數(shù)字媒體處理技術(shù)綜述及學習心得VIP

1、數(shù)字媒體處理技術(shù)綜述及學習心得1、引言 隨著Internet與數(shù)字媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全問題日益突出，主要表現(xiàn)在數(shù)字媒體被非法復制、篡改、傳播與攻擊等。因此，數(shù)字媒體的版權(quán)保護與信息完整性保證已逐漸成為人們迫切需要解決的一個重要問題，數(shù)字水印技術(shù)就是在這種需求下迅速發(fā)展起來的。 數(shù)字水印是一類信息隱藏技術(shù)，其基本思想是通過一定的算法將一些標志性信息嵌入到公開信息中，以達到隱匿信息的目的。其在知識產(chǎn)權(quán)保護、保密通信與內(nèi)容鑒別等領(lǐng)域都具有廣泛的應用價值。數(shù)字水印技術(shù)最初由Van Schyndel等人在1994年的ICIP會議上提出，他們針對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年在英國劍橋召開了信息隱藏領(lǐng)域的第一次學術(shù)研討會，標志著信息隱藏作為一個新學科的誕生。十多年來，數(shù)字水印技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在水印的嵌入和檢測方面，都取得了較多的成果。 目前，國際上劍橋大學、IBM研究中心、NEC美國研究所、麻省理工學院等都對數(shù)字水印進行了深入的研究。國內(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月召開了第一屆全國信息隱藏學術(shù)會議。2000年1月，由國家863計劃智能計算機專家組織展開了“數(shù)字水印技術(shù)學術(shù)研討會”，體現(xiàn)了我國對這一領(lǐng)域研究的高度重視。目前，國內(nèi)清華大學、北京大學、北京郵電大學、中科院自動化所、浙江大學、國防科技大學等都在該領(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?。┣度氲诫娮映霭嫖镏?，在產(chǎn)生版權(quán)糾紛時來驗證版權(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、基于自然語言處理技術(shù)的水印方法、基于傳統(tǒng)圖像的水印方法。基于文檔結(jié)構(gòu)的各種水印方法都只是提留在文本的表層，無法抵抗對于文本結(jié)構(gòu)和格式的攻擊，簡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。自然語言文本水印方法相對提高了抗攻擊的能力，但普遍存在容量不足的問題?；趥鹘y(tǒng)圖像的文本水印普遍存在魯棒性不高、操作復雜的缺點。 2.2圖像水印 根據(jù)水印的實現(xiàn)過程，圖像水印算法可分為空域算法和變換域算法

4、?？沼蛩惴ㄊ峭ㄟ^直接改變原始圖像的像素值來嵌入水印，通常具有較快的速度，但魯棒性差，且水印容量也會受到限制；變換域算法是通過改變某些變換系數(shù)來嵌入水印，通常具有很好的魯棒性和不可見性。其實現(xiàn)一般是基于圖像變換，如DCT、DFT、DWT等。重點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來嵌入信息。通信理論中調(diào)相信號的抗干擾能力比調(diào)幅信號的抗干擾能力強，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。實驗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)換到變換域上進行研究，從而能很容易了解到圖像的各空

5、間頻域成分，進行相應處理?；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，但是無法做到對圖像信號內(nèi)容的自適應，因此往往會造成對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是一種時間-頻率信號的多分辨率分析方法，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。實驗表明，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壓縮標準兼容，利用DWT產(chǎn)生的水印具有良好的視覺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覺系統(tǒng)的特點來嵌入水印，其可以保護聲音數(shù)字產(chǎn)品

6、不被隨意復制和篡改，如CD唱片，廣播電臺的節(jié)目內(nèi)容等。有學者提出了音頻水印的三種基本方法：擴頻嵌入方法、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對視頻載體的時間和空間冗余來嵌入水印，其既不影響視頻質(zhì)量，又能達到保護節(jié)目制作者的合法權(quán)益和控制數(shù)字產(chǎn)品的復制。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特之處，如能夠在壓縮和未壓縮的格式下實時完成水印的檢測，對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是對水印的嵌入和提取簡單、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算法把一個密鑰輸入一個m序列發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號，然后將該序列重新排列成二維水印信號，并按像素點逐一插入到原始圖像像素值的最低位。Patchwork算法處理對象為256個亮度級和線性量化的圖像且所有的亮度級的概率相等，圖像中的任

8、一像素值與其余的像素值是不相關(guān)的。該算法首先隨機選取N對像素點，然后通過增加像素對中一個點的亮度值，而相應降低另一個點的亮度值的調(diào)整來隱藏信息。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，先對原始圖像進行分塊，然后對各個子塊圖像根據(jù)量化策略重復嵌入相應的1bit水印信息；在水印提取時，先將含水印圖像進行分塊，然后對從各個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，然后通過改變某些頻域系數(shù)來

9、嵌入水印。頻域中能量分布較集中，且圖像像素點間有一定的相關(guān)性，這有利于保證水印的不可見性，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，該算法首先計算圖像DCT系數(shù)，然后選擇那些視覺重要部分的系數(shù)嵌入水印。文獻6首先把圖像分成8×8的不重疊像素塊，經(jīng)過分塊DCT變換后，得到由DCT系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機選取一些頻率塊，將水印信號嵌

10、入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數(shù)中，其特點是數(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個中頻系數(shù)組成小塊，通過比較相鄰兩個小中頻系數(shù)塊中相應位置上系數(shù)的大小，進行水印的嵌入，由于采用了可視化模型，提高了水印的不可見性。黃繼武等人利用人類視覺系統(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，然后將不同強度的偽隨機序列的水印分量自適應地嵌入到不同類圖像塊的DCT低頻系數(shù)中，實現(xiàn)水印的嵌入。肖俊等人將多級離散小波變換的“多級”思想引入到離散余弦變換中

11、，并對多級離散余弦變換的特性進行了分析，在此基礎上提出了一種基于多級離散余弦變換的數(shù)字水印算法，該算法從多級離散余弦變換系數(shù)中選擇適當?shù)奈恢们度胨⌒畔?。離散傅立葉變換可以很好地表達圖像的構(gòu)造分布，其平移、放縮和旋轉(zhuǎn)特性常常被用來構(gòu)造幾何變換的魯棒水印。V Solachdis等人構(gòu)造了一個環(huán)帶狀對稱水印，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、出一種基于分數(shù)傅里葉變換和隨機相位編碼的光學加密數(shù)字水印技術(shù)，該數(shù)字水印技術(shù)對于噪音疊加和常見的圖像處理操作具有較強的穩(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，而小波基和小波變換級數(shù)的選擇更是給小波變換域數(shù)字水印算法的設計帶來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，首先對水印和原始圖像同時進行多分辨率分析，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子帶添加水印的方法進行嵌入。這種水印算法的優(yōu)點是水印檢測按子帶分級擴充水印序列進行，在水印圖像質(zhì)量破壞不大的情況下，水印檢測可以在搜索少數(shù)幾個子帶后終止，提高了水印檢測的效率。H.M.Wang等人在上述方法的基礎上進一步利用漸進編碼的思想進行水印的嵌入和檢測。首先通過一定的閾值選擇一個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新的圖像，使新圖像中包含兩個圖像的信息。采用較好的融合算法能保證恢復時無需原始公開圖像。另一種是利用數(shù)字圖像的自相關(guān)性，通過放大原始公開圖像來隱藏與公開圖像同樣大小的數(shù)字圖像。此方法對于彩色圖像的隱藏比較實用，尤其適用于BMP彩色圖像的加密隱藏，而且對所要隱藏的圖像進行置亂處理后，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)字水印的應用領(lǐng)域 4

15、.1 版權(quán)保護 版權(quán)保護是數(shù)字水印的最主要應用領(lǐng)域，其思想是數(shù)字作品的所有者通過密鑰產(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)，然后公開發(fā)布嵌入水印的作品。當該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，所有者可利用水印提取、檢測、驗證等方法，使嵌入的水印成為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，從而保護所有者的權(quán)益。 4.2 來源追蹤 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)此拷貝所恢復出的水印(數(shù)字指紋)來確定它的來源。 4.3 信息標注 數(shù)字作品具有很多屬性信息，如作品的標題、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，而且不易丟失。另外，國防和情報部門還可以利用數(shù)字水印技術(shù)實現(xiàn)隱蔽通信。 4.4 訪問控制 利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體之前通過檢測嵌入到其中的訪問控制信息，以達到訪問控制的目的，它要求水印具有很高的魯棒性。DVD防拷貝系統(tǒng)是訪問控制的一個典型的應用例子，它將數(shù)字水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，并在DVD播