于30時，圖像質(zhì)量較好，人眼不能有效察覺出圖像的改變。因此，峰值信噪比（PSNR）作為本文圖像質(zhì)量的衡量標準，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。實驗結(jié)果如下：

圖2 未受攻擊情況下的對比圖像

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。實驗結(jié)果如下：

圖3 未受攻擊情況下的對比圖像

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，數(shù)字圖像利用該算法在受到一定攻擊后，仍可恢復較完整的版權(quán)信息，實現(xiàn)了保護數(shù)字作品版權(quán)的效果。

4 結(jié)束語

本文通過一種基于DCT域的魯棒水印算法來說明數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字圖書館中的作用，并得出了結(jié)論。數(shù)字圖書館的建設(shè)成為了現(xiàn)代高校圖書館建設(shè)的發(fā)展方向。數(shù)字圖書館在強化、拓展、提升傳統(tǒng)圖書館信息傳播功能的同時，日益突出的版權(quán)問題也制約著數(shù)字圖書館的進一步發(fā)展[3]。利用數(shù)字水印技術(shù)來解決數(shù)字圖書館面臨的版權(quán)保護問題，提高數(shù)字圖書館建設(shè)的質(zhì)量和效益，實現(xiàn)傳統(tǒng)圖書館向數(shù)字化、信息化現(xiàn)代圖書館的轉(zhuǎn)變，是我們將要繼續(xù)研究的方向。

參考文獻：

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

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

[3]陳旭暉.數(shù)字水印系統(tǒng)在高校數(shù)字圖書館中的應(yīng)用[J].機電技術(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.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：清華大學出版社，2006.

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

作者單位：吉林動畫學院，長春 130032；吉林省民航機場集團公司，長春 130000