基于变换域的数字水印算法【文献综述】

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基于变换域的数字水印算法

摘要：数字水印提出的主要目的是为了对数字作品的版权保护。本文介绍了数字水印的背景以及阐述了数字水印技术的基本原理。数字水印主要分为空间域和频域两大类，这里主要分析了目前在频域中比较流行的水印算法。同时，对数字水印发展进行展望。

关键字：数字水印；版权保护；水印算法；频域；

1.背景

随着Internet的迅猛发展，通信技术和计算机网络的普遍运用，使人们可以通过互联网收发信息、上传数字图象、听音乐等等。然而，也正是因为网络的这种便捷性、传播迅速的优点使其很容易被非法拷贝，导致数字产品的版权、完整性、有效性得不到保证，严重损害了创作者的利益。

为了解决上述各类问题，提出了数字水印技术[1]。它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。目前，数字水印在音频、视频、图像等的应用迅速得到广泛的研究和发展。

数字水印技术的研究现状主要分为两大类：空间域数字水印和频域数字水印。最初提出的数字水印嵌入方法是在空间域上实现的。1995年，Btuyndoncky等提出了一个基于空域分块的方法，通过改变均值来嵌入水印。1996年，Patchwork等人提出了一种算法（Patchwork算法），该算法随机选取图像的N对像素点，通过增加其中一个点的亮度值而相应降低另一个点的亮度来隐藏信息。1998年，Darmstaedter等人提出了一种新的空域水印算法，该算法是基于图像的8×8块的空间域分解进行的。

频域数字水印按频域法大体分为三类：DFT域、DCT域和DWT域[2-3-4]。

Pun和Ruanaidh利用傅立叶域对全局性的旋转，平移和缩放变换具有不变性的特点，将水印嵌入到傅立叶域来达到对这些攻击的鲁棒性。

1999年，Wu和Hsu等人提出了基于可视化模型的算法，该算法具有很强的鲁棒性。2000年，易开样、黄继武等人还提出了一种DCT域数字水印算法：首先把图像分成8×8的不重叠像素块，经过分块DCT变换后，得到有DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。2004年，王向阳等提出了一种DCT域自适应彩色图像二维数字水印算法，将灰度图像嵌入到原始彩色图像中。其实，很多国内外研究人员提出的其他DCT域

数字水印算法，采用的多是基于DCT的8×8图像块。

总的来说，基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。

2.数字水印算法的研究现状和发展趋势

数字水印技术涉及到了多门学科：信号处理、数字通信、密码学、模式识别等，研究人员从各个角度对水印嵌入算法进行了研究。目前数字水印算法主要分为空域水印嵌入算法和变换域水印嵌入算法两大类。

2.1空域水印嵌入算法

空域水印嵌入算法是将数字水印直接加载在原始数据上。可以将它分为最低有效位方法(LSB)和Patchwork方法及纹理块映射编码方法[10]。

2.1.1最低有效位方法(LSB)

这是一种典型的空间域数据隐藏算法，L.F.Tumer与R.G.VanSchyadel等先后利用此方法将特定的标记隐藏于数字音频和数字图像内。该方法是利用原始数据的最低几位来隐藏信息(具体取多少位，以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则)。LSB方法的优点是有较大的信息隐藏量，但采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，无法经受一些无损和有损的信息处理，而且如果确切地知道水印隐藏在几位LSB中，数字水印很容易被擦除或绕过。

2.1.2 Patchwork方法及纹理块映射编码方法

这两种方法都是Bender等提出的。Patchwork是一种基于统计的数字水印，其嵌入方法是任意选择N对图像点，在增加一点亮度的同时，降低另一点的亮度值。该算法的隐藏性较好，并且对有损的JPEG、滤波、压缩、扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完全自动完成。

2.1.3 小结

空域水印嵌入算法普遍存在着可嵌入水印能量不好控制、鲁棒性差等缺点，现在已经很少有人使用，人们逐渐将水印的嵌入和检测转到频域上进行。

2.2变换域水印嵌入算法[11]

变换域中能量分布集中，有利于保证水印的不可见性，提高了水印的鲁棒性，所以这一算法得到了广泛的应用。而水印检测是上述嵌入过程的逆过程。图2.2.1和图2.2.2分别是典型的变换域水印算法的过程和水印检测/提取系统[12]。

图2.2.1 变换域水印嵌入过程图

图2.2.2 水印检测提取系统

文献[13]提出了一种基于离散小波变换的水印算法。水印采用文本图像水印，将原始图像和水印分别进行3级小波变换，为了保证水印的安全性，将水印变换域各子图分别进行置乱或加密处理。将水印经处理后的各级变换系数重复嵌入原始图像各级变换系数的不同位置。在检测时，提出采用多方案水印提取算法以适应不同的攻击。实验表明对缩放、剪切、JPEG或JPEG2000压缩等图像退化处理或攻击均具有较强的鲁棒性。

文献[14]提出当在小波域内嵌入水印能够提供更好的实现，这种方法是的非常的吸引人。在论文中呈现一种关于嵌入二进制可视化图像到宿主图像中的方法，通过用适当强度因数修改小波域在LL 带中的系数，目的是为了同时达到没法用视觉识别和对攻击的抵抗力。高质量有意义的小波树（QSWT）的选择不仅是嵌入的地方也是提取的地方。结果展示这个提取方法成功的对例如图像处理、选择等等具有很好的鲁棒性。

文献[15]提出了一种在数字图像上实现的盲水印算法，嵌入的水印是64×64×8bit灰度图。该算法用宿主图像的8×8分块的DCT域低频对应系数，进行量化取余的方法嵌入水印。由于引入误差很小，嵌入水印后的宿主图像质量很高，保证了水印的透明性。经仿真检验该算法具有理想的鲁棒性。同时在水印提取时不需要原始图像，只需将对应系数量化取余，检验余数即可。

文献[16]给出了一种在小波变换域中对静态图像加水印的方法。该方法利用了小波分析的优良性质,按水印图像小波变换后的系数块大小对小波变换后的载体图像进行分块，将分得的系数子块按不同层次不同方向重复嵌入相应的水印系数块, 通过与原始载体图像进行比较实现水印的提取。最后