数字水印系统在高校数字图书馆中的应用0保安过滤器

数字水印系统在高校数字图书馆中的应用

数字水印系统在高校数字图书馆中的应用 数字图书馆的产生，大大缓解了高校图书馆文献服务与读者信息需求之问的矛盾，极大方便了读者，使多媒体信息的交流已达到了前所末有的深度和广度。但随之而来的副作用也是非常明显的，作品侵权更加容易，篡改也更加方便。高校数字图书馆迫切需要。种能有效、安全地保护产品版权的技术以便实施有效的版权保护和信息安全。随着科技的发展及研究的不断深入，数字水印技术成为保护数字产品版权的有效于段止得到越来越广泛的研究与应用。数字水印技术是指按照某种算法向数字产品(如图文、音像等数字产品)中加入特定的数字信息，通过对该特定信息的检测和提取来实现包括版权保护在内的多种功能。数字水印被誉为抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。1 数字水印系统的基本框架 数字水即系统一般是由三个部分组成：水即生成、水即嵌入和水即的检测及提取。 1)水即生成：在图书馆数字水即系统中一般以图书馆名称的图像或图标文件作为数字水印，用以标志图书馆馆藏资料的所属。为了增强安全性，这些信息在作为数字水印之前都要经过相应的处理(如加密、置乱等)。 2)水印嵌入：将生成的水印信息嵌入到原始数字产品中的过程。水印的嵌入要综合考虑到数字水印的透明性和鲁棒性，在完成数字水印功能的同时兼顾这二个方面的需要，既保证数字水印的透明性（无法被人很容易的发觉数字水印的存在)，又具备一定的鲁棒性(要破坏或删除数字水印将造成含水印载体的质量降低甚至不可使用)。 3)水印检测和提取：检测水印的存在性，恢复水印并将其提取出来的过程。根据接收到的载体，通过预先确定的算法及密钥对载体进行数字水印检测，以确定检测载体中是否有数字水印的存在。当确定有数字水印存在时，按预先确定的算法及密钥对载体中的数字水印进行提取和恢复。提取出来的数字水印可以完成数字图书馆如版权确认、产品使用合法性认识等应用。2高校图书馆数宇水印系统的主要功能 根据数字水印系统的基本框架(如图 l所示)，图书馆数字水印系统应能实现以下的土要功能： 1)数字水印及原始载体预处理。数字水印及原始载体的预处理的图的在于增强数字水印的安全，有利于数字水印的嵌入及检测恢复。预处理的算法通常为二进制比特序列化、加密、置乱等。 2)数字水印的嵌入、检测、提取。完成数字水印的嵌入、检测与提取工作，是整个数字水印系统的核心。3 高校图书馆数字水印系统的性能 数字水印不仪仪要实现有效的版权保护而且需要加入数字水印后的数字产品与原始的数字产品具有同样的使用功能及应用价值，数字产品不会因为数字水印的加入而使得数字产品变得无法使用而失去本身具备的功能或者应用价值。数字水印主要有二个主要特性，一是透明性，即数字水印是不可知觉的，且不影响数字产品的止常使用。二是鲁棒性刚健壮性，数字水印不会囚为信号处理而丢失，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。透明性和鲁棒性这二者是相互矛盾的。通常水印嵌入量越多，强度越大，鲁棒性越好，但是相对的透明性则越差。数字水印系统的性能需要综合考虑这二个因素，平衡二者要求，使数字水印在保证透明性的前提下尽可能的提高数字水印的鲁棒性。3．1 采用成熟的数字水印处理技术 近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，出现了许多成熟且有效的数字水印算法，这些算法在设计及实践中已经综合考虑了透明性和鲁棒性并经过了大量的实践并不断完善。这些算法可以直接运用在数字水印系统中，如空域算法LSB为代表、压缩域算法(基于JPEG和MPEG标准的算法)、生理模型算法、变换域算法(基于离散余弦变换算法DCT，基于离散小波变换算法DWT)等。其中变换域算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。在数字图书馆的数字水印系统中可以以变换域算法为主，在保证数字水印透明性及安全同时具备较高的鲁棒性。 3)数字水印的抗干扰测试。数字水印的测试主要用于衡量数字水印抗攻击的能力(鲁棒性测试)。测试包括滤波、加噪、JPEG 图像压缩、图像旋转、图像儿何处理等攻击的能力。 4)数字水印相关指标计算及评估。数字水印的相关指标是对数字水印及嵌入后的载体给予量化的数值来评估数字水印的性能。其评估指标主要有峰值信噪比(PSNR)、相关系数(NC)、均方差（MSE)等。 数字水印系统基本功能结构如图 2所示。

下面以一种变换域算法中的DCT域的数字水印算法为例，实现数字水印的嵌入、检测与提取的过程。离散余弦变换(简称DCT变换)，被认为是对语音和图像信号进行变换的最佳方法。利用DCT来进行数字水印嵌入的算法是： Stepl：将原始图像按8×8大小进行分块，分别计算每块DCT系数，每块中存储数字水印的1位比特信息。对水印图像进行置乱处理，置乱处理可有效提高数字水印的鲁棒性。

Step2：对于第i块信息的DCT系数，其中(U1，V1，)，和(U2，V2)，表示块中二个系数的值。依次读取数字水印信息，当隐藏信息为比特l时令(Ul，Vl)i>=(U2，V2)i，否则令(ul，vl)i<(u2，v2)i。 提取水印的办法是与嵌入相反的逆操作。将含水印的载体图像按8×8进行分块，求出每块的系统，当系数(ul，vl)i>=(u2，v2)i时则提取出比特l，否则提取出比特0，依次存取比特值，经过反置乱处理后获得嵌入时的数字水印。3．2测试体系的建立 在数字水印系统中，数字水印的性能测试往往与数字水印的攻击是一致的，没有了具体的攻击办法，对数字水印系统的评价也就毫尤意义。最常见的几种攻击有中值滤波，锐化滤波，马赛克攻击，加噪攻击，图像的旋转、剪切、改变大小以及JPPEG压缩及模糊处理等。在测试数字水印系统时对数字水印功能进行各种攻击，判断数字水印的抗攻击能力，作为数字水印算法的评估参考，测试数字水印在受到水印攻击时产生的误差能有效的说明数字水印系统的性能。 在上述的DCT算法中为了增强数字水印的鲁棒性，引入一个控制量alpha用于对系数的差值进行放大，刚在写入数字水印信息时使得|(ul，vl)i>=(u2，v2)i|>alpha，从而保证了即使(ul，vl)i和(u2，v2)i这二个系数产生了改变，也能正确的提取水印信息(如图 3所示)。

图 4显示了当alpha从0．1到O．8时，经DCT算法DNA．数字水即后的载体图像。当alpha<=0．5时加入数字水即后的图像与原始图像在视觉上的差别不大，当alpha>0．5时可以明显的看出DNA．数字水即的痕迹。

图 5可以看出，当alpha值越大时数字水印的透明性越低，但抗攻击的能力越强，即鲁棒性越高；反之alpha值越小数字水印的透明性越高，鲁棒性越低。在实际应用中综合考虑数字水印的鲁棒性和透明星的要求，alpha值。般取0．3-0．5之间比较合适，既保证了数字水印透明性也保证了数字水印具有较强的鲁棒性。同时可以看出此算法对JPEG压缩、中值滤波的抗干扰性较强，但对加噪、几何处理的抗干扰性较弱，算法改进时可以针对较弱的方面进行加强，以进一步提高这方面的设施。

3.3评估体系的建立 在数字水印的性能评价中，数字水印的透明性是十分重要的方面。数字水印系统中数字水印的透明性是针对原始数字产品与嵌入数字水印之后的数字产品之问的评价。数字水印的评价可以分成主观评价和客观评价二种。3.3．1 主观评价 主观评价主要是从人类视觉的角度来考虑的。要进行公平合理的评估和比较，在评估过程中就要考虑水印的可感知性。这种评定可基于ITU—R Rec．500质量等级级别，表l列出了等级级别和相应的可感知性以及质量。主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价值的，但在研究和开发情况下并不是很有用。3.3．2客观评价 主观评价的最大缺陷就是评价值因人而异，在衡量数字水印系统的透明性上需要提供客观的评价办法，将原始数字产品与嵌入数字水印后的数字产品之间的差异量进行探测并量化为一定的数值，并通过数值的大小作为评定数字水印质量的标准。图前评价数字水印系统主要的评价指标是信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)以及相关系数（NC)等。其中SNR与PSNR被认为是最通行的评定信号品质的指标。 峰值信噪比(PSNR)。峰值信噪比度量了嵌入水印的能力，PSNR值越高，透明性则越好。如果，代表原始图像，I'表示含水印的图像，则PSNR计算公式为：

信噪比(SNR)。如果I代表原始图像，I’表示含水印的图像，则SNR计算公式为

在具体的应用中，往往采用PSNR代替SNR。就图像而言。如果图像的PSNR值在20db以上，就认为图像是主观上能被接受的。下表列出了alpha为不同值时生成的数字水印图像的PSNR、SNR等指标的值。 从表2可以看出，运用上述DCT算法实现数字水印功能时，当alpha越小，计估指标PSNR及SNR值越高，表示含有数字水印的图像与原始载体越相似，即透明件越高。这与视觉上的表现是一致的。评价指标的计算为数字水印提供了统一的量化标准，使嵌入水印的数字产品之间可以进行评价参考，对水印算法的改进也具有一定的指导意义。

高校是人类科学文化的重要传播者，是培养创新型、复合型人才的摇篮。而图书馆则是高校的知识宅库。在新一轮信息技术数字化的过程中，数字图书馆的建设成为了现代高校图书馆建设的发展方向。数字图书馆在强化、拓展、提升传统图书馆信息传播功能的同时，日益突出的版权问题也制约着数字图书馆的进一步发展。数字水印技术可以有效的解决版本问题，建立数字水印系统已经成为高校数字图书馆建设中不可或缺的重要组成部分。

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