数字信号处理论文

信号与系统论文（对新的信号处理技术的介绍）

姓名：李梦诚

学号：E31314026

选题：数字水印的信号处理技术

数字信号处理论文

摘要

随着计算机通信技术的迅速发展，尤其是Internet技术的发展，多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能，然而，这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容，出于对利益的考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权的保护问题。而数字水印正式在这一背景下提出的，是数字产权保护技术之一。本文介绍了数字水印的产生背景、基本原理、应用方面等，并分析了基于奇异值分解的数字水印技术。

1.数字水印简介

数字水印(Digital Watermarking)技术是将一些标识信息(即数字水印)直

接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。

数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。它将具有特定意义的标记（水印），利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像，声音，文档，图书，视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定，起诉非法侵权行为的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字水印一般具有如下特点：

●可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证

据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这际上也是发展水印技术的基本动力。

●不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印

导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。

●稳健性：稳健性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的

（如恶意攻击）或无意的（如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等等）。显然在经过这些操作后，稳健的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者实图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。

3.数字水印的基本原理

数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容中，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密（包括公开密钥、私有密钥）体系来加强，在水印的嵌入，提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用。水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示：

图1 数字水印嵌入过程

水印嵌入过程中，首先要产生水印。要嵌入的信息可以是各种性质的，如随机序列、数字、图像、文本等。密钥是用来增强安全性的，可以防止未经授权者读取信息。水印嵌入过程的输出是嵌入了水印的图像。

图2 数字水印检测/抽取过程

水印检测过程的输入是被测试的图像，它可能是没有嵌入水印的，也可能是嵌入了水印后又被攻击的图像。由于不同的水印算法，水印检测的输入还可能包含密钥、原始图像等。水印检测过程的输出或是检测出的水印，或是一个关于水印是否存在于被检测的信号的置信度值。图2中，水印检测时若不需要原始水印及原始载体图像，则水印为盲水印，否则为非盲水印。

4.数字水印的实现

数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现。

较早的数字水印算法从本质上来说都是空间域上的，通过改变某些象素的灰度将要隐蔽的信息嵌入其中，将数字水印直接加载在数据上。空间域方法具有算法简单、速度快、容易实现的优点。特别是它几乎可以无损的恢复载体图象和水印信息，这对于某些应用是必要的，可以细分为如下几种方法：

（1）最低有效位法，该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的，具体取多少位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则。

（2）Patchwork方法及纹理映射编码方法，该方法是通过任意选择N对图象点，增加一点亮度的同时，降低相应另一点的亮度值来加载数字水印。

（3）文档结构微调方法，在通用文档图象（postscript）中隐藏特定二进制信息的技术，主要是通过垂直移动行距，水平调整字距，调整文字特性等来完成编码。

基于变换域的技术可以嵌入大量比特的数据而不会导致不可察觉的缺陷，往往通过改变频域的一些系数的值，采用类似扩频图象的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图象变换，基于局部或全部的变换，这些变换包括离散余弦变换（DCT）、小波变换（WT）、付氏变换（FT或FFT）以及哈达马变换（Hadamard Transform）等等。其中基于分块的DCT是最常用的变换之一。频域方法具有如下优点：

（1）在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布到所有的象素上，有利于保证水印的不可见性；

（2）在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性，可以更方便、更有效的进行水印的编码。不过，频域变换和反变换过程中是有损的，同时其运算量也很大，对一些精确或快速应用的场合不太适合。目前常用的方法有平面隐藏法和基于DCT或DFT的系数隐藏法。

5.数字水印的应用及发展

由于数字水印技术与传统技术手段相比有诸多的优点，使得水印技术有很广的应用需求，为企业和客户提供了很多的商业机会。根据水印技术的功能，可以将数字水印的应用领域归纳为以下几类：

（1）数字作品的版权保护

数字作品的版权保护是数字水印技术最重要的应用方面。它的目标是嵌入有关数据来源的信息，典型的是数据的版权拥有者的特有标识，以阻止他人声明数据的版权。“数字水印"利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。这一应用的主要驱动力来自互联网，那里有成百上千万的图像可以免费获得，而合法的拥有者却想要保护自己的版权。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆"软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的