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擴(kuò)頻技術(shù)在數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用
摘要： 首先對(duì)數(shù)字水印技術(shù)作了一般概述，重點(diǎn)分析了擴(kuò)頻技術(shù)的原理及特點(diǎn)，應(yīng)用到數(shù)字水印技術(shù)中的方法和優(yōu)點(diǎn)，最后給出了一個(gè)利用擴(kuò)頻技術(shù)的典型方案引言由于多媒體技術(shù)取得了重大發(fā)展，使得非法拷貝和傳播有價(jià)值、受版權(quán)保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品相當(dāng)容易。這種所謂的盜版給音樂、影視、廣播和軟件行業(yè)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。
傳統(tǒng)的版權(quán)保護(hù)方法包括：在通信網(wǎng)中限制某些站點(diǎn)的存取和對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行加密且嚴(yán)格管理密碼，這種稱之為“信任系統(tǒng)”通過(guò)阻止未授權(quán)用戶訪問(wèn)多媒體數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)。然而，一旦授權(quán)用戶非法拷貝、非法傳播給其他用戶，這種系統(tǒng)對(duì)版權(quán)保護(hù)無(wú)濟(jì)于事。
針對(duì)以上情況，數(shù)字水印技術(shù)被提出且被認(rèn)為最有希望成為“信任系統(tǒng)”的補(bǔ)充。數(shù)字水印技術(shù)是將一段特殊的信息隱藏在文本、圖像、視頻、音頻等多媒體數(shù)據(jù)中，這種特殊的信息即數(shù)字水印永久地和多媒體數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。與加密技術(shù)不同，這種技術(shù)對(duì)原數(shù)據(jù)基本上不作改變。 水印標(biāo)明數(shù)據(jù)的所有者、日期、權(quán)限等信息，就像產(chǎn)品的商標(biāo)一樣。因而，水印可用于標(biāo)題說(shuō)明、數(shù)據(jù)鑒別、保密通信和版權(quán)保護(hù)等，根據(jù)不同的目的，水印包含的信息不同。
2.數(shù)字水印技術(shù)的框架
目前，數(shù)字水印技術(shù)仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文以圖像數(shù)據(jù)為例，其一般原理同樣適用于其它多媒體數(shù)據(jù)。圖 1、圖2、圖3 分別示出了數(shù)字水印技術(shù)涉及的三個(gè)過(guò)程：水印的加入、通信、水印檢測(cè)。
圖 1 水印生成及加入過(guò)程
圖 1 可分成 C1、C2 兩個(gè)過(guò)程。原始圖像 I 和版權(quán)信息S通過(guò) C1運(yùn)算生成水印W ,掩蔽 M 、關(guān)鍵字 K 和原始圖像 I 通過(guò) C2 運(yùn)算過(guò)程生成含水印的圖像 I‘。關(guān)鍵字 K的作用有二，一是保密性：K僅為授權(quán)部門所知；二是指定加入水印的位置，掩蔽 M 的目的是利用HVS（人的視覺系統(tǒng)）特性，加入盡可能強(qiáng)的水印信號(hào)到原始圖像 I 中，以便提高水印的健壯性。
圖像 I' 在傳播過(guò)程中必然會(huì)受到各種有意或無(wú)意的干擾而變形成圖像 I“ ,這一過(guò)程可用通信領(lǐng)域的通信信道來(lái)表示。如圖 2.
圖2 水印通信
水印檢測(cè)可分為水印提取和驗(yàn)證。提取過(guò)程是利用關(guān)鍵字 K 從變形的圖像I” 中通過(guò)E1運(yùn)算提取出可能的水印 W' ,這一過(guò)程有可能利用原始圖像 I;驗(yàn)證是將W’和W作相似性比較，比較過(guò)程用sim（W,W‘） 表示，如結(jié)果滿足一定條件，比如 sim（W,W’）≈1,可認(rèn)為圖像 I“ 中含水印W, 這一結(jié)果可用作版權(quán)的證據(jù)，因而能確定出圖像 I” 的所有者 ,如圖3 表示。
圖3 水印檢測(cè)與驗(yàn)證
3.數(shù)字水印的種類
對(duì)于數(shù)字圖像來(lái)說(shuō)，水印技術(shù)就是通過(guò)改變圖像數(shù)據(jù)的值來(lái)加入水印，根據(jù)加入方法不同，水印技術(shù)分成：時(shí)域法和頻域法。
時(shí)域法直接改變圖像元素的值，一般是在圖像元素的亮度或色帶中加入調(diào)制的水印信號(hào)。
頻域法利用某種數(shù)學(xué)變換，將圖像用頻域表示，通過(guò)改變圖像的某些頻域系數(shù)來(lái)加入水印，然后利用反變換生成含水印的圖像，常用的數(shù)學(xué)變換有離散傅立葉和離散余弦變換。
數(shù)字水印技術(shù)的要求
針對(duì)不同的應(yīng)用，水印的要求不同或者強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同，一般來(lái)說(shuō)，水印應(yīng)具有：
不可感知性。水印技術(shù)的首要條件是加入水印的圖像和原始圖像基本上相同，即水印是看不見的，圖像的質(zhì)量不因水印的加入有明顯的改變，否則將影響圖像的商業(yè)價(jià)值。
�。�2）健壯性。加入水印的圖像在傳播過(guò)程中必然會(huì)受到各種有意或無(wú)意的干擾，水印技術(shù)必須能抵抗低通濾波、變形、邊緣增強(qiáng)、抖動(dòng)、剪切、掃描、有損壓縮、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理。另外，水印技術(shù)還應(yīng)能抵御各種有意的破壞，它們包括移去水印和使水印無(wú)法提取。
�。�3）安全性。即使水印算法公開，它同樣能防止未授權(quán)團(tuán)體移去水印或加入一個(gè)假的水印。
�。�4）隱藏能力。它是指在不影響圖像質(zhì)量的前提條件下，能加入水印的信息量。為了加入足夠的版權(quán)信息來(lái)作為合法證據(jù)，水印算法應(yīng)有合理的隱藏能力。
不難分析出，某些要求之間存在沖突，比如不可感知性和健壯性、隱藏能力和不可感知性，增加一方必然會(huì)降低另一方。實(shí)際上，水印技術(shù)的一個(gè)重要方面是研究如何折衷這些要求。
5.擴(kuò)頻技術(shù)及其在數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用
數(shù)字水印技術(shù)的研究大約始于1994年，早期的算法強(qiáng)調(diào)水印的不可見性而忽視水印的健壯性，這些算法的理論基礎(chǔ)主要源自統(tǒng)計(jì)學(xué)和圖像編碼、處理領(lǐng)域。擴(kuò)頻技術(shù)的運(yùn)用標(biāo)志著水印技術(shù)的重大進(jìn)步。擴(kuò)頻技術(shù)起源于通信系統(tǒng)，最早只是用于軍用通信系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)等軍用系統(tǒng)，它的理論基礎(chǔ)來(lái)源于信息論和抗干擾理論。香農(nóng)（Shannon）在其信息論中得到有名公式：
C=Wlog2（1+S/N）。 （1）
式中 C 表示信道容量，W 是信道帶寬，N 是噪聲功率，S 是信號(hào)功率。香農(nóng)公式表明了一個(gè)無(wú)誤差地傳輸信息的能力同存在與信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。
令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息，對(duì)式（1） 換成以 e 為底的對(duì)數(shù)
C/W=1.44loge（1+S/N） （2）
對(duì)于干擾環(huán)境的典型情況，S/N《1,對(duì)上式用冪級(jí)數(shù)展開，略去高次項(xiàng)得
C/W=1.44S/N （3）
通過(guò)上述的分析可得出一個(gè)重要結(jié)論：對(duì)于給定的信道容量 C 可以用不同的帶寬 W 和信噪比 S/N的組合來(lái)傳輸信息。如減少帶寬則必須發(fā)送較大的信號(hào)功率；如有較大的傳輸帶寬，則同樣的信道容量能夠用較小的信號(hào)功率（較小的 S/N）來(lái)傳送，這表明寬帶系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的抗干擾性。因此，當(dāng)信噪比太小，不能保證通信質(zhì)量是，常用寬帶系統(tǒng)改善通信質(zhì)量，使信號(hào)在強(qiáng)干擾情況下，仍然可以保持可靠通信。
擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息處理技術(shù)，它是利用同欲傳輸數(shù)據(jù)（信息）無(wú)關(guān)的擴(kuò)譜碼對(duì)被傳輸?shù)男盘?hào)擴(kuò)展頻譜，使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被傳輸信息所必需的帶寬，在接收機(jī)中采用相同的解擴(kuò)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。
由于擴(kuò)譜碼的隨機(jī)性；擴(kuò)譜信號(hào)的寬帶性，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
�。�1）擴(kuò)譜信號(hào)是不可預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)的寬帶信號(hào)，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力，因?yàn)楦蓴_者難以通過(guò)觀察改善其干擾性能，而只能采用發(fā)射同被干擾信號(hào)不匹配的干擾技術(shù)。
�。�2）擴(kuò)譜信號(hào)的功率相當(dāng)均勻地被分布在很寬的頻率范圍，以至被傳輸信號(hào)功率密度很低，偵察接收機(jī)難以檢測(cè)。因此，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有低截獲率性。
�。�3）擴(kuò)頻系統(tǒng)具有良好的碼分多址通信能力，對(duì)不同的用戶使用不同的碼，別人無(wú)法竊聽他們的通信，因而擴(kuò)頻系統(tǒng)具有高的保密性。
以上特點(diǎn)對(duì)數(shù)字水印技術(shù)特別有用，在數(shù)字水印技術(shù)中，將原始數(shù)據(jù)的頻域看作通信信道 C ,水印看作將通過(guò) C 的信號(hào) S ,各種有意、無(wú)意的干擾看作噪聲 N.利用擴(kuò)頻技術(shù)原理，將水印分布在許多數(shù)據(jù)頻域系數(shù)中，加入每個(gè)頻域系數(shù)的信號(hào)能量很小且不可隨意檢測(cè)。然而，水印檢測(cè)過(guò)程知道水印的位置和內(nèi)容，它能將許多微弱的信號(hào)集中起來(lái)形成具有較高信噪比的輸出值，要破壞水印需要很強(qiáng)的噪聲信號(hào)加入所有頻域系數(shù)中，但是，破壞水印的同時(shí)也造成原始數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。
只要水印信號(hào)能量足夠小，加入原始數(shù)據(jù)的水印不可能被看見或聽到。而且，利用人的掩蔽效應(yīng)可以增加加入水印信號(hào)的能量。
因此，利用擴(kuò)頻原理的數(shù)字水印技術(shù)具有很高的健壯性和安全性。第一，水印的位置不明顯且水印的值具有隨機(jī)性；第二，頻域區(qū)域的適當(dāng)選擇，使得有意、無(wú)意破壞水印的同時(shí)也破壞了原數(shù)據(jù)。
6.以下是利用擴(kuò)頻技術(shù)的一個(gè)典型方案。
NEC 研究所的科學(xué)家提出了擴(kuò)頻編碼的水印方案，水印是由一實(shí)數(shù)序列 X=x1,x2……xn構(gòu)成，xi （i=1,2,…n） 是根據(jù)正態(tài)分布 N（0,1） 獨(dú)立選取的。為了將長(zhǎng)度為 n 的水印加入到一幅 NxN 的圖像中，對(duì)此圖像進(jìn)行 NxN DCT 變換。假設(shè)，圖像的時(shí)域用 f（x,y）表示，頻域用 F（u,v） 表示。以下是二維 DCT 及反DCT表示式 :
for 及其反變換 :
for ,
for
for
直流系數(shù)DC 是
,, for 為交流系數(shù)。
從 NxN 變換矩陣中選取 n 個(gè)最大值交流系數(shù)，用水印 X=x1,x2,…xn 改變這 n 個(gè)系數(shù)的值，對(duì)改變的 NxN DCT 進(jìn)行反變換 IDCT 得到含水印的圖像。
這種方案唯一的關(guān)鍵字是水印本身 .不過(guò)，如從 m 個(gè)系數(shù)中選取 n （m>n）個(gè)系數(shù)，選取的不同引入了另一個(gè)關(guān)鍵字。假設(shè)被選中的系數(shù)為 V=v1,v2,…vn ,用水印 X=x1,x2…xn以非線性的方式改變V 得到：V‘（v1’，v2‘…vn’）=V（1+aX）。強(qiáng)度因子 a 決定改變的程度。水印提取需要利用原始圖像，驗(yàn)證過(guò)程是通過(guò)以下公式計(jì)算提取水印 W' 和原水印 W 的相似性來(lái)確定是否存在水印。
參考文獻(xiàn)
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