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扩频技术在数字水印技术中的应用

时间:2007-1-18栏目:计算机信息技术

  摘要: 首先对数字水印技术作了一般概述,重点分析了扩频技术的原理及特点,应用到数字水印技术中的方法和优点,最后给出了一个利用扩频技术的典型方案引言
  
  由于多媒体技术取得了重大发展,使得非法拷贝和传播有价值、受版权保护的数字产品相当容易。这种所谓的盗版给音乐、影视、广播和软件行业造成极大的经济损失。
  
  传统的版权保护方法包括:在通信网中限制某些站点的存取和对多媒体数据进行加密且严格管理密码,这种称之为“信任系统”通过阻止未授权用户访问多媒体数据来实现版权保护。然而,一旦授权用户非法拷贝、非法传播给其他用户,这种系统对版权保护无济于事。
  
  针对以上情况,数字水印技术被提出且被认为最有希望成为“信任系统”的补充。数字水印技术是将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频、音频等多媒体数据中,这种特殊的信息即数字水印永久地和多媒体数据结合在一起。与加密技术不同,这种技术对原数据基本上不作改变。 水印标明数据的所有者、日期、权限等信息,就像产品的商标一样。因而,水印可用于标题说明、数据鉴别、保密通信和版权保护等,根据不同的目的,水印包含的信息不同。
  
  2.数字水印技术的框架
  
  目前,数字水印技术仍没有统一的标准。本文以图像数据为例,其一般原理同样适用于其它多媒体数据。图 1、图2、图3 分别示出了数字水印技术涉及的三个过程:水印的加入、通信、水印检测。
  
  图 1 水印生成及加入过程
  
  图 1 可分成 C1、C2 两个过程。原始图像 I 和版权信息S通过 C1运算生成水印W ,掩蔽 M 、关键字 K 和原始图像 I 通过 C2 运算过程生成含水印的图像 I‘。关键字 K的作用有二,一是保密性:K仅为授权部门所知;二是指定加入水印的位置,掩蔽 M 的目的是利用HVS(人的视觉系统)特性,加入尽可能强的水印信号到原始图像 I 中,以便提高水印的健壮性。
  
  图像 I' 在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰而变形成图像 I“ ,这一过程可用通信领域的通信信道来表示。如图 2.
  
  图2 水印通信
  
  水印检测可分为水印提取和验证。提取过程是利用关键字 K 从变形的图像I” 中通过E1运算提取出可能的水印 W' ,这一过程有可能利用原始图像 I;验证是将W’和W作相似性比较,比较过程用sim(W,W‘) 表示,如结果满足一定条件,比如 sim(W,W’)≈1,可认为图像 I“ 中含水印W, 这一结果可用作版权的证据,因而能确定出图像 I” 的所有者 ,如图3 表示。
  
  图3 水印检测与验证
  
  3.数字水印的种类
  
  对于数字图像来说,水印技术就是通过改变图像数据的值来加入水印,根据加入方法不同,水印技术分成:时域法和频域法。
  
  时域法直接改变图像元素的值,一般是在图像元素的亮度或色带中加入调制的水印信号。
  
  频域法利用某种数学变换,将图像用频域表示,通过改变图像的某些频域系数来加入水印,然后利用反变换生成含水印的图像,常用的数学变换有离散傅立叶和离散余弦变换。
  
  数字水印技术的要求
  
  针对不同的应用,水印的要求不同或者强调的重点不同,一般来说,水印应具有:
  
  不可感知性。水印技术的首要条件是加入水印的图像和原始图像基本上相同,即水印是看不见的,图像的质量不因水印的加入有明显的改变,否则将影响图像的商业价值。
  
  (2)健壮性。加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰,水印技术必须能抵抗低通滤波、变形、边缘增强、抖动、剪切、扫描、有损压缩、A/D、D/A转换等信号处理。另外,水印技术还应能抵御各种有意的破坏,它们包括移去水印和使水印无法提取。
  
  (3)安全性。即使水印算法公开,它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。
  
  (4)隐藏能力。它是指在不影响图像质量的前提条件下,能加入水印的信息量。为了加入足够的版权信息来作为合法证据,水印算法应有合理的隐藏能力。
  
  不难分析出,某些要求之间存在冲突,比如不可感知性和健壮性、隐藏能力和不可感知性,增加一方必然会降低另一方。实际上,水印技术的一个重要方面是研究如何折衷这些要求。
  
  5.扩频技术及其在数字水印技术中的应用
  
  数字水印技术的研究大约始于1994年,早期的算法强调水印的不可见性而忽视水印的健壮性,这些算法的理论基础主要源自统计学和图像编码、处理领域。扩频技术的运用标志着水印技术的重大进步。扩频技术起源于通信系统,最早只是用于军用通信系统、制导系统等军用系统,它的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。香农(Shannon)在其信息论中得到有名公式:
  
  C=Wlog2(1+S/N)。 (1)
  
  式中 C 表示信道容量,W 是信道带宽,N 是噪声功率,S 是信号功率。香农公式表明了一个无误差地传输信息的能力同存在与信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
  
  令 C 是希望具有的信道容量,即要求的信息,对式(1) 换成以 e 为底的对数
  
  C/W=1.44loge(1+S/N) (2)
  
  对于干扰环境的典型情况,S/N《1,对上式用幂级数展开,略去高次项得

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