图像处理在数字水印上的应用

关键词：数字化

随着计算机技术的发展和相关信息技术的进步, 特别是Internet用户的急剧增加和多媒体技术的飞速发展, 数字化产品越来越普及。由于数字化产品的传播、复制、篡改和窃取比较容易, 所以如何有效的保护数字产品的版权和防止数字产品的盗版就变得越来越紧迫。作为一种新型的有效的版权保护手段, 数字水印技术倍受人们的关注。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐藏的标记, 这种标记通常是不可见的, 只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。

1 数字水印的衡量标准

衡量一种数字水印方案的好坏最常用的有两个标准。

(1) 不可见性 (隐蔽性) :在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质, 并且不易被察觉。

(2) 鲁棒性 (robustness) :鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后, 数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可以利用的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化及有损压缩编码等。

2 数字水印的分类

我们可将数字水印按以下四种方式进行分类。

(1) 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理;脆弱数字水印则需对信号的改动很敏感, 使人们能根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

(2) 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据, 而盲水印的检测只需要密钥, 不需要原始数据。一般来说, 明文水印的鲁棒性比较强。

(3) 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像 (如商标图像) 或数字音频片段的编码;无意义水印印刷只对应于一个序列号, 通过统计决策来确定信号中是否含有水印。

(4) 按数字水印的隐藏位置, 我们可以将其划分为时 (空) 域数字水印、频域数字水印、时域数字水印等。

3 实现数字水印的一般步骤

可大致将实现一个数字水印系统分为三个阶段:嵌入过程、传播过程和抽取过程。其中嵌入和抽取是相互对应的, 即不同的嵌入方法对应着不同的抽取方法。水印方案的提出要充分考虑到数字产品在传播过程中会受到怎样的干扰, 这些干扰可能是天然的, 比如信道噪声;也可能是人为的, 比如恶意的篡改数字产品。这些都需要被充分估计, 并设计出能够抵抗这些干扰的水印方案。

在嵌入之前, 要对嵌入载体进行一些预处理或变换, 同样抽取水印也需要作相对应的处理, 所以一般的数字水印的实现流程如图1所示。

4 图像处理在数字水印上的应用

4.1 LSB方法

LSB方法是最简单的嵌入水印的方法。事实上, 任何一幅图片都具备一定的容噪性, 这表现在像素数据的最低有效位 (Least Significant Bit, LSB) 对人眼的视觉影响很小, 秘密信息就隐藏在图像每一个像素的最低位或次低位, 实现其不可见性。以256色灰度图像为例, 每一个像素值占8bit, 其第八位就是最低有效位。

具体的LSB方法就是调整原始载体信息的最低几位来隐藏信息, 最方便的是采用直接改变图像中像素的最后一位使之和秘密信息相同。检测的时候只要提取含水印图像像素的最低位即可。

4.2 在DCT域嵌入水印

DCT域嵌入水印的方法是先计算图像的离散余弦变换 (DCT) , 然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前k系数上 (不包括直流分量) , 通常为图像的低频分量。若DCT系数的前k个最大分量表示为D={di} (i=1, 2, …, k) , 水印服从高斯分布的随机实数序列W={wi} (i=1, 2…, k) , 那么水印的嵌入算法为:

式中, 常数a为尺度因子, 控制水印嵌入的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像Iw。解码函数则分别计算原始图像I和水印图像Iw的离散余弦变换, 并相减得到水印估计W*, 再和原始水印做相关检验以确定水印的存在与否。一般地, 如果水印存在, 相关系数应该很大, 否则接近于0。由于水印是随机高斯噪声, 嵌入前后的图像, 人眼难以区分。

根据水印的分类, 显然, 第1种方案的检测不需要原始图像, 所以是盲水印, 同时又是有意义的水印和空域的水印。但是, 这种水印是非常脆弱的, 简单的滤波就会使提取的水印信息面目全非, 所以它又是脆弱水印。

同理, 第二种方案在DCT域嵌入水印, 嵌入的是非盲、鲁棒和频域的水印。需要说明的是, 由于其水印信号是随机的高斯序列, 我们只是用来判断图像中是否含有水印, 更多的信息无法得到, 所以是无意义的水印。

摘要：随着互联网的发展, 人们越来越容易从互联网上获取数字多媒体信息, 而与此同时, 数字多媒体信息的版权、保密等问题也变得日益突出起来。本文在介绍数字水印技术的相关概念、特点和分类的基础上, 分析了实现数字水印的步骤, 并对数字图像处理技术在数字水印中的应用进行了研究。

关键词：数字水印,鲁棒性,预处理