基于小波变换的数字水印技术

苏剑锋++++殷玲玲

摘 要： 随着多媒体技术与互连网技术的迅速发展，基于数字水印技术的电子多媒体作品版权保护问题已成为信息科学领域的研究热点，因此数字水印技术作为一种有效的多媒体版权保护技术受到越来越多的关注。文章着重介绍数字水印技术的发展背景、特点和小波变换理论。

关键词： 数字水印 小波变换 数字图像水印算法

数字水印技术是20世纪90年代出现的一门崭新的技术，通过在数字产品中嵌入可感知或不可感知的信息证明数字产品的所有权或检验数字内容的原始性。数字水印是用于解决知识产权保护问题、最具有潜力的多学科交叉技术，自1993年提出以来发展十分迅速，已经受到国际学术界和企业界的高度关注。

一、数字水印的概念

所谓数字水印技术，就是将一种特殊标志信息（伪随机序列或可识别图案文字）嵌入数字媒体，用以辨识数据的版权、合法使用者，从而认证或控制数据的使用。而利用数字水印进行多媒体信息的认证则是利用人类知觉系统的冗余，在不影响数字媒体的感官（视或听）质量的前提下，将与媒体内容相关或不相关的标志信息作为水印直接嵌入媒体内容中。这一过程并不影响原始多媒体数据的可用性，在检查盗版行为时，可以从含水印的多媒体数据中提取出相关信息，用以证明数字产品的版权，指证盗版行为。除此之外，数字水印还在真伪鉴别、隐蔽通信、标志隐含、电子身份认证等方面具有重要的应用价值。

二、数字水印的种类

目前数字水印技术大体上可分为空域和变换域水印两大类。空域数字水印是通过改变空域像素灰度值来嵌入水印信息，如LSB（least Significant bits）嵌入。变换域数字水印则是将载体图像变换到变换域，通过改变变换域系数来嵌入水印，如DCT（discrete cosine transform）域嵌入。当嵌入的水印信息比较多时，一般变换域水印要优于空域水印算法。小波分析理论和方法是从Fourier分析演变而来的。小波变换以牺牲部分频域定位性能来取得时―频局部性的折中，其不仅能提供较精确的时域定位，而且能提供较精确的频域定位。我们所面对的真实物理信号，更多地表现出非平稳的特性，而小波变换恰恰是处理非平稳信号的有力工具。

三、小波变换的定义

小波变换指的是将某个基本的小波或者是母小波的函数进行位移到b点后，在不同的尺度a的情况下，和需要分析的信号作内积。其中基本的小波函数是满足基本条件的平方可积函数。因此，函数经过平移和伸缩之后可以得到函数公式，（a≠0），其中a、b代表的实数，a表示的是伸缩性因子或者是尺度的因子，在实际的工程中尺度的因子不能小于0；b代表的是平移性因子，b的数值正负均可以。当在设置为有限能量的信号时，小波变换的定义为和小波函数之间的内积，其中a、b代表的是连续性的变量。

根据S.Mallat塔式分解的算法，原始图像在经过小波分解处理之后，分割成了垂直方向、低频环节、对角线的方向和水平方向这四个频带，而低频环节还可以继续分解。

四、一种基于小波的数字图像水印算法

1.水印的嵌入算法原理：①分别读取原始图像和二值水印图像；②对分块进行DWT变换，具体用Haar小波函数对原图像进行一维离散小波变换分解，得到4组系数矩阵，分别为近似小波低频系数cA、水平细节高频系数cH、垂直细节高频系数cV和对角线细节高频系数cD。这4组矩阵分别构造出原始图像的近似图像和细节图像；③将水印信号嵌入小波低频系数中。对低频系数的保护比对高频系数要好，因此，水印信号分量嵌入DWT域低频系数具有足够的稳健性；④将嵌入水印的图像块进行IDWT逆小波变换重构图像，再转换成Uint8类型，获含水印图像。

2.水印的提取算法原理：①读取嵌入水印后的图像并进行一级Haar小波变换；②读入原宿主图像并进行一级Haar小波变换；③对分块进行DWT变换；④对嵌入水印图像分块提取水印；⑤将水印重新排序，并将提取的四幅水印相加，得到最后的提取水印。

五、结语

多媒体信息安全之中数字水印技术的建设，相当关键，正如上文所分析到的，随着当前信息技术和计算机技术的不断向前发展，不少行业开始自身的转型，不断迈向自动化和数字化的发展方向。综上所述，本文系统地分析了当前现代化数字水印技术的基本情况和技术发展过程之中的核心问题，并从实际情况出发深入探讨了今后应该重点研究和解决的问题。

参考文献：

[1]金聪.数字水印理论与技术[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]柏森，胡中豫，吴乐华，等.通信信息隐秘技术[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3]龚声荣，刘纯平，王强，等.数字图像处理与分析[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]李京兵，黄席旭.一种基于DWT抗几何攻击数字水印鲁邦算法[J].计算机仿真，2007，24（3）：303-306.

[5]戴子春.基于DWT的数字水印算法研究[J].激光与红外（LASER&INFRRED），2009，39（5）：571-574.