1、數(shù)字媒體處理技術(shù)綜述及學(xué)習(xí)心得1、引言 隨著Internet與數(shù)字媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全問(wèn)題日益突出，主要表現(xiàn)在數(shù)字媒體被非法復(fù)制、篡改、傳播與攻擊等。因此，數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)與信息完整性保證已逐漸成為人們迫切需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，數(shù)字水印技術(shù)就是在這種需求下迅速發(fā)展起來(lái)的。 數(shù)字水印是一類信息隱藏技術(shù)，其基本思想是通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息嵌入到公開(kāi)信息中，以達(dá)到隱匿信息的目的。其在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、保密通信與內(nèi)容鑒別等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)字水印技術(shù)最初由Van Schyndel等人在1994年的ICIP會(huì)議上提出，他們針對(duì)灰度圖像提出了兩種向圖像最低有效位嵌入水印的算法。1

2、996年在英國(guó)劍橋召開(kāi)了信息隱藏領(lǐng)域的第一次學(xué)術(shù)研討會(huì)，標(biāo)志著信息隱藏作為一個(gè)新學(xué)科的誕生。十多年來(lái)，數(shù)字水印技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在水印的嵌入和檢測(cè)方面，都取得了較多的成果。 目前，國(guó)際上劍橋大學(xué)、IBM研究中心、NEC美國(guó)研究所、麻省理工學(xué)院等都對(duì)數(shù)字水印進(jìn)行了深入的研究。國(guó)內(nèi)在數(shù)字水印方面的研究起步稍晚，但發(fā)展迅速。1999年12月召開(kāi)了第一屆全國(guó)信息隱藏學(xué)術(shù)會(huì)議。2000年1月，由國(guó)家863計(jì)劃智能計(jì)算機(jī)專家組織展開(kāi)了“數(shù)字水印技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)”，體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)這一領(lǐng)域研究的高度重視。目前，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等都在該領(lǐng)域取得了不菲的

3、成果。2、數(shù)字水印的研究現(xiàn)狀 2.1文本水印 文本水印就是將代表著作人身份的信息（水印）嵌入到電子出版物中，在產(chǎn)生版權(quán)糾紛時(shí)來(lái)驗(yàn)證版權(quán)的歸屬。其主要分為三大類：基于文檔結(jié)構(gòu)的水印方法、基于自然語(yǔ)言處理技術(shù)的水印方法、基于傳統(tǒng)圖像的水印方法?；谖臋n結(jié)構(gòu)的各種水印方法都只是提留在文本的表層，無(wú)法抵抗對(duì)于文本結(jié)構(gòu)和格式的攻擊，簡(jiǎn)單的重新錄入攻擊就能使之失效，因此這些水印方法普遍存在魯棒性差的缺點(diǎn)。自然語(yǔ)言文本水印方法相對(duì)提高了抗攻擊的能力，但普遍存在容量不足的問(wèn)題?；趥鹘y(tǒng)圖像的文本水印普遍存在魯棒性不高、操作復(fù)雜的缺點(diǎn)。 2.2圖像水印 根據(jù)水印的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，圖像水印算法可分為空域算法和變換域算法

4、。空域算法是通過(guò)直接改變?cè)紙D像的像素值來(lái)嵌入水印，通常具有較快的速度，但魯棒性差，且水印容量也會(huì)受到限制；變換域算法是通過(guò)改變某些變換系數(shù)來(lái)嵌入水印，通常具有很好的魯棒性和不可見(jiàn)性。其實(shí)現(xiàn)一般是基于圖像變換，如DCT、DFT、DWT等。重點(diǎn)介紹一下變換域算法。 2.2.1離散傅里葉變換（DFT） 該方法是利用圖像的DFT來(lái)嵌入信息。通信理論中調(diào)相信號(hào)的抗干擾能力比調(diào)幅信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)，同樣在圖像中利用相位信息嵌入的水印也比用幅值信息嵌入的水印更穩(wěn)健。實(shí)驗(yàn)表明該方法的抗壓縮能力比較弱。 2.2.2離散余弦變換（DCT）DCT能把空間域的圖像轉(zhuǎn)換到變換域上進(jìn)行研究，從而能很容易了解到圖像的各空

5、間頻域成分，進(jìn)行相應(yīng)處理?；贒CT的水印方法與基于DFT的水印方法相比有較好的魯棒性，但是無(wú)法做到對(duì)圖像信號(hào)內(nèi)容的自適應(yīng)，因此往往會(huì)造成對(duì)圖像特征的明顯損害，不可感知性不是最佳。 2.2.3離散小波變換（DWT） DWT是一種時(shí)間-頻率信號(hào)的多分辨率分析方法，在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力。實(shí)驗(yàn)表明，與DFT、DCT變換相比較，基于DWT的水印算法的魯棒性最優(yōu)，且與JPEG2000，MPEG4壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，利用DWT產(chǎn)生的水印具有良好的視覺(jué)效果和抵抗多種攻擊的能力，且不可感知性最好。 2.3音頻水印 音頻水印利用音頻文件的冗余信息和人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)嵌入水印，其可以保護(hù)聲音數(shù)字產(chǎn)品

6、不被隨意復(fù)制和篡改，如CD唱片，廣播電臺(tái)的節(jié)目?jī)?nèi)容等。有學(xué)者提出了音頻水印的三種基本方法：擴(kuò)頻嵌入方法、回聲隱藏方法和相位編碼方法。 2.4視頻水印視頻水印是通過(guò)對(duì)視頻載體的時(shí)間和空間冗余來(lái)嵌入水印，其既不影響視頻質(zhì)量，又能達(dá)到保護(hù)節(jié)目制作者的合法權(quán)益和控制數(shù)字產(chǎn)品的復(fù)制。視頻水印從算法要求上同圖像水印有許多相似之處，但視頻水印也有一些獨(dú)特之處，如能夠在壓縮和未壓縮的格式下實(shí)時(shí)完成水印的檢測(cè)，對(duì)MPEG壓縮、串謀攻擊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等都有較好的穩(wěn)健性。3、數(shù)字水印算法 從水印嵌入方式的角度來(lái)看，數(shù)字水印算法主要分為兩大類：空間域水印算法和變換域水印算法。 3.1基于空間域的水印算法 空間域

7、的水印算法將水印信息直接嵌入在圖像的灰度值中，該算法大都是基于最不顯著位LSB（Least Significant Bit）方法。這種水印算法的特點(diǎn)是對(duì)水印的嵌入和提取簡(jiǎn)單、快速，嵌入的水印信息量大，但由于它位于圖像的LSB上，穩(wěn)健性較差，容易受到有損壓縮、量比、有噪信道傳輸?shù)挠绊?。比較典型的空間域算法包括Schyndel算法和Patchwork算法等。Schyndel算法把一個(gè)密鑰輸入一個(gè)m序列發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生水印信號(hào)，然后將該序列重新排列成二維水印信號(hào)，并按像素點(diǎn)逐一插入到原始圖像像素值的最低位。Patchwork算法處理對(duì)象為256個(gè)亮度級(jí)和線性量化的圖像且所有的亮度級(jí)的概率相等，圖像中的任

8、一像素值與其余的像素值是不相關(guān)的。該算法首先隨機(jī)選取N對(duì)像素點(diǎn)，然后通過(guò)增加像素對(duì)中一個(gè)點(diǎn)的亮度值，而相應(yīng)降低另一個(gè)點(diǎn)的亮度值的調(diào)整來(lái)隱藏信息。李旭東等人分析了現(xiàn)有的抗幾何攻擊算法的不足，并提出了一個(gè)新的抗幾何攻擊的圖像數(shù)字水印算法。該算法在水印嵌入時(shí)，先對(duì)原始圖像進(jìn)行分塊，然后對(duì)各個(gè)子塊圖像根據(jù)量化策略重復(fù)嵌入相應(yīng)的1bit水印信息；在水印提取時(shí)，先將含水印圖像進(jìn)行分塊，然后對(duì)從各個(gè)子塊圖像中提取出的水印信息根據(jù)多數(shù)原則判定相應(yīng)子塊圖像所含的1bit水印信息。 3.2基于變換域的數(shù)字水印算法 基于變換域的水印算法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，這種方法是將圖像變換到頻域中，然后通過(guò)改變某些頻域系數(shù)來(lái)

9、嵌入水印。頻域中能量分布較集中，且圖像像素點(diǎn)間有一定的相關(guān)性，這有利于保證水印的不可見(jiàn)性，魯棒性好。常用的變換有：離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）、離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）、離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）。 Cox算法是典型的離散余弦變換水印算法，該算法首先計(jì)算圖像DCT系數(shù)，然后選擇那些視覺(jué)重要部分的系數(shù)嵌入水印。文獻(xiàn)6首先把圖像分成8×8的不重疊像素塊，經(jīng)過(guò)分塊DCT變換后，得到由DCT系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機(jī)選取一些頻率塊，將水印信號(hào)嵌

10、入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數(shù)中，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)改變幅度小，透明性好，但抵抗幾何變換等攻擊的能力弱。C.T.Hsu等人提出了基于可視化模型的算法，在8×8圖像塊的DCT系數(shù)中，選擇4×4個(gè)中頻系數(shù)組成小塊，通過(guò)比較相鄰兩個(gè)小中頻系數(shù)塊中相應(yīng)位置上系數(shù)的大小，進(jìn)行水印的嵌入，由于采用了可視化模型，提高了水印的不可見(jiàn)性。黃繼武等人利用人類視覺(jué)系統(tǒng)的照度掩蔽特性和紋理掩蔽特性，將空域中的圖像塊(8×8)分成三類，然后將不同強(qiáng)度的偽隨機(jī)序列的水印分量自適應(yīng)地嵌入到不同類圖像塊的DCT低頻系數(shù)中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。肖俊等人將多級(jí)離散小波變換的“多級(jí)”思想引入到離散余弦變換中

11、，并對(duì)多級(jí)離散余弦變換的特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于多級(jí)離散余弦變換的數(shù)字水印算法，該算法從多級(jí)離散余弦變換系數(shù)中選擇適當(dāng)?shù)奈恢们度胨⌒畔?。離散傅立葉變換可以很好地表達(dá)圖像的構(gòu)造分布，其平移、放縮和旋轉(zhuǎn)特性常常被用來(lái)構(gòu)造幾何變換的魯棒水印。V Solachdis等人構(gòu)造了一個(gè)環(huán)帶狀對(duì)稱水印，水印信息為(1,-1)，將其嵌入到DFT的中頻子帶中，可以抵抗壓縮、旋轉(zhuǎn)、剪裁等操作。J.J.K.O.Ruanaidh等人在水印算法中使用Mellin-Fourier變換，將水印嵌入在只與傅立葉變換的振幅有關(guān)的子空間中。Jce Ruanaidh等人提出了一種基于相位調(diào)制的水印算法。赫明釗等人提

12、出一種基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和隨機(jī)相位編碼的光學(xué)加密數(shù)字水印技術(shù)，該數(shù)字水印技術(shù)對(duì)于噪音疊加和常見(jiàn)的圖像處理操作具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。 小波變換是一種比較特殊的變換方式，它具有多分辨率分析的特點(diǎn)，而小波基和小波變換級(jí)數(shù)的選擇更是給小波變換域數(shù)字水印算法的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性和優(yōu)越性。Hsu和Lwu提出了多分辨率分析的水印算法，首先對(duì)水印和原始圖像同時(shí)進(jìn)行多分辨率分析，然后將水印在分辨率下的分析系數(shù)嵌入到具有相應(yīng)分辨率的圖像塊中，這樣，即使含水印的圖像質(zhì)量受到了攻擊，丟失了部分信息，較低分辨率的水印仍然保存在較低分辨率的圖像塊中，因此水印具有較高的穩(wěn)健性。X.G.Xia等人選用滿足正態(tài)分布的偽隨機(jī)序列

13、做水印，在整幅小波分解生成的圖像中，用由高分辨率到低分辨率、同一分辨率下由高頻到低頻逐個(gè)子帶添加水印的方法進(jìn)行嵌入。這種水印算法的優(yōu)點(diǎn)是水印檢測(cè)按子帶分級(jí)擴(kuò)充水印序列進(jìn)行，在水印圖像質(zhì)量破壞不大的情況下，水印檢測(cè)可以在搜索少數(shù)幾個(gè)子帶后終止，提高了水印檢測(cè)的效率。H.M.Wang等人在上述方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用漸進(jìn)編碼的思想進(jìn)行水印的嵌入和檢測(cè)。首先通過(guò)一定的閾值選擇一個(gè)小波分解的重要子帶，在子帶中從處于高位平面的系數(shù)到處于低位平面的系數(shù)上，添加水印直到所有水印點(diǎn)嵌入到圖像中，該算法給出了一種不使用原始圖像的盲檢測(cè)方案。Lu Jiang和ZhangRan采用基于2維離散小波變換的數(shù)字水印方法，

14、可以在不影響圖像視覺(jué)效果的情況下，將水印信息嵌入到高通小波系數(shù)中，可以在一定程度上抵制壓縮攻擊和幾何攻擊。 3.3基于融合的數(shù)字水印算法 圖像融合主要有兩種方式。一種是將兩幅圖像按照某種方式疊加生成一個(gè)新的圖像，使新圖像中包含兩個(gè)圖像的信息。采用較好的融合算法能保證恢復(fù)時(shí)無(wú)需原始公開(kāi)圖像。另一種是利用數(shù)字圖像的自相關(guān)性，通過(guò)放大原始公開(kāi)圖像來(lái)隱藏與公開(kāi)圖像同樣大小的數(shù)字圖像。此方法對(duì)于彩色圖像的隱藏比較實(shí)用，尤其適用于BMP彩色圖像的加密隱藏，而且對(duì)所要隱藏的圖像進(jìn)行置亂處理后，安全性更高。除了以上數(shù)字水印算法外，還有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法等。4、數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域 4

15、.1 版權(quán)保護(hù) 版權(quán)保護(hù)是數(shù)字水印的最主要應(yīng)用領(lǐng)域，其思想是數(shù)字作品的所有者通過(guò)密鑰產(chǎn)生水印，利用一定的嵌入方法，將水印嵌入原始數(shù)據(jù)(圖像、聲音、視頻等)，然后公開(kāi)發(fā)布嵌入水印的作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者可利用水印提取、檢測(cè)、驗(yàn)證等方法，使嵌入的水印成為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán)益。 4.2 來(lái)源追蹤 為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝和發(fā)行，出品人可以將不同用戶的ID或序列號(hào)作為不同的水印(數(shù)字指紋)嵌入作品的合法拷貝中。如果發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的水印(數(shù)字指紋)來(lái)確定它的來(lái)源。 4.3 信息標(biāo)注 數(shù)字作品具有很多屬性信息，如作品的標(biāo)題、創(chuàng)作者等，利用數(shù)字水印技術(shù)將這些信息嵌入到作品中，不但不需要額外的帶寬和存儲(chǔ)，而且不易丟失。另外，國(guó)防和情報(bào)部門還可以利用數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。 4.4 訪問(wèn)控制 利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問(wèn)控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體之前通過(guò)檢測(cè)嵌入到其中的訪問(wèn)控制信息，以達(dá)到訪問(wèn)控制的目的，它要求水印具有很高的魯棒性。DVD防拷貝系統(tǒng)是訪問(wèn)控制的一個(gè)典型的應(yīng)用例子，它將數(shù)字水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，并在DVD播