郭翔 胡碩 袁強(qiáng) 張?jiān)?/p>

【摘 要】全球迅猛發(fā)展的Internet網(wǎng)絡(luò)給世界經(jīng)濟(jì)帶來了新的商機(jī)，數(shù)字技術(shù)提供了與原作品同樣精美的復(fù)制品，但同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò)作品的版權(quán)保護(hù)問題日益突出。 本文介紹了最新的多媒體版權(quán)保護(hù)技術(shù)-數(shù)字水印的概念，在闡述數(shù)字水印的分類和特性的基礎(chǔ)上，提出了以數(shù)字水印為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)作品版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)，并研究了數(shù)字水印系統(tǒng)的處理框架和數(shù)字水印算法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字水印 網(wǎng)絡(luò)作品 版權(quán)保護(hù)

信息時(shí)代，各類信息化數(shù)字技術(shù)擴(kuò)充發(fā)展，針對(duì)豐富數(shù)字信息的安全保護(hù)需求也日益擴(kuò)充?；跀?shù)字文檔、圖片、視頻等可方便快捷的復(fù)制、篡改與盜取，因而令其產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨一定困難。同時(shí)數(shù)字文本、圖像具有一定適應(yīng)性特征，可供用戶任意設(shè)計(jì)更新并為己所用。為此應(yīng)科學(xué)探究一種良好的數(shù)據(jù)可靠加密保護(hù)技術(shù)，進(jìn)而有效應(yīng)對(duì)不良信息篡改、竊取、盜用問題。本文基于這一目標(biāo)引入水印數(shù)字技術(shù)探討，該技術(shù)通過印記圖形加密有效保護(hù)版權(quán)信息，形成印記圖形同原始保持一致，基于一定標(biāo)準(zhǔn)形成水印圖像，進(jìn)而探究非法復(fù)制信息、相關(guān)違規(guī)產(chǎn)品的不良流通應(yīng)用。該技術(shù)核心特征在于潛入模式，是通過視覺設(shè)想推理闡釋實(shí)效的科學(xué)方式。

本文提出基于字符替換的文本水印算法，和基于DWT變換的圖像水印算法，采用C++實(shí)現(xiàn)，利用編程IDE的圖形化設(shè)計(jì)界面來實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印防偽系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字水印防偽系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)有的常用文本的格式、圖片格式，利用基于文本字符替換的水印算法，和基于DWT變換的圖像水印算法，并結(jié)合實(shí)際需求而開發(fā)的數(shù)字水印系統(tǒng)，功能包括人機(jī)界面、文本處理模塊、圖像處理模塊，在不影響電子作品質(zhì)量的情況下，利用算法，隱秘、快速、準(zhǔn)確地地嵌入，在傳輸過程，然后進(jìn)行正確提取。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1，能保持電子作品的抗噪聲性，提取時(shí)，能夠準(zhǔn)確提取，在電子作品改動(dòng)是能夠查錯(cuò)糾錯(cuò)。

二、文本水印系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.對(duì)于txt無格式文檔

采用的是基于符號(hào)替換編碼的方法，利用了人們對(duì)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的不敏感性和中文和西文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而提出來的。例如中文的“，”和英文的“，”，中文的“？”和英文的“？”等等，人們從肉眼根本很難區(qū)分，為我們進(jìn)行信息隱藏提供了空間。這里，我們選取了文章中出現(xiàn)頻度較高的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)——逗號(hào)進(jìn)行替換編碼，因?yàn)槎禾?hào)在中文文檔和英文文檔中的使用都比較頻繁，所以利用逗號(hào)的變換可以隱藏更多的信息。編碼的規(guī)則為：假設(shè)糾錯(cuò)編碼后的水印序列為w[n]，依次讀入水印比特，若w[i]=1，中文的逗號(hào)變成英文的逗號(hào)或英文的逗號(hào)變成英文的逗號(hào)，即修改它的ASCII碼。若w[i]=0，不發(fā)生變化，提取算法則反之。

2.對(duì)于word格式的文檔

采用的是基于文本格式字體顏色嵌入和提取水印的。 嵌入步驟為：對(duì)接收到的文檔，輸入提取水印的密鑰k，定位嵌入水印信息的區(qū)域，依次通過輕微改變某一字符的字體顏色，如把RGB（255，255，255）黑色改為RGB（255，255，254），依次嵌入水印碼。 提取步驟為：找到嵌入水印信息的字符i后，判斷該字符的字體顏色是否發(fā)生了變化，由于嵌入的規(guī)則不同提取的碼元序列也不同。本算法采用的是：若RGB（255，255，255）變?yōu)榱薘GB（253，255，255），則水印碼為11，若RGB（255，255，255）變?yōu)榱薘GB（254，255，255），則水印碼為00，若RGB（255，255，255）變?yōu)榱薘GB（255，253，255），則水印碼為10，若RGB（255，255，255）變?yōu)榱薘GB（255，254，255），則水印碼為01。最后檢測后得到的二值序列為w。實(shí)現(xiàn)的文本水印模塊子系統(tǒng)如圖2和圖3所示。

三、圖像水印系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖像水印系統(tǒng)模塊采用MVC模式開發(fā)，將邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離。采用MVC模式開發(fā)有利于通過工程化、工具化管理程序代碼。使用控制器來聯(lián)接不同的模型和視圖去完成用戶的需求，這樣控制器可以為構(gòu)造應(yīng)用程序提供強(qiáng)有力的手段。整個(gè)系統(tǒng)使用自定義異常處理機(jī)制，能夠提供給用戶更友好的體驗(yàn)。

圖像水印系統(tǒng)模塊采用簽名文件方式對(duì)圖像進(jìn)行嵌入、提取水印操作。采用簽名文件方式有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）保證圖像是由簽名者自己加密的，簽名者不能否認(rèn)或者難以否認(rèn)。（2）保證圖像的版權(quán)屬于簽發(fā)者，別人不能盜用。

圖像水印系統(tǒng)模塊采用Biorthogonal雙正交小波對(duì)圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解和重構(gòu)，其中一個(gè)小波函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解，另外一個(gè)小波函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行三級(jí)小波重構(gòu)。根據(jù)S. Mallat的塔式分解算法，圖像經(jīng)過小波變換后分解成四個(gè)子圖：水平方向LH、垂直方向HL和對(duì)角線方向HH的中高頻細(xì)節(jié)子圖和低頻逼近子圖LL。低頻部分還可以繼續(xù)分解，產(chǎn)生三個(gè)高頻帶系列LHn、HLn、HHn（n=1，2，3）和一個(gè)低頻帶LL3見圖4。

分解操作為周期性在LLn（n=0，1，2，3，其中LL0表示原圖像）圖像的行和列中選取圖像的像素點(diǎn)通過小波分解構(gòu)造出濾波后圖像，經(jīng)過三級(jí)變換產(chǎn)生大的圖像由樹型結(jié)構(gòu)保存，構(gòu)成一顆三層圖像樹。

重構(gòu)操作為反周期性的依次對(duì)三層圖像樹中的圖像的行和列中選取圖像的像素點(diǎn)通過小波重構(gòu)構(gòu)造出濾波后圖像，最終獲得含水印圖像。

圖像水印系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)嵌入水印過程：將待嵌入圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解得到的圖像樹按層依次取出圖像，根據(jù)設(shè)立的嵌入門檻值來判斷該像素點(diǎn)是否需要做水印嵌入處理，然后再根據(jù)小波分解等級(jí)決定水印嵌入的深度，最后再由水印嵌入公式將水印信息嵌入到圖像像素點(diǎn)內(nèi)。嵌入水印公式如下所示：

Si = Xi + （Alpha * |Xi| * WM[i%n]） if |Xi| > casting_threshold

其中Xi表示第i個(gè)的未經(jīng)處理的圖像像素值，Alpha表示透明度因子，WM[i%n]表示水印信息序列中第（i%n）個(gè)對(duì)應(yīng)的水印信息，casting_threshold表示嵌入門檻值，n表示水印序列的長度。

圖像水印系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)提取水印過程：將待檢測圖像進(jìn)行三級(jí)小波分解得到的圖像樹按層依次取出圖像，根據(jù)設(shè)立的提取門檻值來判斷該像素點(diǎn)是否需要做水印提取處理，然后再根據(jù)小波分解等級(jí)決定水印提取的深度，最后再由水印提取公式和將圖像像素點(diǎn)中的水印信息提取出來。提取水印公式如下：

Val[0]=Val[0]+1 ；Val[1]=Val[1]+（Xi*WM[i%n]） ；Val[2]=Val[2]+Xi

if Xi > detection_threshold

其中Val表示存放水印信息的臨時(shí)數(shù)組，Xi表示第i個(gè)原始圖像像素值，WM[i%n]表示水印信息序列中第（i%n）個(gè)對(duì)應(yīng)的水印信息，detection_threshold表示提取門檻值，n表示水印序列長度。

圖像水印系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證水印過程：根據(jù)小波分解等級(jí)決定檢驗(yàn)水印的深度。將提取出來的水印信息依次在HL、LH、HH頻帶循環(huán)進(jìn)行驗(yàn)證，由此統(tǒng)計(jì)水印信息的有效程度，得出有效系數(shù)。將有效系數(shù)與水印認(rèn)證系數(shù)作比較，若有效系數(shù)大于水印認(rèn)證系數(shù)，則認(rèn)為對(duì)此圖像擁有版權(quán)。驗(yàn)證水印公式如下：

Sum=Sum+（Val[1]>Val[2]*Alpha/1.0）？1：0 if Val[0]！=0

N=N-1 if Val[0]==0

V=Sum/N

其中Val[n]（n=1，2，3）表示提取操作所獲取的水印信息，Sum表示驗(yàn)證命中次數(shù)，N表示總驗(yàn)證次數(shù)，V表示水印有效系數(shù)。

四、結(jié)束語

數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)電子產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)及防偽識(shí)別認(rèn)證，在處理文本與圖像方面具有一定成效，得到了預(yù)期的結(jié)果。圖像處理方面采用了簽名文件作為水印信息加密圖像，保證了簽名者對(duì)圖像加密操作的不可否認(rèn)性和對(duì)加密圖像的主權(quán)性，具有一定的市場運(yùn)用價(jià)值。目前該系統(tǒng)只能處理圖像、文本兩種電子產(chǎn)品，對(duì)于視頻、音頻等電子領(lǐng)域還未涉及，所以未來的目標(biāo)則是針對(duì)這些領(lǐng)域進(jìn)行研究。

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