基于數字水印的電子產品版權保護及防偽系統的設計與實現

郭翔 胡碩 袁強 張越

【摘 要】全球迅猛發展的Internet網絡給世界經濟帶來了新的商機，數字技術提供了與原作品同樣精美的復制品，但同時使得網絡作品的版權保護問題日益突出。 本文介紹了最新的多媒體版權保護技術-數字水印的概念，在闡述數字水印的分類和特性的基礎上，提出了以數字水印為基礎的網絡作品版權保護系統，并研究了數字水印系統的處理框架和數字水印算法。

【關鍵詞】數字水印 網絡作品 版權保護

信息時代，各類信息化數字技術擴充發展，針對豐富數字信息的安全保護需求也日益擴充?；跀底治臋n、圖片、視頻等可方便快捷的復制、篡改與盜取，因而令其產權保護面臨一定困難。同時數字文本、圖像具有一定適應性特征，可供用戶任意設計更新并為己所用。為此應科學探究一種良好的數據可靠加密保護技術，進而有效應對不良信息篡改、竊取、盜用問題。本文基于這一目標引入水印數字技術探討，該技術通過印記圖形加密有效保護版權信息，形成印記圖形同原始保持一致，基于一定標準形成水印圖像，進而探究非法復制信息、相關違規產品的不良流通應用。該技術核心特征在于潛入模式，是通過視覺設想推理闡釋實效的科學方式。

本文提出基于字符替換的文本水印算法，和基于DWT變換的圖像水印算法，采用C++實現，利用編程IDE的圖形化設計界面來實現數字水印防偽系統。

一、系統總體設計

數字水印防偽系統是針對現有的常用文本的格式、圖片格式，利用基于文本字符替換的水印算法，和基于DWT變換的圖像水印算法，并結合實際需求而開發的數字水印系統，功能包括人機界面、文本處理模塊、圖像處理模塊，在不影響電子作品質量的情況下，利用算法，隱秘、快速、準確地地嵌入，在傳輸過程，然后進行正確提取。系統的總體結構框圖見圖1，能保持電子作品的抗噪聲性，提取時，能夠準確提取，在電子作品改動是能夠查錯糾錯。

二、文本水印系統模塊設計和實現

1.對于txt無格式文檔

采用的是基于符號替換編碼的方法，利用了人們對標點符號的不敏感性和中文和西文標點符號的相似的結構特點而提出來的。例如中文的“，”和英文的“，”，中文的“？”和英文的“？”等等，人們從肉眼根本很難區分，為我們進行信息隱藏提供了空間。這里，我們選取了文章中出現頻度較高的標點符號——逗號進行替換編碼，因為逗號在中文文檔和英文文檔中的使用都比較頻繁，所以利用逗號的變換可以隱藏更多的信息。編碼的規則為：假設糾錯編碼后的水印序列為w[n]，依次讀入水印比特，若w[i]=1，中文的逗號變成英文的逗號或英文的逗號變成英文的逗號，即修改它的ASCII碼。若w[i]=0，不發生變化，提取算法則反之。

2.對于word格式的文檔

采用的是基于文本格式字體顏色嵌入和提取水印的。 嵌入步驟為：對接收到的文檔，輸入提取水印的密鑰k，定位嵌入水印信息的區域，依次通過輕微改變某一字符的字體顏色，如把RGB（255，255，255）黑色改為RGB（255，255，254），依次嵌入水印碼。 提取步驟為：找到嵌入水印信息的字符i后，判斷該字符的字體顏色是否發生了變化，由于嵌入的規則不同提取的碼元序列也不同。本算法采用的是：若RGB（255，255，255）變為了RGB（253，255，255），則水印碼為11，若RGB（255，255，255）變為了RGB（254，255，255），則水印碼為00，若RGB（255，255，255）變為了RGB（255，253，255），則水印碼為10，若RGB（255，255，255）變為了RGB（255，254，255），則水印碼為01。最后檢測后得到的二值序列為w。實現的文本水印模塊子系統如圖2和圖3所示。

三、圖像水印系統模塊設計與實現

圖像水印系統模塊采用MVC模式開發，將邏輯、數據、界面顯示分離。采用MVC模式開發有利于通過工程化、工具化管理程序代碼。使用控制器來聯接不同的模型和視圖去完成用戶的需求，這樣控制器可以為構造應用程序提供強有力的手段。整個系統使用自定義異常處理機制，能夠提供給用戶更友好的體驗。

圖像水印系統模塊采用簽名文件方式對圖像進行嵌入、提取水印操作。采用簽名文件方式有兩個優點：（1）保證圖像是由簽名者自己加密的，簽名者不能否認或者難以否認。（2）保證圖像的版權屬于簽發者，別人不能盜用。

圖像水印系統模塊采用Biorthogonal雙正交小波對圖像進行三級小波分解和重構，其中一個小波函數對圖像進行三級小波分解，另外一個小波函數對圖像進行三級小波重構。根據S. Mallat的塔式分解算法，圖像經過小波變換后分解成四個子圖：水平方向LH、垂直方向HL和對角線方向HH的中高頻細節子圖和低頻逼近子圖LL。低頻部分還可以繼續分解，產生三個高頻帶系列LHn、HLn、HHn（n=1，2，3）和一個低頻帶LL3見圖4。

分解操作為周期性在LLn（n=0，1，2，3，其中LL0表示原圖像）圖像的行和列中選取圖像的像素點通過小波分解構造出濾波后圖像，經過三級變換產生大的圖像由樹型結構保存，構成一顆三層圖像樹。

重構操作為反周期性的依次對三層圖像樹中的圖像的行和列中選取圖像的像素點通過小波重構構造出濾波后圖像，最終獲得含水印圖像。

圖像水印系統模塊實現嵌入水印過程：將待嵌入圖像進行三級小波分解得到的圖像樹按層依次取出圖像，根據設立的嵌入門檻值來判斷該像素點是否需要做水印嵌入處理，然后再根據小波分解等級決定水印嵌入的深度，最后再由水印嵌入公式將水印信息嵌入到圖像像素點內。嵌入水印公式如下所示：

Si = Xi + （Alpha * |Xi| * WM[i%n]） if |Xi| > casting_threshold

其中Xi表示第i個的未經處理的圖像像素值，Alpha表示透明度因子，WM[i%n]表示水印信息序列中第（i%n）個對應的水印信息，casting_threshold表示嵌入門檻值，n表示水印序列的長度。

圖像水印系統模塊實現提取水印過程：將待檢測圖像進行三級小波分解得到的圖像樹按層依次取出圖像，根據設立的提取門檻值來判斷該像素點是否需要做水印提取處理，然后再根據小波分解等級決定水印提取的深度，最后再由水印提取公式和將圖像像素點中的水印信息提取出來。提取水印公式如下：

Val[0]=Val[0]+1 ；Val[1]=Val[1]+（Xi*WM[i%n]） ；Val[2]=Val[2]+Xi

if Xi > detection_threshold

其中Val表示存放水印信息的臨時數組，Xi表示第i個原始圖像像素值，WM[i%n]表示水印信息序列中第（i%n）個對應的水印信息，detection_threshold表示提取門檻值，n表示水印序列長度。

圖像水印系統模塊實現驗證水印過程：根據小波分解等級決定檢驗水印的深度。將提取出來的水印信息依次在HL、LH、HH頻帶循環進行驗證，由此統計水印信息的有效程度，得出有效系數。將有效系數與水印認證系數作比較，若有效系數大于水印認證系數，則認為對此圖像擁有版權。驗證水印公式如下：

Sum=Sum+（Val[1]>Val[2]*Alpha/1.0）？1：0 if Val[0]！=0

N=N-1 if Val[0]==0

V=Sum/N

其中Val[n]（n=1，2，3）表示提取操作所獲取的水印信息，Sum表示驗證命中次數，N表示總驗證次數，V表示水印有效系數。

四、結束語

數字水印系統設計的初衷是針對電子產品版權保護及防偽識別認證，在處理文本與圖像方面具有一定成效，得到了預期的結果。圖像處理方面采用了簽名文件作為水印信息加密圖像，保證了簽名者對圖像加密操作的不可否認性和對加密圖像的主權性，具有一定的市場運用價值。目前該系統只能處理圖像、文本兩種電子產品，對于視頻、音頻等電子領域還未涉及，所以未來的目標則是針對這些領域進行研究。

參考文獻

[1]王穎，肖俊，王蘊紅，數字水印原理與技術，科學出版社，2007

[2]葉天語.基于圖像LSB的秘密信息隱藏技術[J].計算機與現代化，2005：28-31.

[3]李麗.基于LSB的圖像信息隱藏技術研究[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4]陳明奇，鈕心忻，楊義先，數字水印的研究進展和應用，通信學報，2001，22（5）： 71-79

[5]易開祥，石敦英，數字水印技術研究進展，中國圖像圖形學報，2001，6（2）：111-117

[6]王俊杰，數字水印與信息安全技術研究，知識產權出版社，2014

[7]蘇慶堂，彩色圖像數字盲水印技術，清華大學出版社，2015

[8]蔣天發，數字水印技術及其應用，科學出版社，2015

[9]鄭芬，基于DWT的數字圖像水印算法研究，南昌航空大學，2007