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摘要：伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展、媒體資源數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快，數(shù)字產(chǎn)品（如圖片、音頻、視頻等）的版權(quán)問題日益凸顯，掀起了數(shù)字水印的研究熱潮。本文主要實(shí)現(xiàn)一種基于DCT的數(shù)字水印算法，并根據(jù)此算法在可靠性方面的特性進(jìn)行測(cè)試總結(jié)。將原始圖片分割成8×8的子塊，對(duì)各子塊進(jìn)行DCT變換，并在原始圖片的每個(gè)子塊的DCT系數(shù)的中頻位置，按照上述算法利用水印給圖片添加“標(biāo)記”。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)此水印算法的性能進(jìn)行評(píng)估，利用客觀評(píng)價(jià)體系對(duì)水印圖片進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明此水印算法在抵抗壓縮、低通濾波等攻擊方面時(shí)都表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水印算法；離散余弦變換；魯棒性；版權(quán)保護(hù)；中頻系數(shù)

1引言

數(shù)字水印被熟練應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，由于大量數(shù)字圖片等多媒體藝術(shù)作品特別容易被公眾存儲(chǔ)、復(fù)制以及公開傳播，由此引發(fā)的數(shù)字違法文件拷貝和數(shù)字圖片非法盜用等網(wǎng)絡(luò)信息安全隱患問題也逐漸日益增多，引起了國際社會(huì)研究熱潮。因此，數(shù)字水印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻，既要有效滿足當(dāng)今人們對(duì)數(shù)字水印技術(shù)質(zhì)量的更高要求，也要有效防止數(shù)字圖片信息被盜等安全問題的發(fā)生[1]。2006年，趙翔等對(duì)數(shù)字水印理論知識(shí)進(jìn)行了細(xì)致總結(jié)[2]，夯實(shí)了國內(nèi)數(shù)字水印技術(shù)的理論知識(shí)。基于RGB和DCT的數(shù)字水印系統(tǒng)因其利用了符合人類數(shù)字視覺處理系統(tǒng)的多種特點(diǎn)，以及這些數(shù)字水印圖片基于DCT亮度系數(shù)的多種特性，在數(shù)字圖片處理的過程中隱藏進(jìn)特定的數(shù)字信息，使用時(shí)人們很難用肉眼分辨出這些加入數(shù)字水印后的數(shù)字圖片與原始圖片有何區(qū)別，以此方法來有效保護(hù)原創(chuàng)者對(duì)這些數(shù)字圖片的所有權(quán)。

2基于DCT的數(shù)字水印的設(shè)計(jì)方案

2.1基本原理

基于DCT域的數(shù)字水印處理技術(shù)主要是將原始數(shù)字圖片和原始水印圖片經(jīng)過各種DCT變換處理，達(dá)到將水印圖片信息直接嵌入原始圖片中的目的。該數(shù)字水印系統(tǒng)大體上包含水印的嵌入和水印的提取兩個(gè)主要板塊。數(shù)字水印的嵌入，是將既定的水印信息，通過水印嵌入算法，嵌入原始圖片中。數(shù)字水印的提取，即從嵌入了水印的圖片中在保證圖片質(zhì)量不受損壞的情況下，盡可能完整提取出水印信息。

2.2總體思想

基于DCT的數(shù)字水印算法由于其優(yōu)于其他水印算法的特點(diǎn)，有著非常好的抵抗壓縮、噪聲、剪切、低通濾波等一系列攻擊的實(shí)力，成為目前國內(nèi)外水印技術(shù)研究的熱門方向之一[2]。基本思想是：（1）數(shù)字水印預(yù)處理：該水印算法只適用于二值圖片，所以要對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理以達(dá)到提高數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性和其他的相關(guān)性能的目的。（2）數(shù)字水印的嵌入：將原始圖片進(jìn)行預(yù)處理，通過DCT變換，找出恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)嵌入特定水印信息，并設(shè)置水印嵌入時(shí)的強(qiáng)度因子為10，通過IDCT算法，整理出嵌入水印后圖片。（3）數(shù)字水印的提取：根據(jù)算法對(duì)圖片進(jìn)行處理，在水印嵌入的位置取出水印，做IDCT變換并對(duì)它進(jìn)行合并處理。（4）算法的改進(jìn)：對(duì)這個(gè)水印算法的嵌入強(qiáng)度進(jìn)行修改，設(shè)置強(qiáng)度因子為20，并通過各種攻擊測(cè)試對(duì)比兩個(gè)算法，試驗(yàn)證明改進(jìn)的算法更實(shí)用。

3基于DCT的數(shù)字水印技術(shù)的系統(tǒng)分析

3.1數(shù)字水印嵌入及提取的實(shí)現(xiàn)流程

基于DCT的數(shù)字水印的嵌入是將被分割成互不覆蓋的8×8的子圖片塊的原始圖片的每個(gè)子塊都進(jìn)行離散余弦變換，將處理過的特定的水印信息嵌入恰當(dāng)?shù)奈恢茫傻脦в兴⌒畔⒌膱D片。水印的提取過程也需要對(duì)嵌入水印后的圖片進(jìn)行處理，運(yùn)用算法，并經(jīng)過一系列運(yùn)算，找準(zhǔn)位置去除水印，盡可能讓水印被高質(zhì)量還原。

3.2數(shù)字水印性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式

目前的水印算法越來越成熟，但目前仍然沒有出現(xiàn)公認(rèn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，普遍還采取以下兩種不同方法評(píng)價(jià)其優(yōu)劣。（1）主觀評(píng)價(jià)方式所謂的主觀評(píng)價(jià)方式就是完全憑人來評(píng)價(jià)，沒有任何標(biāo)準(zhǔn)可言，見仁見智，大體標(biāo)準(zhǔn)見表1。（2）客觀評(píng)價(jià)方式數(shù)字圖片水印的客觀評(píng)價(jià)方法就是通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算，盡可能客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出算法優(yōu)劣。總體上，設(shè)計(jì)者大都依照實(shí)際應(yīng)用需求，選取合適的評(píng)價(jià)手段來進(jìn)行衡量。為了客觀評(píng)價(jià)算法優(yōu)劣，本文采取計(jì)算互相關(guān)系數(shù)的方式。

3.3數(shù)字水印系統(tǒng)常見攻擊方法

數(shù)字水印的魯棒性可以很好判斷它是否是一個(gè)合格的數(shù)字水印，是否能夠具有良好的數(shù)據(jù)安全認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的能力，以及能不能完全抵抗得住各種網(wǎng)絡(luò)攻擊。當(dāng)然，對(duì)于數(shù)字水印的魯棒性的要求也是隨著其應(yīng)用場(chǎng)合的變化而變化的。而且，僅僅是魯棒性好并不能就代表這個(gè)水印系統(tǒng)可靠。還受其他水印系統(tǒng)性能指標(biāo)的共同影響制約。所以數(shù)字水印算法應(yīng)該盡量做到面面俱到。常見的幾種攻擊方式有：壓縮、噪聲、水印濾波攻擊、剪切。

4基于DCT的數(shù)字水印技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)

本算法在MatlabR2019a操作環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，輸入不同的數(shù)字，程序會(huì)根據(jù)該選項(xiàng)輸出相應(yīng)的攻擊測(cè)試結(jié)果。修改尺度因子，令尺度因子分別為alpha=10、alpha=20，通過所選的攻擊方式輸出對(duì)應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果，并對(duì)強(qiáng)度因子不同的兩種算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1嵌入水印圖片的攻擊測(cè)試結(jié)果

互相關(guān)系數(shù)的計(jì)算是一種對(duì)原水印圖片與被提取出的水印圖片之間相似程度進(jìn)行客觀描述的方法，再根據(jù)選擇攻擊方式的不同，以及強(qiáng)度因子設(shè)置數(shù)值的不同，可直觀地對(duì)比得到嵌入強(qiáng)度對(duì)數(shù)字水印品質(zhì)的影響。（1）無攻擊測(cè)試無攻擊測(cè)試時(shí)，尺度因子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有直觀影響。令尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于1。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，其互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于1。（2）白噪聲攻擊通過對(duì)尺度因子的調(diào)節(jié)可以部分挽回白噪聲攻擊對(duì)水印圖片造成的影響。尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于0.7874。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，其互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于0.9704。（3）高斯低通濾波處理濾波攻擊方式對(duì)本算法圖片的影響比較小。尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于0.8164。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于1。（4）對(duì)圖片進(jìn)行部分剪切尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于0.8874。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，其互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果等于0.9934。（5）將圖片旋轉(zhuǎn)10度尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。原輸出的水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.1060。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，其圖片互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.1192。（6）將圖片壓縮處理尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.4901。尺度因子alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.5497。（7）添加椒鹽噪聲尺度因子alpha=10，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.9313。alpha=20，測(cè)試結(jié)果如圖14所示，其互相關(guān)系數(shù)結(jié)果等于0.9669。

4.2測(cè)試結(jié)果分析

通過面對(duì)不同強(qiáng)度因子的數(shù)字圖片的不同反應(yīng)，以及面對(duì)不同攻擊時(shí)所表現(xiàn)的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關(guān)系數(shù)的變化，可知這種改進(jìn)的算法的優(yōu)點(diǎn)在于通過改變嵌入水印強(qiáng)度，在一定程度上大大改進(jìn)了水印算法面對(duì)白噪聲攻擊等一系列攻擊時(shí)的魯棒性，但由于這一系列攻擊方法都會(huì)對(duì)該基于DCT數(shù)字水印算法得到的嵌入水印后的圖片有或多或少的影響，所以幾乎在面對(duì)每一種攻擊時(shí)，都不能單單只通過尺度因子的調(diào)節(jié)最好地改善數(shù)字水印的魯棒性。

5結(jié)束語

本文對(duì)基于DCT的數(shù)字水印設(shè)計(jì)做了相關(guān)技術(shù)與理論的描述，實(shí)現(xiàn)了算法仿真，通過互相關(guān)系數(shù)直觀地反映出仿真測(cè)試的結(jié)果。雖然強(qiáng)度因子的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了該數(shù)字水印算法魯棒性的提高，但也存在較高的誤碼率。實(shí)驗(yàn)也表明數(shù)字水印的魯棒性和不可見性只能得一舍一，因此如何調(diào)節(jié)好兩者之間的關(guān)系也是關(guān)乎數(shù)字水印品質(zhì)好壞的關(guān)鍵，對(duì)于數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域，找到魯棒性與不可見性共存的關(guān)鍵也是一個(gè)值得不斷深入研究的課題。隨著互聯(lián)網(wǎng)不斷的信息更新，數(shù)字水印技術(shù)在一定程度上維護(hù)了網(wǎng)絡(luò)信息安全秩序。

作者：王若凡 單位：忻州師范學(xué)院