基于MATLAB的数字水印技术研究

【摘 要】:数字水印技术作为版权保护的重要手段,已得到广泛的研究和应用。本文对数字水印技术的研究与进展情况进行了较系统的论述,分析了数字水印技术的特点、一般模型、典型算法及攻击方法,简要地介绍了高效的实用语言Matlab,并在Matlab环境下实现了简单的数字水印嵌入和提取。

【关键词】:数字水印 版权保护 MATLAB

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1003-8809(2010)-06-0046-01

1 数字水印技术

1.1 基本概念

数字水印(Digital Watermark)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蔽的标记,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]。

1.2 特点

嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印:

(1) 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) 稳健性:水印信息隐藏于数据而非文件头中,文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。

(3) 鲁棒性:所谓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。

2 数字水印的常用算法及其一般模型

数字水印算法一般可分为两种:空间域和变换域。

空间域,即数字图像水印直接加载在图像数据上,它抵抗图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力普遍较差而且可嵌入的水印容量也受到了限制。

变换域,即在变换域(离散余弦变换DCT、离散小波变换DWT、离散Fourier变换DFT等)中嵌入水印,信号能量可以扩散到空间域的所有像素上。变换域方法有以下优点:1)嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上,有利于保证水印的不可见性;2)视觉系统(HVS)的某些特性(如频率的掩蔽特性)可以更方便地结合到水印编码过程中;3)频域法可与国际数据压缩标准兼容,从而实现在压缩域(compressed domain)内的水印编码。

数字水印的一般模型分为嵌入模型和检测/抽取模型。

3 数字水印攻击分析

所谓水印攻击分析,就是对现有的数字水印系统进行攻击,以检验其鲁棒性,通过分析其弱点所在及其易受攻击的原因,以便在以后数字水印系统的设计中加以改进。下面对一些典型的攻击方法进行分析。

3.1IBM攻击

是针对可逆、非盲(non-oblivious)水印算法而进行的攻击。其原理为:设原始图像为I,加入水印WA的图像为IA=I+WA。攻击者首先生成自己的水印WF,然后创建一个伪造的原图IF=IA-WF,也即IA=IF+WF。此后,攻击者可声称他拥有IA的版权。因为攻击者可利用其伪造原图IF从原图I中检测出其水印WF;但原作者也能利用原图从伪造原图IF中检测出其水印WA。这就产生无法分辨与解释的情况。

3.2StirMark攻击

Stirmark是英国剑桥大学开发的水印攻击软件,它采用软件方法,实现对水印载体图像进行的各种攻击,从而在水印载体图像中引入一定的误差,以水印检测器能否从遭受攻击的水印载体中提取/检测出水印信息来评定水印算法抗攻击的能力。

3.3 马赛克攻击

其攻击方法是首先把图像分割成为许多个小图像,然后将每个小图像放在HTML页面上拼凑成一个完整的图像。一般的Web浏览器都可以在组织这些图像时在图像中间不留任何缝隙,并且使其看起来这些图像的整体效果和原图一模一样,从而使得探测器无法从中检测到侵权行为。

3.4 串谋攻击

是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本,来生成一个近似的多媒体数据集合,以此来逼近和恢复原始数据,其目的是使检测系统无法在这一近似的数据集合中检测出水印信号的存在。

3.5 跳跃攻击

跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击,其一般实现方法是在音频信号上加入一个跳跃信号(jitter),以阻止水印信号的检测定位,达到难以提取水印信号的目的。

4实用工具――Matlab

4.1 用Matlab研究数字水印的优点

Matlab是当前在国内外十分流行的工程设计和系统仿真软件包[2]。用它来进行数字水印的研究具有如下的优点:

(1) 集成了DCT、DWT等函数有丰富的小波函数和处理函数。

(2) 强大的数学运算功能。能够方便、高效地实现音频、视频中的大量矩阵运算。

(3) 提供了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱。

4.2 嵌入和提取思路

首先,把原始图片分成8x8的不重叠像素块,对分块后的图片进行 DCT变换,得到由DCT系数组成的频率块,把水印信息或防伪标识作为密匙输入一个m-序列(maximum-length random sequence)发生器来产生水印信号,然后此m-序列被重新排列成二维水印信号,并按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。

然后,随机选取N对像素点,然后通过增加像素对中一个点的亮度值,而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性,还可以把像素对扩展为小块的像素区域(如8x8),通过增加一个区域中的所有像素点的亮度值而相应减少对应区域中所有像素点的亮度值的调整来隐藏信息。

最后,提取时则选取相同的DCT系数,并根据系数之间的关系抽取比特信息,相当于前述嵌入原理逆运算。

5 小结

数字水印技术是一个新兴的研究领域,通过对现有技术的分析,数字水印技术今后可能的研究方向为:算法分析、基于特征的数字水印技术、公匙数字水印系统、数字水印(Agent)及文献[3]阐述的基于三角面片几何图形的水印嵌入算法等其它的技术。

参考文献:

[1]伯晓晨,李涛,刘路等编著.《Matlab工具箱应用掼――信息工程篇》[M].北京: 电子工业出版社 2000年4月第1版

[2]Cox I J,Killian J,Leighton T,.Shamoon T.Secure spread spectrum watermarking for images, audio and video.In: Pro.IEEE ICIP(Int.Conf.on Image Processing) [J],Lausane,Switzerland,1996,3, 43:46 [3]Swanson M D,Zhu B,Tewfik A H.Multiresolution scene-based video watermarking using perceptual models[J].In:IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1998,10, 40:50.