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摘要：伴隨著互聯網的快速發展、媒體資源數字化進程的不斷加快，數字產品（如圖片、音頻、視頻等）的版權問題日益凸顯，掀起了數字水印的研究熱潮。本文主要實現一種基于DCT的數字水印算法，并根據此算法在可靠性方面的特性進行測試總結。將原始圖片分割成8×8的子塊，對各子塊進行DCT變換，并在原始圖片的每個子塊的DCT系數的中頻位置，按照上述算法利用水印給圖片添加“標記”。通過大量的仿真實驗對此水印算法的性能進行評估，利用客觀評價體系對水印圖片進行測試，結果表明此水印算法在抵抗壓縮、低通濾波等攻擊方面時都表現出較強的魯棒性。
關鍵詞：數字水印算法；離散余弦變換；魯棒性；版權保護；中頻系數
1引言
數字水印被熟練應用于各個領域，由于大量數字圖片等多媒體藝術作品特別容易被公眾存儲、復制以及公開傳播，由此引發的數字違法文件拷貝和數字圖片非法盜用等網絡信息安全隱患問題也逐漸日益增多，引起了國際社會研究熱潮。因此，數字水印技術面臨的挑戰也越來越嚴峻，既要有效滿足當今人們對數字水印技術質量的更高要求，也要有效防止數字圖片信息被盜等安全問題的發生[1]。2006年，趙翔等對數字水印理論知識進行了細致總結[2]，夯實了國內數字水印技術的理論知識?；赗GB和DCT的數字水印系統因其利用了符合人類數字視覺處理系統的多種特點，以及這些數字水印圖片基于DCT亮度系數的多種特性，在數字圖片處理的過程中隱藏進特定的數字信息，使用時人們很難用肉眼分辨出這些加入數字水印后的數字圖片與原始圖片有何區別，以此方法來有效保護原創者對這些數字圖片的所有權。
2基于DCT的數字水印的設計方案
2.1基本原理
基于DCT域的數字水印處理技術主要是將原始數字圖片和原始水印圖片經過各種DCT變換處理，達到將水印圖片信息直接嵌入原始圖片中的目的。該數字水印系統大體上包含水印的嵌入和水印的提取兩個主要板塊。數字水印的嵌入，是將既定的水印信息，通過水印嵌入算法，嵌入原始圖片中。數字水印的提取，即從嵌入了水印的圖片中在保證圖片質量不受損壞的情況下，盡可能完整提取出水印信息。
2.2總體思想
基于DCT的數字水印算法由于其優于其他水印算法的特點，有著非常好的抵抗壓縮、噪聲、剪切、低通濾波等一系列攻擊的實力，成為目前國內外水印技術研究的熱門方向之一[2]?；舅枷胧牵海?）數字水印預處理：該水印算法只適用于二值圖片，所以要對圖片進行預處理以達到提高數字水印系統的魯棒性和其他的相關性能的目的。（2）數字水印的嵌入：將原始圖片進行預處理，通過DCT變換，找出恰當的點嵌入特定水印信息，并設置水印嵌入時的強度因子為10，通過IDCT算法，整理出嵌入水印后圖片。（3）數字水印的提取：根據算法對圖片進行處理，在水印嵌入的位置取出水印，做IDCT變換并對它進行合并處理。（4）算法的改進：對這個水印算法的嵌入強度進行修改，設置強度因子為20，并通過各種攻擊測試對比兩個算法，試驗證明改進的算法更實用。
3基于DCT的數字水印技術的系統分析
3.1數字水印嵌入及提取的實現流程
基于DCT的數字水印的嵌入是將被分割成互不覆蓋的8×8的子圖片塊的原始圖片的每個子塊都進行離散余弦變換，將處理過的特定的水印信息嵌入恰當的位置，可得帶有水印信息的圖片。水印的提取過程也需要對嵌入水印后的圖片進行處理，運用算法，并經過一系列運算，找準位置去除水印，盡可能讓水印被高質量還原。
3.2數字水印性能指標的評價方式
目前的水印算法越來越成熟，但目前仍然沒有出現公認的評價標準，普遍還采取以下兩種不同方法評價其優劣。（1）主觀評價方式所謂的主觀評價方式就是完全憑人來評價，沒有任何標準可言，見仁見智，大體標準見表1。（2）客觀評價方式數字圖片水印的客觀評價方法就是通過統一標準的運算，盡可能客觀、準確地評價出算法優劣。總體上，設計者大都依照實際應用需求，選取合適的評價手段來進行衡量。為了客觀評價算法優劣，本文采取計算互相關系數的方式。
3.3數字水印系統常見攻擊方法
數字水印的魯棒性可以很好判斷它是否是一個合格的數字水印，是否能夠具有良好的數據安全認證和版權保護的能力，以及能不能完全抵抗得住各種網絡攻擊。當然，對于數字水印的魯棒性的要求也是隨著其應用場合的變化而變化的。而且，僅僅是魯棒性好并不能就代表這個水印系統可靠。還受其他水印系統性能指標的共同影響制約。所以數字水印算法應該盡量做到面面俱到。常見的幾種攻擊方式有：壓縮、噪聲、水印濾波攻擊、剪切。
4基于DCT的數字水印技術的算法實現
本算法在MatlabR2019a操作環境下進行了測試實驗。根據對應的選項，輸入不同的數字，程序會根據該選項輸出相應的攻擊測試結果。修改尺度因子，令尺度因子分別為alpha=10、alpha=20，通過所選的攻擊方式輸出對應的運行結果，并對強度因子不同的兩種算法的實驗結果進行對比。
4.1嵌入水印圖片的攻擊測試結果
互相關系數的計算是一種對原水印圖片與被提取出的水印圖片之間相似程度進行客觀描述的方法，再根據選擇攻擊方式的不同，以及強度因子設置數值的不同，可直觀地對比得到嵌入強度對數字水印品質的影響。（1）無攻擊測試無攻擊測試時，尺度因子對實驗結果沒有直觀影響。令尺度因子alpha=10，測試結果如圖1所示，輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關運算結果等于1。alpha=20，測試結果如圖2所示，其互相關運算結果等于1。（2）白噪聲攻擊通過對尺度因子的調節可以部分挽回白噪聲攻擊對水印圖片造成的影響。尺度因子alpha=10，測試結果如圖3所示，輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關運算結果等于0.7874。alpha=20，測試結果如圖4所示，其互相關運算結果等于0.9704。（3）高斯低通濾波處理濾波攻擊方式對本算法圖片的影響比較小。尺度因子alpha=10，測試結果如圖5所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關運算結果等于0.8164。alpha=20，測試結果如圖6所示，其互相關運算結果等于1。（4）對圖片進行部分剪切尺度因子alpha=10，測試結果如圖7所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關運算結果等于0.8874。alpha=20，測試結果如圖8所示，其互相關運算結果等于0.9934。（5）將圖片旋轉10度尺度因子alpha=10，測試結果如圖9所示。原輸出的水印圖片與提取出的水印圖片互相關系數結果等于0.1060。alpha=20，測試結果如圖10所示，其圖片互相關系數結果等于0.1192。（6）將圖片壓縮處理尺度因子alpha=10，測試結果如圖11所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關系數結果等于0.4901。尺度因子alpha=20，測試結果如圖12所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關系數結果等于0.5497。（7）添加椒鹽噪聲尺度因子alpha=10，測試結果如圖13所示。輸出的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關系數結果等于0.9313。alpha=20，測試結果如圖14所示，其互相關系數結果等于0.9669。
4.2測試結果分析
通過面對不同強度因子的數字圖片的不同反應，以及面對不同攻擊時所表現的原水印圖片與提取出的水印圖片互相關系數的變化，可知這種改進的算法的優點在于通過改變嵌入水印強度，在一定程度上大大改進了水印算法面對白噪聲攻擊等一系列攻擊時的魯棒性，但由于這一系列攻擊方法都會對該基于DCT數字水印算法得到的嵌入水印后的圖片有或多或少的影響，所以幾乎在面對每一種攻擊時，都不能單單只通過尺度因子的調節最好地改善數字水印的魯棒性。
5結束語
本文對基于DCT的數字水印設計做了相關技術與理論的描述，實現了算法仿真，通過互相關系數直觀地反映出仿真測試的結果。雖然強度因子的改進實現了該數字水印算法魯棒性的提高，但也存在較高的誤碼率。實驗也表明數字水印的魯棒性和不可見性只能得一舍一，因此如何調節好兩者之間的關系也是關乎數字水印品質好壞的關鍵，對于數字水印技術領域，找到魯棒性與不可見性共存的關鍵也是一個值得不斷深入研究的課題。隨著互聯網不斷的信息更新，數字水印技術在一定程度上維護了網絡信息安全秩序。
作者：王若凡 單位：忻州師范學院
