王 娜

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院信息工程系 遼陽 111000）

1 引言

近些年，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信快速發(fā)展起來，數(shù)字多媒體也迅速傳播到科研、商業(yè)、娛樂等領(lǐng)域，給人們帶來了方便快捷，同時也使盜版的數(shù)字產(chǎn)品被廣泛地傳播，所以知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)急需得到解決［1～3］。那么，數(shù)字水印技術(shù)就可以解決數(shù)字產(chǎn)品的復(fù)制、傳播的問題，為此，對該技術(shù)的研究是非常必要的。

本文重點(diǎn)討論了基于圖像內(nèi)容的水印算法，并且分析了水印信號的產(chǎn)生、嵌入、提取、篡改檢測等實現(xiàn)過程。

2 數(shù)字水印技術(shù)概述

2.1 數(shù)字水印的定義

數(shù)字水印（Digital Watermark）技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取，數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向［4～5］。

2.2 數(shù)字水印的種類

目前，被廣泛研究的數(shù)字水印技術(shù)有魯棒水印技術(shù)和易損水印技術(shù)［6］。

魯棒水印技術(shù)的兩個重要特征就是魯棒性和透明性，主要應(yīng)用于跟蹤用戶和保護(hù)版權(quán)。但是魯棒水印不能檢測出圖像內(nèi)容的替換、篡改以及定位不到哪里被替換、篡改等。

易損水印技術(shù)主要應(yīng)用于避免有損壓縮、濾波、疊加噪聲等對圖像有任何的篡改和仿造［7～10］。但是易損水印的魯棒性很差，經(jīng)受不了對圖像進(jìn)行直方圖均勻化、JPEG壓縮等任何合理的操作，所以不具有實用性。

擁有了魯棒水印和易損水印優(yōu)點(diǎn)的半易損水?。⊿emi-Fragile Watermarks）技術(shù)，既能夠允許對圖像進(jìn)行損壓縮、濾波等常見信號的處理操作，也可以對篡改區(qū)域進(jìn)行定位。

3 算法的設(shè)計與實現(xiàn)

半易損水印的原理與一般水印的原理基本上相同，它包括水印的產(chǎn)生、水印的嵌入、水印的篡改檢測［11］。首先把提取水印的宿主圖像內(nèi)容轉(zhuǎn)為水印信號，在原始圖像中，使用嵌入算法將其嵌入后得到含水印的圖像，通過信道該圖像在信宿端被接收，之后對圖像進(jìn)行檢測，可以得出結(jié)果。在實際的嵌入和檢測過程中，需要加入密鑰。上述原理如圖 1 所示［12～15］。

圖1 半易損水印算法原理圖

3.1 生成水印信號

考慮半易損水印和其它水印的區(qū)別，即需要同時具備易損性和魯棒性，所以應(yīng)該設(shè)定一個用來區(qū)分失真是否合法的界限。當(dāng)圖像在傳輸時，把對其進(jìn)行一般的壓縮視為合法，除此之外視為篡改水印。

本文中設(shè)計的水印算法如下：1）對圖像進(jìn)行l(wèi)-層小波正變換；2）利用隨機(jī)序列調(diào)制變換后的小波近似系數(shù)，生成水印信號；3）通過圖像的HVS（人類視覺系統(tǒng)）特性，在其小波域中嵌入水印信號；4）對水印進(jìn)行檢測時，在接收到的水印圖像中，原始水印信號可以被提取出來，并且新的水印信號也能夠被生成，對比新舊水印信號，可以獲得篡改的類型和位置。

把IM*N設(shè)為原始圖象，W為生成的水印序列，原始圖象的寬和高分別由N和M表示，對logistic映射算法進(jìn)行改進(jìn)，獲得隨機(jī)序列xk(k=0,1,2,…)，其中k是函數(shù)初值，密鑰為k。通過在xk中獲得(M/2l)*(N/2l)元素從而使系數(shù)矩陣Ml被生成。然后l-層離散小波分解圖像，可以得到 (HLL,LHL,HHL,…HLl,LHl,HHl)和 LLL，即水平、垂直、對角線3*L個細(xì)節(jié)小波系數(shù)矩陣和-l近似小波系數(shù)矩陣。在小波變換域中，LLL最重要，圖像的大部分信息都涵蓋其中。所以，通過水印序列W：

3.2 嵌入水印

1）4層離散小波分解圖像，生成水印序列。

3）在水印中嵌入 HL3和 LH3，即圖像信息位置。

其中，

tl3i,3j∈T4LH,hl3i,3j∈ HL3,lh3i,3j∈ HL3,i=0,1,2,…,M/24-1,j=0,1,2,…,N/24-1,圖像HVS的閾值矩陣為

4）利用逆離散小波變換獲得有水印的圖像。上述流程如圖2所示。

圖2 嵌入水印流程

3.3 提取水印

首先4層小波變換有水印的圖像，然后進(jìn)行如下操作：

if lh3i,3j-hl3i,3j≥T,then wli,j=1，表明對圖像的操作是合法的；

if lh3i,3j-hl3i,3j≤-T,then wli,j=0，表明沒有圖像失真；

if T＜lh3i,3j-hl3i,3j＜T,then wli,j=-1 ，表明對圖像進(jìn)行了篡改。

其 中 ，hl3i,3j∈HL3,lh3i,3j∈HL3,i=0,1,2,…,M/24-1,j=0,1,2,…,N/24-1,閾值為T，提取的水印序列為wli,j。提取水印流程如圖3所示。

圖3 提取水印流程

3.4 分析水印篡改

攻擊水印圖像有惡意的和非惡意的兩種：對圖像進(jìn)行替換、剪切等操作屬于惡意的；圖像由于傳送而導(dǎo)致有損壓縮、信道噪聲等屬于非惡意的。那么，半易損水印則要確定篡改的類型和區(qū)域。

I′為被攻擊的水印圖像，W′為從I′中提取的原水印序列，W″為重新構(gòu)建的水印序列，該序列是基于圖像內(nèi)容的。利用如下公式能夠獲得篡改矩陣TA：

4 結(jié)語

隨著多媒體技術(shù)與互連網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于數(shù)字水印技術(shù)的電子多媒體作品版權(quán)保護(hù)問題已成為信息科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因此數(shù)字水印技術(shù)作為一種有效的多媒體版權(quán)保護(hù)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注［17］。本文綜合了數(shù)字水印中的魯棒性水印和易損性水印的優(yōu)點(diǎn)，對介于兩者之間的半易損水印技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。通過仿真試驗，對圖像進(jìn)行了非惡意篡改和惡意的篡改等測試，從測試結(jié)果可以看出本文的算法有著很好的魯棒性和篡改檢測能力［18～20］。