【摘 要】伴隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和多媒體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字作品的侵權(quán)變得越來越嚴(yán)重。數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的有效手段正得到廣泛的研究和應(yīng)用。本文采用一種基于離散小波變換及人類視覺系統(tǒng)的數(shù)字水印算法，通過對(duì)lena圖像、產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖、企業(yè)LOGO的嵌入與提取實(shí)現(xiàn)水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品中的版權(quán)保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】圖像數(shù)字水??；離散小波變換；人類視覺系統(tǒng)；版權(quán)保護(hù)

0.引言

隨著信息時(shí)代的到來，特別是Internet的普及，許多傳統(tǒng)媒體內(nèi)容正在向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。各種形式的多媒體數(shù)字作品紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表，這為作品的創(chuàng)作者和使用者提供了很大的便利，但隨之而出現(xiàn)的問題也十分嚴(yán)重：如作品侵權(quán)更加容易，篡改更加方便等。因此，數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)成了當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的信息安全主要是以密碼學(xué)為基礎(chǔ)，其保護(hù)方式是控制文件的存取，將機(jī)密文件加密成密文。隨著電腦軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，這種加密形式已經(jīng)變得越來越不安全。

針對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)問題，本文采用一種基于離散小波變換DWT及人類視覺系統(tǒng)HVS的水印算法，通過對(duì)lena圖像、產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖、企業(yè)LOGO的嵌入與提取，實(shí)現(xiàn)水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品中的版權(quán)保護(hù)。

1.數(shù)字圖像水印技術(shù)

1.1離散小波變換DWT

小波理論是近年來興起的新的數(shù)學(xué)分支，它是繼1822年法國人傅立葉提出傅立葉變換后的又一里程碑式的發(fā)展，解決了很多傅立葉變換不能解決的困難問題。小波變換用于圖像分析的基本思想就是把圖像進(jìn)行多分辨率分解，將圖像分解成不同空間、不同頻率的子圖像。圖像經(jīng)過小波變換后被分割成四個(gè)頻帶：水平、垂直、對(duì)角線和低頻，低頻部分還可以繼續(xù)分解。對(duì)一幅圖像來說，小波變換構(gòu)成了對(duì)它的多尺度時(shí)頻分解。

DWT算法即離散小波變換域算法，是根據(jù)小波分解后產(chǎn)生的近似子帶和細(xì)節(jié)子帶系數(shù)的不同，確定水印嵌入位置的不同，主要可以分為低頻域水印算法和高頻域水印算法。低頻域水印算法主要考慮近似子帶系數(shù)能量大，經(jīng)過一般的信號(hào)處理后仍能很好保留的特點(diǎn)，嵌入一定強(qiáng)度的水印，達(dá)到不影響原圖視覺質(zhì)量的效果。高頻域水印算法利用人眼視覺特性，在細(xì)節(jié)子帶的邊緣和紋理處系數(shù)較大，嵌入水印信息后，人眼對(duì)圖像的變化不敏感。

1.2人類視覺系統(tǒng)HVS

圖像質(zhì)量的下降對(duì)人眼視覺的影響是通過人類視覺系統(tǒng)的靈敏度決定的。此外，人類視覺系統(tǒng)的靈敏度還受到圖像局部空間頻率的影響，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：影響像素誤差可視度的因素是誤差周圍的局部區(qū)域環(huán)境，而不是整個(gè)圖像的背景環(huán)境。人眼對(duì)圖像不同特性的敏感程度存在一定的差異。對(duì)于圖像來說，HVS的主要特性一般表現(xiàn)在三個(gè)方面：亮度特性、頻域特性、圖像類型特性。

HVS對(duì)不同的顏色其敏感性也各有不同。對(duì)于彩色圖像來說，每一個(gè)像素都可以分為R、G、B三種基色，在向彩色圖像嵌入水印時(shí)，可根據(jù)人眼對(duì)不同顏色的敏感性的不同來調(diào)整水印的嵌入能量，使得嵌入水印后的圖像具有比較好的質(zhì)量。

1.3數(shù)字圖像水印嵌入與提取模型

水印的嵌入過程如圖1所示。該框圖顯示的是將水印信號(hào)嵌入到其他原始數(shù)據(jù)中的大致流程。輸入端為原始對(duì)象、水印和密鑰。水印可以是任何形式的信息，比如序列號(hào)、文本信息或圖像。密鑰用于增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。輸出端為嵌入水印后的對(duì)象。

圖1 水印嵌入系統(tǒng)框圖

水印的提取可以用于任何產(chǎn)品，提取時(shí)可以需要原始對(duì)象的參與，也可以不需要原始對(duì)象的參與。圖2是水印提取與水印檢測(cè)的框圖。其中的虛框部分表示在提取水印信號(hào)時(shí)原始對(duì)象的參與。

圖2 水印提取系統(tǒng)框圖

2.數(shù)字水印在版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用

本文采用基于DWT及HVS技術(shù)的數(shù)字水印算法，通過對(duì)lena圖像嵌入與提取水印驗(yàn)證水印算法的可行性，并繼而應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖、企業(yè)LOGO等實(shí)際場(chǎng)合。

2.1 MATLAB測(cè)試仿真及結(jié)果分析

本算法是將一幅大小為128×128的彩色水印“SIIT”圖像嵌入到大小為256×256的彩色“l(fā)ena”圖像中。

水印嵌入、提取結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 原始圖像與水印圖像的比較 圖4 原始水印與提取水印的比較

從水印嵌入過程生成的水印圖像觀察，我們可以判斷該算法嵌入的水印具有視覺上良好的隱蔽性。原始Lena圖像及水印圖像之間的峰值信噪比PSNR值達(dá)到了33.5528dB，而提取后的水印與原始水印之間的歸一化相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.9955，充分說明基于本算法的水印的嵌入及提取很好的保持了原始圖像的品質(zhì)。

2.2實(shí)際應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于DWT及HVS的圖像水印技術(shù)在版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用，本文采用了另外兩幅圖像分別進(jìn)行測(cè)試。進(jìn)行測(cè)試的第一幅圖像為一張產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖，第二幅圖像為某企業(yè)LOGO。測(cè)試的結(jié)果如下：

（1）應(yīng)用1：產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖嵌入與提取測(cè)試結(jié)果。

圖5為水印嵌入測(cè)試結(jié)果，圖6為水印提取測(cè)試結(jié)果。

圖5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖水印嵌入結(jié)果 圖6 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖水印提取結(jié)果

（2）應(yīng)用2：企業(yè)LOGO嵌入與提取測(cè)試結(jié)果。

圖7為水印嵌入測(cè)試結(jié)果，圖8為水印提取測(cè)試結(jié)果。

圖7 企業(yè)LOGO水印嵌入結(jié)果 圖8 企業(yè)LOGO水印提取結(jié)果

通過對(duì)兩幅實(shí)際圖像的水印嵌入與提取仿真，測(cè)試PSNR及NC指標(biāo)系數(shù)，所示結(jié)果如表1所示。

表1 PSNR及NC值

第一幅測(cè)試圖像的PSNR達(dá)到了34.1982dB，說明嵌入水印后的圖像與原始的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖較為接近，嵌入水印后未影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖的正常使用。NC值達(dá)到0.9791，也充分說明了提取后的水印與原始水印之間的相似程度。雖然第二幅測(cè)試圖像的 NC值較低，但從提取的結(jié)果可清晰地分辨出嵌入的水印。當(dāng)出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，仍可通過提取水印來驗(yàn)證版權(quán)的歸屬。

3.結(jié)束語

數(shù)字水印技術(shù)是一種新型的信息隱藏技術(shù)，它的主要思想是在數(shù)字文本、圖像、視頻及音頻等媒體中加入保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)證明。它彌補(bǔ)了密碼技術(shù)及數(shù)字簽名技術(shù)的缺陷。因此，數(shù)字水印技術(shù)成為當(dāng)前多媒體信息隱藏領(lǐng)域發(fā)展最快的熱點(diǎn)技術(shù)，得到廣泛的應(yīng)用和研究。本文基于DWT及HVS技術(shù)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入與提取，并通過MATLAB軟件的仿真測(cè)試實(shí)現(xiàn)了了其在版權(quán)保護(hù)方面的應(yīng)用。

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