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[摘要]图像水印技术在数字产品的版权保护领域发挥着越来越重要的作用，图像水印技术的研究也成为了一个重要的研究领域。通过对人类视觉特性的分析，提出几种针对图像数据的基本算法和技术，并对这类算法技术进行比较，该研究有很大的发展空间。
[关键词]图像水印 水印技术 图像 水印 人类视觉特性 算法
中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1020014－01
一、引言
如何进行有效的数字产品版权保护和网络信息安全维护已成为当前信息产业健康持续发展迫切需要解决的难题之一。近几年刚刚发展起来的数字水印技术，为解决上述的数字产品版权保护和信息安全维护问题提供了一种有效手段，本文主要针对基于视觉特性的图像水印技术进行了研究。
二、数字水印技术
数字水印技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。作为数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点：
1．不可感知性：在多媒体数字作品中嵌入水印标记，不能引起数字作品质量的明显下降。
2．鲁棒性：数字水印在经过有意或无意的处理后，应仍能在一定程度上保证其完整性或可被检测到。
3．可证明性：能够为受保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证明。
4．安全性：数字水印应该难以被伪造或者加工，并且未经授权的个体不能阅读、修改或检测水印。
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
三、人眼的视觉特性
人眼的视觉特性包括亮度视觉、色度视觉、对图像细节的分辨率和对彩色的分辨率等。
1．亮度视觉：是指人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别，以及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观感觉。
2．彩色视觉：人眼的红、绿、蓝三种锥状细胞的视敏函数峰值分别在580nm、540nm、440nm，而且部分交叉重叠可引起混合色的感觉，不同波长的光对三种锥状细胞的刺激量不同，产生的彩色视觉也不同。
3．视觉惰性：人眼的主观亮度感觉与客观亮度并不同步，人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的变化。这一特性称为视觉惰性或视觉暂留，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1s。
4．分辨力：分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力，它取决于景物细节的亮度和对比度，亮度越低，分辨力越差。细节对比度越小，分辨力也越差。
人眼的视觉系统是世界上最好的图像处理系统，基于视觉特性的图像水印技术正是充分利用了以视觉锐度、对比度、敏感度、多通道结构和掩盖特性为基础的人眼视觉特性(HVS)，该想法还可以被多媒体数据压缩系统利用。利用视觉模型的基本思想是利用从视觉模型导出的JND(Just Noticeable Difference)描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。
四、几种基于视觉特性的水印技术算法
（一）基于人眼视觉特性的小波域彩色数字数字水印算法
该算法以静态图像压缩编码、彩色空间转换、人眼视觉特性(HVS)为基础，提出了一种将灰度图像(即数字水印)嵌入到原始彩色图像中的新数字水印算法。该算法具有以下特点：（1）应用静态图像压缩编码技术，实现了以灰度图像作为水印信号的数字水印算法；（2）充分利用人眼视觉特性(HVS)，实现了数字水印图像的自适应嵌入，增强了算法的透明性和鲁棒性；（3）能够依据原始彩色载体图像内容，实现数字水印嵌入深度的智能调节，（4）检测水印信息时，不需要原始载体图像．同时实验结果也表明：该自适应空域彩色图像数字水印算法不仅具有较好的透明性，而且对诸如叠加噪声、JPEG压缩、平滑滤波、几何剪切、图像增强、马赛克效果等攻击均具有较好的鲁棒性。
（二）基于人类视觉特性和DCT变换的图像水印算法
一种基于DCT的图像数字水印算法，该算法根据二值水印图像像点取值情况,相应地改变中频段两个位置处DCT系数的大小关系，同时利用人类视觉系统的特性,对纹理较复杂的图像块中加入水印,增强了水印的不可见性，实验证明该算法是有效的。
（三）基于人类视觉特性的空域数字水印技术
该技术提出了一种在DCT域中给图像加水印的方法，该方法合理综合了几种数字水印技术，利用DCT域的视觉掩蔽特性，在图像的不同部分嵌入不同强度的经过伪随机扩展编码后的水印，且提取水印时无需原因图像。结果表明，在保证水印不可视的前提下，该方法提高了水印的鲁棒性，并对JPEG压缩，中值滤波等攻击具有很好的抵抗能力。
（四）基于视觉掩盖特性的水印嵌入技术
一种基于原图像的基本特征的视觉掩盖水印嵌入及提取检测算法，将原图像进行8×8的分块，再将分块进行DCT变换．对每分块的DCT系数进行图像特征量的计算，对图像变化剧烈的地方加重水印强度，反之减轻水印的加入强度，最后根据HVS空域掩盖特性，对加入水印后的中间图像进行自适应掩盖，得到最终的水印图像。实验表明该算法具有良好的水印不可见性和鲁棒性，尤其是本算法对抗JPEG压缩攻击有很好的效果。
五、应用展望
人们已经发现人眼的视觉特性具有视觉掩盖效应，可以直接或间接地用于改善信息的处理。如何充分利用人眼的视觉特性，已成为现代水印技术中首先要考虑的一个基本问题。水印技术是信息隐藏学的一个重要分支，它用信号处理的方法在多媒体数据中嵌入特制的隐蔽的标记，这种标记的嵌入不会引起宿主媒体主观质量下降，不易察觉，只有通过专用的检测器才能提取，并且水印具有很强的对抗非法破解的能力。从学术研究角度而言，视觉图像水印技术是一项横跨信息处理、图像处理、多媒体技术、密码学等多学科领域的高新技术前沿课题，包括数字水印在内的信息隐藏技术尚未形成完整的学科理论体系。因此，这是一项重要的应用基础研究。
参考文献：
[1]文志强、李陶深、张增芳，一种基于视觉掩盖模型的数字水印技术[J].广西科学院学报. 2003年04期.
[2]龚明、周海涛、金海华，一种自适应DCT域数字视频水印方案[J].电讯技术. 2006年01期.
[关键词]图像水印 水印技术 图像 水印 人类视觉特性 算法
中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1020014－01
一、引言
如何进行有效的数字产品版权保护和网络信息安全维护已成为当前信息产业健康持续发展迫切需要解决的难题之一。近几年刚刚发展起来的数字水印技术，为解决上述的数字产品版权保护和信息安全维护问题提供了一种有效手段，本文主要针对基于视觉特性的图像水印技术进行了研究。
二、数字水印技术
数字水印技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。作为数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点：
1．不可感知性：在多媒体数字作品中嵌入水印标记，不能引起数字作品质量的明显下降。
2．鲁棒性：数字水印在经过有意或无意的处理后，应仍能在一定程度上保证其完整性或可被检测到。
3．可证明性：能够为受保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证明。
4．安全性：数字水印应该难以被伪造或者加工，并且未经授权的个体不能阅读、修改或检测水印。
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
三、人眼的视觉特性
人眼的视觉特性包括亮度视觉、色度视觉、对图像细节的分辨率和对彩色的分辨率等。
1．亮度视觉：是指人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别，以及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观感觉。
2．彩色视觉：人眼的红、绿、蓝三种锥状细胞的视敏函数峰值分别在580nm、540nm、440nm，而且部分交叉重叠可引起混合色的感觉，不同波长的光对三种锥状细胞的刺激量不同，产生的彩色视觉也不同。
3．视觉惰性：人眼的主观亮度感觉与客观亮度并不同步，人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的变化。这一特性称为视觉惰性或视觉暂留，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1s。
4．分辨力：分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力，它取决于景物细节的亮度和对比度，亮度越低，分辨力越差。细节对比度越小，分辨力也越差。
人眼的视觉系统是世界上最好的图像处理系统，基于视觉特性的图像水印技术正是充分利用了以视觉锐度、对比度、敏感度、多通道结构和掩盖特性为基础的人眼视觉特性(HVS)，该想法还可以被多媒体数据压缩系统利用。利用视觉模型的基本思想是利用从视觉模型导出的JND(Just Noticeable Difference)描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。
四、几种基于视觉特性的水印技术算法
（一）基于人眼视觉特性的小波域彩色数字数字水印算法
该算法以静态图像压缩编码、彩色空间转换、人眼视觉特性(HVS)为基础，提出了一种将灰度图像(即数字水印)嵌入到原始彩色图像中的新数字水印算法。该算法具有以下特点：（1）应用静态图像压缩编码技术，实现了以灰度图像作为水印信号的数字水印算法；（2）充分利用人眼视觉特性(HVS)，实现了数字水印图像的自适应嵌入，增强了算法的透明性和鲁棒性；（3）能够依据原始彩色载体图像内容，实现数字水印嵌入深度的智能调节，（4）检测水印信息时，不需要原始载体图像．同时实验结果也表明：该自适应空域彩色图像数字水印算法不仅具有较好的透明性，而且对诸如叠加噪声、JPEG压缩、平滑滤波、几何剪切、图像增强、马赛克效果等攻击均具有较好的鲁棒性。
（二）基于人类视觉特性和DCT变换的图像水印算法
一种基于DCT的图像数字水印算法，该算法根据二值水印图像像点取值情况,相应地改变中频段两个位置处DCT系数的大小关系，同时利用人类视觉系统的特性,对纹理较复杂的图像块中加入水印,增强了水印的不可见性，实验证明该算法是有效的。
（三）基于人类视觉特性的空域数字水印技术
该技术提出了一种在DCT域中给图像加水印的方法，该方法合理综合了几种数字水印技术，利用DCT域的视觉掩蔽特性，在图像的不同部分嵌入不同强度的经过伪随机扩展编码后的水印，且提取水印时无需原因图像。结果表明，在保证水印不可视的前提下，该方法提高了水印的鲁棒性，并对JPEG压缩，中值滤波等攻击具有很好的抵抗能力。
（四）基于视觉掩盖特性的水印嵌入技术
一种基于原图像的基本特征的视觉掩盖水印嵌入及提取检测算法，将原图像进行8×8的分块，再将分块进行DCT变换．对每分块的DCT系数进行图像特征量的计算，对图像变化剧烈的地方加重水印强度，反之减轻水印的加入强度，最后根据HVS空域掩盖特性，对加入水印后的中间图像进行自适应掩盖，得到最终的水印图像。实验表明该算法具有良好的水印不可见性和鲁棒性，尤其是本算法对抗JPEG压缩攻击有很好的效果。
五、应用展望
人们已经发现人眼的视觉特性具有视觉掩盖效应，可以直接或间接地用于改善信息的处理。如何充分利用人眼的视觉特性，已成为现代水印技术中首先要考虑的一个基本问题。水印技术是信息隐藏学的一个重要分支，它用信号处理的方法在多媒体数据中嵌入特制的隐蔽的标记，这种标记的嵌入不会引起宿主媒体主观质量下降，不易察觉，只有通过专用的检测器才能提取，并且水印具有很强的对抗非法破解的能力。从学术研究角度而言，视觉图像水印技术是一项横跨信息处理、图像处理、多媒体技术、密码学等多学科领域的高新技术前沿课题，包括数字水印在内的信息隐藏技术尚未形成完整的学科理论体系。因此，这是一项重要的应用基础研究。
参考文献：
[1]文志强、李陶深、张增芳，一种基于视觉掩盖模型的数字水印技术[J].广西科学院学报. 2003年04期.
[2]龚明、周海涛、金海华，一种自适应DCT域数字视频水印方案[J].电讯技术. 2006年01期.