数字媒体处理技术综述及学习心得

1、数字媒体处理技术综述及学习心得1、引言 随着Internet与数字媒体技术的飞速发展，信息安全问题日益突出，主要表现在数字媒体被非法复制、篡改、传播与攻击等。因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。 数字水印是一类信息隐藏技术，其基本思想是通过一定的算法将一些标志性信息嵌入到公开信息中，以达到隐匿信息的目的。其在知识产权保护、保密通信与内容鉴别等领域都具有广泛的应用价值。数字水印技术最初由Van Schyndel等人在1994年的ICIP会议上提出，他们针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位嵌入水印的算法。1

2、996年在英国剑桥召开了信息隐藏领域的第一次学术研讨会，标志着信息隐藏作为一个新学科的诞生。十多年来，数字水印技术得到了长足的发展，在水印的嵌入和检测方面，都取得了较多的成果。 目前，国际上剑桥大学、IBM研究中心、NEC美国研究所、麻省理工学院等都对数字水印进行了深入的研究。国内在数字水印方面的研究起步稍晚，但发展迅速。1999年12月召开了第一届全国信息隐藏学术会议。2000年1月，由国家863计划智能计算机专家组织展开了“数字水印技术学术研讨会”，体现了我国对这一领域研究的高度重视。目前，国内清华大学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、浙江大学、国防科技大学等都在该领域取得了不菲的

3、成果。2、数字水印的研究现状 2.1文本水印 文本水印就是将代表著作人身份的信息（水印）嵌入到电子出版物中，在产生版权纠纷时来验证版权的归属。其主要分为三大类：基于文档结构的水印方法、基于自然语言处理技术的水印方法、基于传统图像的水印方法。基于文档结构的各种水印方法都只是提留在文本的表层，无法抵抗对于文本结构和格式的攻击，简单的重新录入攻击就能使之失效，因此这些水印方法普遍存在鲁棒性差的缺点。自然语言文本水印方法相对提高了抗攻击的能力，但普遍存在容量不足的问题。基于传统图像的文本水印普遍存在鲁棒性不高、操作复杂的缺点。 2.2图像水印 根据水印的实现过程，图像水印算法可分为空域算法和变换域算法

4、。空域算法是通过直接改变原始图像的像素值来嵌入水印，通常具有较快的速度，但鲁棒性差，且水印容量也会受到限制；变换域算法是通过改变某些变换系数来嵌入水印，通常具有很好的鲁棒性和不可见性。其实现一般是基于图像变换，如DCT、DFT、DWT等。重点介绍一下变换域算法。 2.2.1离散傅里叶变换（DFT） 该方法是利用图像的DFT来嵌入信息。通信理论中调相信号的抗干扰能力比调幅信号的抗干扰能力强，同样在图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稳健。实验表明该方法的抗压缩能力比较弱。 2.2.2离散余弦变换（DCT）DCT能把空间域的图像转换到变换域上进行研究，从而能很容易了解到图像的各空

5、间频域成分，进行相应处理。基于DCT的水印方法与基于DFT的水印方法相比有较好的鲁棒性，但是无法做到对图像信号内容的自适应，因此往往会造成对图像特征的明显损害，不可感知性不是最佳。 2.2.3离散小波变换（DWT） DWT是一种时间-频率信号的多分辨率分析方法，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。实验表明，与DFT、DCT变换相比较，基于DWT的水印算法的鲁棒性最优，且与JPEG2000，MPEG4压缩标准兼容，利用DWT产生的水印具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力，且不可感知性最好。 2.3音频水印 音频水印利用音频文件的冗余信息和人耳听觉系统的特点来嵌入水印，其可以保护声音数字产品

6、不被随意复制和篡改，如CD唱片，广播电台的节目内容等。有学者提出了音频水印的三种基本方法：扩频嵌入方法、回声隐藏方法和相位编码方法。 2.4视频水印视频水印是通过对视频载体的时间和空间冗余来嵌入水印，其既不影响视频质量，又能达到保护节目制作者的合法权益和控制数字产品的复制。视频水印从算法要求上同图像水印有许多相似之处，但视频水印也有一些独特之处，如能够在压缩和未压缩的格式下实时完成水印的检测，对MPEG压缩、串谋攻击、A/D和D/A转换等都有较好的稳健性。3、数字水印算法 从水印嵌入方式的角度来看，数字水印算法主要分为两大类：空间域水印算法和变换域水印算法。 3.1基于空间域的水印算法 空间域

7、的水印算法将水印信息直接嵌入在图像的灰度值中，该算法大都是基于最不显著位LSB（Least Significant Bit）方法。这种水印算法的特点是对水印的嵌入和提取简单、快速，嵌入的水印信息量大，但由于它位于图像的LSB上，稳健性较差，容易受到有损压缩、量比、有噪信道传输的影响。比较典型的空间域算法包括Schyndel算法和Patchwork算法等。Schyndel算法把一个密钥输入一个m序列发生器来产生水印信号，然后将该序列重新排列成二维水印信号，并按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。Patchwork算法处理对象为256个亮度级和线性量化的图像且所有的亮度级的概率相等，图像中的任

8、一像素值与其余的像素值是不相关的。该算法首先随机选取N对像素点，然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。李旭东等人分析了现有的抗几何攻击算法的不足，并提出了一个新的抗几何攻击的图像数字水印算法。该算法在水印嵌入时，先对原始图像进行分块，然后对各个子块图像根据量化策略重复嵌入相应的1bit水印信息；在水印提取时，先将含水印图像进行分块，然后对从各个子块图像中提取出的水印信息根据多数原则判定相应子块图像所含的1bit水印信息。 3.2基于变换域的数字水印算法 基于变换域的水印算法是目前应用最广泛的方法，这种方法是将图像变换到频域中，然后通过改变某些频域系数来

9、嵌入水印。频域中能量分布较集中，且图像像素点间有一定的相关性，这有利于保证水印的不可见性，鲁棒性好。常用的变换有：离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）、离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）、离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）。 Cox算法是典型的离散余弦变换水印算法，该算法首先计算图像DCT系数，然后选择那些视觉重要部分的系数嵌入水印。文献6首先把图像分成8×8的不重叠像素块，经过分块DCT变换后，得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌

10、入到由密钥控制选择的一些DCT系数中，其特点是数据改变幅度小，透明性好，但抵抗几何变换等攻击的能力弱。C.T.Hsu等人提出了基于可视化模型的算法，在8×8图像块的DCT系数中，选择4×4个中频系数组成小块，通过比较相邻两个小中频系数块中相应位置上系数的大小，进行水印的嵌入，由于采用了可视化模型，提高了水印的不可见性。黄继武等人利用人类视觉系统的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性，将空域中的图像块(8×8)分成三类，然后将不同强度的伪随机序列的水印分量自适应地嵌入到不同类图像块的DCT低频系数中，实现水印的嵌入。肖俊等人将多级离散小波变换的“多级”思想引入到离散余弦变换中

11、，并对多级离散余弦变换的特性进行了分析，在此基础上提出了一种基于多级离散余弦变换的数字水印算法，该算法从多级离散余弦变换系数中选择适当的位置嵌入水印信息。离散傅立叶变换可以很好地表达图像的构造分布，其平移、放缩和旋转特性常常被用来构造几何变换的鲁棒水印。V Solachdis等人构造了一个环带状对称水印，水印信息为(1,-1)，将其嵌入到DFT的中频子带中，可以抵抗压缩、旋转、剪裁等操作。J.J.K.O.Ruanaidh等人在水印算法中使用Mellin-Fourier变换，将水印嵌入在只与傅立叶变换的振幅有关的子空间中。Jce Ruanaidh等人提出了一种基于相位调制的水印算法。赫明钊等人提

12、出一种基于分数傅里叶变换和随机相位编码的光学加密数字水印技术，该数字水印技术对于噪音叠加和常见的图像处理操作具有较强的稳健性。 小波变换是一种比较特殊的变换方式，它具有多分辨率分析的特点，而小波基和小波变换级数的选择更是给小波变换域数字水印算法的设计带来了很大的灵活性和优越性。Hsu和Lwu提出了多分辨率分析的水印算法，首先对水印和原始图像同时进行多分辨率分析，然后将水印在分辨率下的分析系数嵌入到具有相应分辨率的图像块中，这样，即使含水印的图像质量受到了攻击，丢失了部分信息，较低分辨率的水印仍然保存在较低分辨率的图像块中，因此水印具有较高的稳健性。X.G.Xia等人选用满足正态分布的伪随机序列

13、做水印，在整幅小波分解生成的图像中，用由高分辨率到低分辨率、同一分辨率下由高频到低频逐个子带添加水印的方法进行嵌入。这种水印算法的优点是水印检测按子带分级扩充水印序列进行，在水印图像质量破坏不大的情况下，水印检测可以在搜索少数几个子带后终止，提高了水印检测的效率。H.M.Wang等人在上述方法的基础上进一步利用渐进编码的思想进行水印的嵌入和检测。首先通过一定的阈值选择一个小波分解的重要子带，在子带中从处于高位平面的系数到处于低位平面的系数上，添加水印直到所有水印点嵌入到图像中，该算法给出了一种不使用原始图像的盲检测方案。Lu Jiang和ZhangRan采用基于2维离散小波变换的数字水印方法，

14、可以在不影响图像视觉效果的情况下，将水印信息嵌入到高通小波系数中，可以在一定程度上抵制压缩攻击和几何攻击。 3.3基于融合的数字水印算法 图像融合主要有两种方式。一种是将两幅图像按照某种方式叠加生成一个新的图像，使新图像中包含两个图像的信息。采用较好的融合算法能保证恢复时无需原始公开图像。另一种是利用数字图像的自相关性，通过放大原始公开图像来隐藏与公开图像同样大小的数字图像。此方法对于彩色图像的隐藏比较实用，尤其适用于BMP彩色图像的加密隐藏，而且对所要隐藏的图像进行置乱处理后，安全性更高。除了以上数字水印算法外，还有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法等。4、数字水印的应用领域 4

15、.1 版权保护 版权保护是数字水印的最主要应用领域，其思想是数字作品的所有者通过密钥产生水印，利用一定的嵌入方法，将水印嵌入原始数据(图像、声音、视频等)，然后公开发布嵌入水印的作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用水印提取、检测、验证等方法，使嵌入的水印成为鉴定、起诉非法侵权的证据，从而保护所有者的权益。 4.2 来源追踪 为避免未经授权的拷贝和发行，出品人可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印(数字指纹)嵌入作品的合法拷贝中。如果发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的水印(数字指纹)来确定它的来源。 4.3 信息标注 数字作品具有很多属性信息，如作品的标题、创作者等，利用数字水印技术将这些信息嵌入到作品中，不但不需要额外的带宽和存储，而且不易丢失。另外，国防和情报部门还可以利用数字水印技术实现隐蔽通信。 4.4 访问控制 利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。DVD防拷贝系统是访问控制的一个典型的应用例子，它将数字水印信息加入DVD数据中，并在DVD播