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数字图像水印技术的简单实现
摘 要：多媒体信息（图像、视频、音频等）在互联网上传播的范围越来越广、传播的速度也越来越快,如何有效保护数字图像的版权和数据安全逐渐成为一项令人关注的问题.多媒体作品所有者可通过图像水印技术,即在原始数据中嵌入秘密信息——水印来证明其拥有所有权.本文简要介绍水印信息的嵌入和提取、抗攻击能力、数字图像水印技术的基本算法,最后对数字图像水印技术的未来发展方向进行展望.
关键词：数字图像技术；攻击手段；发展方向
如今,多媒体信息占据了互联网信息的半壁江山.多媒体信息的全透明性和易操作性,为其安全性带来了隐患,这越发说明了网络信息版权保护的重要性和迫切性.
数字水印是20世纪90年代初期发展起来的一项新兴技术,发展至今,种类繁多.数字水印已经成为保护多媒体信息作品版权的一种技术手段,该技术的应用前景非常广阔,其主要应用包含版权内容验证、交易水印、拷贝控制和信息隐藏等.
一、数字图像水印的现况
1. 水印信息的嵌入与提取
（1）水印信息的嵌入（如图1）.
w 等于水印信息,如随机/伪随机序列、字符、栅格、二值/灰度/彩像等.I 等于原始载体数据,各类图像.
K 等于私钥或公钥,可用来加强水印安全性.
G 等于水印生成算法.
水印嵌入准则：
IW 等于E (I,W,K ) （Ⅰ）
E 表示嵌入过程和规则,Iw 表示原图像中嵌入水印后图像的数据,I 表示原始载体数据,W 表示水印集合,K 表示私钥或公钥.
（2）水印信息的提取（如图2）
水印提取准则：
W´ 等于D(I,I ´ )W ,W,K （Ⅱ）
W´ 表示需提取的水印信息,D 表示从图像中检测水印的算法,I ´W 表示载体遭受损伤、受到攻击后的数据,K 表示私钥或公钥.
2. 数字图像水印技术的基本算法
数字图像水印技术的基本算法通常分为两大类：
（1）空间域水印算法.①最低位（Least Significant Bit,LSB）算法.在数字图像中,把整个图像分解为8个位平面,从最低有效位（LSB）0 到最高有效位（Most Significant Bit,MSB）7,位平面7的图像特征远比位平面0的图像特征更加复杂,即低位的图像细节很少.在实际开发过程中,往往将水印信息嵌入到位平面低的像素中,这样可以最大程度降低对图像质量的影响,其作用类似于图像的加性噪声,进而保证嵌入的水印不可见.
②LSB方法改进.对上述基本的LSB方法加以改进,在承载图像中随机选取N对像素点,通过增加像素对中一个点的亮度值,降低另一个点的亮度值来隐藏信息,这样一幅图像的平均亮度才会保持不变.
⑵变换域水印算法.DCT域水印算法先将图像从空域变换到频域,然后运用一些特定的手段对数字图像进行处理.
①水印嵌入过程.把图像分成8*8像素块,对每个块进行DCT变换,得到8*8的DCT系数块,在密钥选择的DCT系数中嵌入水印信息,并改变这些DCT系数直到其满足特定的关系,以此表示一个比特的水印信息.将嵌入水印信息的DCT数据经反DCT 变换,形成载有水印信息的图像.
②水印提取过程.将载有水印信息的图像经DCT变换,得到DCT系数,根据秘钥选取相应的DCT系数,并根据系数之间的关系获取水印比特信息.
3. 常见水印攻击方法及性能衡量
⑴数字图像水印攻击方法.重调制攻击.针对空域水印攻击.利用图像和水印的统计模型估计出水印信息,然后使用估计出的水印去消除或篡改原来的水印.
②平均和串谋攻击.平均攻击是对同一幅图像的多个不同水印的版本进行平均运算,生成一个和原图像极为相似的图像,从而将水印除去.
串谋攻击是将从拥有不同水印版本的同一图像中分别截取的图像数据拼接成新的整个图像,从而使检测系统无法从中检测到水印信号的存在.
统计平均攻击和串谋攻击都属于企图消除水印信息的攻击.
③马赛克攻击.马赛克攻击是指把从图像中分割出来的许多小图像放在HTML页面上拼凑成一幅完整的图像,使拼凑成的完整图像看起来整体效果和原图一模一样,这样版权保护系统便无法确认每个小图像中的水印存在.
马赛克攻击是针对因特网上的自动版权保护系统的表示性攻击方法.对付其主要有两种方法：一是开发强壮的水印嵌入算法,以使很小的图像中都包含足够的水印信息.二是开发更智能的系统,自动将小图像拼合成大图再做水印检测.
④IBM 攻击.解释性攻击是指攻击者在图像中添加自己的水印,创建一个伪造的原图,使图像的所有权产生歧义.
这种通过添加水印的解释性攻击方法并非无法,时间戳技术和不可逆水印算法都可以有效地对付IBM攻击,以达到保护图像的目的.
⑤几何攻击.几何攻击不直接除去图像中的水印,而是通过旋转、缩放、平移、剪切、镜像、投影等空域处理,使检测系统很难检测出图像中的水印信息.
⑥去噪和压缩攻击.去噪攻击.用去噪的方法去除水印,如低通、高通、带通,维纳等线性滤波器,中值滤波、形态滤波等非线性滤波器.
压缩攻击.影响高频部分的水印数据,因为高频信息在压缩过程中易被去除.
⑵图像水印系统的性能.对图像水印系统主要是衡量它的不可觉察性、鲁棒性、容量、安全性等总体性能指标.
①不可觉察性.不可觉察性是指加入水印后的载体图像与原始图像没有明显的区别.对水印的不可觉察性的评价,主观测试是最具有实质意义的评价方法,但这种评价方法难以做到统一定量的分析.由于客观评价能做到统一定量的分析,所以,客观评价得到了广泛应用.
②鲁棒性.水印的鲁棒性是指数字图像作品在遭受无意地修改或故意地攻击后,仍能提取出正确的数字水印.需要强调的是,水印的鲁棒性依赖于实际应用要求.对不同的应用目的,可以有不同的稳健性要求.
③水印容量.水印容量要求在保证不可见性和一定鲁棒性的前提下,水印算法能尽可能多地嵌入水印信息,即嵌入图像中水印信息的比特数.需要嵌入的水印信息越多,水印的不可见性就越差,水印的鲁棒性也越低.
④水印安全性.安全性是指水印遭受各种恶意攻击后,图像数据中隐藏的数字水印难以被发现、擦除、篡改或伪造的能力,进而保证嵌入信息的安全存在.
⑤检测的可靠性.水印的检测算法必须足够可靠,不能误报也不能漏报.水印的检测算法除了要防止图像可能遭到各种各样的破坏,还要防止由于所设计的水印系统自身算法的固有缺陷,在检测的正确率上受到限制.
水印的检测算法,一方面,保证能够可靠地将数字水印从待检测图像中提取出来.另一方面,还要考察提取的水印和原始的水印是否一致,即考察这二者相似程度.一般可用两者的归一化相关系数（NC）、归一化相似度（Sim）来衡量.
⑥水印载体图像质量.图像中嵌入水印信息等同于在图像中加入了噪声,它直接影响带有水印信息图像的质量,和水印信息的不可见性密切相关.水印信息越是隐藏得好,图像的质量越高.
⑦计算开销.水印的计算开销（主要是检测时的计算开销）必须在可接受的范围内,不能太大,否则过于复杂的计算将使设计的水印系统很难用于实际.
二、图像水印的应用前景
数字图像在网络交互中拥有举足轻重的地位.截至目前,数字图像水印技术仅用于标注版权信息,但在不久的将来,这项技术可以应用于多媒体作品的销售、播放和使用的各个环节中.
（1）广播监测.监测影视节目和音乐作品在电视台和广播电视台上播出的时间和次数；商家监测电视台广告播放的时间长度；制片商检测自己的影视产品是否被电视台非法重播.
（2）真伪鉴别.将水印嵌入照片中,实现“可信任的摄影”,可以作为法庭上的证据使用；将水印嵌入影视作品中,确保影视作品的真实性.
参考文献
[1]聂烜.数字图像水印技术综述[J].电脑知识与技术,2015（01）.
[2]罗建禄.图像数字水印技术综述[J].重庆工商大学学报,2007（02）.
（作者单位：南京邮电大学通信与信息工程学院、南京邮电大学管理学院）
图像论文范文结:
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