摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，數(shù)字媒體信息的傳播和應用日益廣泛，但其數(shù)字化和易復制的特性使得版權(quán)保護成為一個挑戰(zhàn)。尤其在數(shù)字藝術(shù)品領(lǐng)域，如何有效防止版權(quán)被侵犯，已成為數(shù)字信息技術(shù)研究領(lǐng)域的重要議題。隨著數(shù)字水印技術(shù)的不斷研究和進步，它已成為保護數(shù)字藝術(shù)品版權(quán)的有效手段，通過將版權(quán)信息嵌入多媒體數(shù)據(jù)中實現(xiàn)保護。然而，除了數(shù)字版權(quán)保護，我們面臨的問題還包括數(shù)據(jù)隱私安全、網(wǎng)絡(luò)安全、信息真實性驗證以及數(shù)字鴻溝等問題。這些問題需要創(chuàng)新的技術(shù)和政策支持才能得到解決，確保數(shù)字信息的安全、真實，并推動互聯(lián)網(wǎng)公平利用。本文提出基于小波變換的數(shù)字水印算法，嵌入水印的過程，首先讀取并轉(zhuǎn)換圖像和水印，其次對圖像進行小波變換，再計算并嵌入水印信息，然后進行逆小波變換將變換域中的圖像恢復到空間域。最后保存加水印后的圖像。提取水印的過程，首先讀取并轉(zhuǎn)換含水印的圖像，其次對圖像進行小波變換，再計算系數(shù)差值，提取出水印，最后顯示提取的水印。探討如何利用小波變換的多尺度分析特性提高水印不可見性以及提取率，通過設(shè)計和操作一系列的實驗，評估小波變換水印嵌入對藝術(shù)品圖像質(zhì)量的影響，并研究水印對圖像版權(quán)保護的實際效果，研究發(fā)現(xiàn)本文算法相較于其他文獻的算法，在保持了高度結(jié)構(gòu)相似性的同時，對于圖像質(zhì)量的保護上有顯著的改進，特別是在PSNR指標的表現(xiàn)上優(yōu)于對比對象，SSIM指標的表現(xiàn)上也表明該算法在圖像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)保真度方面有很高的性能。NC值結(jié)果表明本研究提出的算法對于水印的提取都非常有效，能夠準確地恢復出嵌入在圖像中的水印信息。關(guān)鍵詞:小波變換；數(shù)字水印技術(shù)；藝術(shù)品圖像認證；著作權(quán)1緒論1.1研究背景及意義隨著數(shù)字化時代的到來，藝術(shù)品數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)傳播的需求不斷增加，因此藝術(shù)品圖像認證與版權(quán)保護變得尤為重要。圖像作為互聯(lián)網(wǎng)信息源傳播的重要載體，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源本身具有可復制、易傳播、易獲取等特性，也使網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源的版權(quán)保護成為一道難題。而數(shù)字水印技術(shù)在圖像認證和版權(quán)保護領(lǐng)域得到了廣泛應用，尤其在藝術(shù)品領(lǐng)域具有重要意義。小波變換作為一種有效的圖像處理工具，與數(shù)字水印技術(shù)相結(jié)合，可以提高水印的安全性。小波變換能夠?qū)D像分解成不同尺度和頻率的成分，具有多分辨率的特性。這種特性使得小波變換在數(shù)字水印中能夠隱藏信息并保持圖像的質(zhì)量，同時對一些常見的攻擊具有一定的抵抗能力。況且藝術(shù)品圖像通常具有高度的藝術(shù)性和獨特性，因此需要一種能夠保護其完整性和版權(quán)的技術(shù)手段。小波變換的多尺度分析有助于更好地適應不同藝術(shù)品圖像的特殊性質(zhì)，提高數(shù)字水印的適用性。通過結(jié)合小波變換和數(shù)字水印技術(shù)，本研究旨在提出一種適用于藝術(shù)品圖像認證與版權(quán)保護的創(chuàng)新方法，以解決當前數(shù)字媒體環(huán)境下藝術(shù)品版權(quán)面臨的挑戰(zhàn)，同時推動小波變換在數(shù)字水印領(lǐng)域的應用和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，數(shù)字媒體信息的傳播和應用范圍不斷拓寬。然而，隨之而來的是版權(quán)保護問題，尤其是在數(shù)字藝術(shù)品領(lǐng)域，版權(quán)侵犯的行為頻發(fā)。數(shù)字水印技術(shù)應運而生，這是一個前沿研究領(lǐng)域，其在信息安全中的起到重要作用REF_Ref164339542\r\h[1]，是解決這一問題的有效手段之一。（1）國際研究現(xiàn)狀數(shù)字水印技術(shù)自20世紀90年代初首次提出以來，就受到了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。1993年，Tirkel等人在論文“Electronicwatermark”REF_Ref29582\n\h[22]中首次詳細地闡述了數(shù)字水印的概念和應用，開啟了數(shù)字水印技術(shù)的研究之路。此后，密歇根科技大學等多個國際科研機構(gòu)陸續(xù)推出了一系列水印產(chǎn)品，并將水印技術(shù)應用于證件防偽等領(lǐng)域，推動了水印技術(shù)的快速發(fā)展。國外的學術(shù)團隊在數(shù)字水印領(lǐng)域的研究主要集中在提高水印的嵌入和提取效率，增強水印的魯棒性以及提高水印的隱蔽性等方面。例如，斯坦福大學、劍橋大學等知名高校的研究團隊在小波變換水印技術(shù)上取得了顯著的進展，開發(fā)了一系列兼具高魯棒性和隱蔽性的水印算法。AbdulrahmanA.K.REF_Ref29200\r\h[17]等人創(chuàng)新性提出了一種結(jié)合DCT和DWT的魯棒彩色圖像水印技術(shù)，通過Arnold變換混淆水印，并將其DCT系數(shù)嵌入到載體的RGB三通道中。NavneetYadavREF_Ref29373\r\h[19]等人提出了一種結(jié)合離散小波變換、奇異值分解和沃爾什-哈達瑪爾變換的混合水印技術(shù)。創(chuàng)新之處在于首次將這三種變換與不同大小塊分割相結(jié)合，增加了水印圖像質(zhì)量的可控性，并通過不同塊分配不同強度值以提高安全性。（2)國內(nèi)研究現(xiàn)狀相較于國際研究，中國在數(shù)字水印技術(shù)研究方面起步較晚，但發(fā)展迅速。1996年，中國首次在全國信息隱藏學術(shù)大會（CIHW）上展開了關(guān)于數(shù)字水印的研究，2000年，水印專家李炳法成立專門從事信息安全研發(fā)的公司，數(shù)字水印由理論階段發(fā)展為應用階段REF_Ref164339580\r\h[4]，自此數(shù)字水印技術(shù)在國內(nèi)逐漸興起。近十幾年來，中國科學技術(shù)大學、電子科技大學等國內(nèi)知名高校的研究團隊在小波變換水印技術(shù)與新水印編碼策略的研究上取得了諸多重要成果，不僅推動了國內(nèi)數(shù)字水印技術(shù)的研究，也在國際上產(chǎn)生了一定的影響力。例如，張寶來REF_Ref164339542\r\h[1]設(shè)計了一種算法，通過結(jié)合小波變換、DCT和奇異值分解，將水印圖像嵌入宿主圖像的低頻和高頻子帶中，從而有效地保護數(shù)字圖像版權(quán)。楊垚婷REF_Ref164339556\r\h[2]提出一種改善的水印算法，基于奇異值分解。方法使用了新的預處理技術(shù)和小波變換，并結(jié)合奇異值分解技術(shù)。預處理后的水印圖像和載體圖像都經(jīng)過相同的小波分解處理。然后，取出它們的低頻分量來進行SVD分解，并將水印圖像的SVD分解矩陣嵌入到載體圖像的SVD分解矩陣中，從而得到嵌有水印信息的載體圖像。蔡正保REF_Ref164339690\r\h[6]對雙重數(shù)字水印技術(shù)進行研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件工程技術(shù)，設(shè)計了一種基于圖像融合和小波變換的數(shù)字水印嵌入與提取系統(tǒng)，以滿足用戶對于數(shù)字圖像版權(quán)和內(nèi)容保護的需求。國內(nèi)外研究者們注重從不同的角度探索水印技術(shù)，無論是基于空域的數(shù)字水印算法，還是基于變換域REF_Ref4711\w\h[14]和新理論相結(jié)合的數(shù)字水印算法REF_Ref164339556\r\h[2]，都旨在提升水印技術(shù)的性能，解決數(shù)字媒體版權(quán)保護面臨的實際問題。其中空域算法是通過修改圖像的像素值來達到將水印嵌入在數(shù)據(jù)上，而變換域算法REF_Ref29729\n\h[24]是先將原始圖像變換到頻率域，然后通過在初始確定劃分的區(qū)域進行相應信息的嵌入，在最終的時候轉(zhuǎn)換為初始的樣子，由此可以得到含水印的圖像。空域算法特點計算迅速，具備較高的可隱藏性，但是該算法魯棒性較差。而變換域算法在抗干擾等方面具有十分出色的處理效果以及抗攻擊的能力很強，更加不易被視覺系統(tǒng)察覺，在嵌入水印時可以嵌入不同頻帶的信號，同時其兼容性也較好，所以魯棒性比空域算法好很多，這使得它成為目前魯棒性水印算法的主流REF_Ref164339570\r\h[3]。盡管數(shù)字水印技術(shù)已取得顯著成就，但在實際應用中水印嵌入容量、隱蔽性與魯棒性之間的平衡仍然是一個難題REF_Ref30029\n\h[28]，需要學術(shù)界和工業(yè)界共同努力，持續(xù)進行創(chuàng)新和深入研究。此外，隨著數(shù)字藝術(shù)品市場的迅猛發(fā)展，如何有效保護藝術(shù)品的版權(quán)，尤其是提高版權(quán)信息安全，已經(jīng)成為當前和未來研究的重點之一。綜上所述，數(shù)字水印技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)和研究空間，期待全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界的共同努力，使數(shù)字水印技術(shù)更好地服務于社會。1.3主要研究內(nèi)容基于小波變換的水印技術(shù)在藝術(shù)品圖像認證與版權(quán)保護中的主要研究內(nèi)容，包括以下幾個方面：一、水印嵌入和提取算法的優(yōu)化：研究如何提高嵌入水印和提取水印的效率，并盡可能降低在這兩個步驟中引入的圖像失真。二、水印的魯棒性：研究如何提高水印的魯棒性，使其能夠更好地抵抗各種圖像處理和攻擊，如壓縮，旋轉(zhuǎn)，縮放，添加噪聲，濾波等。三、水印的不可見性和安全性：研究如何使嵌入的水印更難以被察覺，以防止未經(jīng)授權(quán)的檢測和提取。同時，也需要研究如何保護水印信息的安全，防止被篡改或偽造。四、復雜度分析與性能評估：對小波變換水印技術(shù)的算法復雜度、嵌入和提取的準確率、魯棒性和不可見性等方面進行深入的分析和評估REF_Ref29654\n\h[23]。總體上，基于小波變換的水印技術(shù)的研究旨在提供一種可靠且高效的方法，用于在不破壞圖像質(zhì)量的前提下，嵌入不可見的水印，從而實現(xiàn)藝術(shù)品圖像的認證和版權(quán)保護。2小波變換及數(shù)字水印技術(shù)基本概述2.1小波變換小波變換是基于頻域的，是一種分析圖像的有效的頻域方法，能夠平移伸縮信號，對其進行多尺度提取信息。早期數(shù)字水印主要在空間域中進行，特點是抗幾何，抗噪聲，抗壓縮較差，近年來數(shù)字水印集中在變換域中如DCT變換REF_Ref29112\n\h[16]和DWT變換REF_Ref29200\n\h[17]中。數(shù)字水印研究集中了多領(lǐng)域的學科，例如：計算機技術(shù)，密碼學，數(shù)字圖像，數(shù)字通信，信號處理等。由于多學科的綜合導致其復雜性，今后數(shù)字水印將集中在圖像，音頻，視屏以及魯棒性研究，國內(nèi)數(shù)字水印還在起步階段REF_Ref164339730\r\h[8]。首先“小波”即小區(qū)域的波，就是小的波形。小波最突出的特點是多分辨分析特性，可以將信號的局部信息在時域和頻域都凸顯出來，便可以既看到信號的全貌，又可以捕捉到信號的細節(jié)，可做到一舉兩得REF_Ref161145505\r\h[9]。小波變換的主要特點是通過伸縮平移對信號逐步進行多尺度細化，最終達到對時空頻率局部化分析的效果。小波變換能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)REF_Ref161145577\r\h[10]。此外小波變換是一種建立在短時傅里葉變換理論基礎(chǔ)上的分析技術(shù)，在時域（空域）和頻域上均具有極佳的局部化特性，將小波變換的多分辨率特性應用于數(shù)字水印技術(shù)，可以有效提高信息隱藏的魯棒性、安全性和抗惡意攻擊能力，從而實現(xiàn)版權(quán)保護的目的REF_Ref164339769\r\h[11]。2.2數(shù)字水印技術(shù)數(shù)字水印技術(shù)是一種先進的信息隱藏技術(shù)，它使得可以在數(shù)字媒體文件（如圖像、視頻或音頻）中秘密地嵌入數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的核心在于將版權(quán)信息或其他形式的認證數(shù)據(jù)植入到數(shù)字內(nèi)容中，而這些信息的嵌入對于常規(guī)的使用者而言幾乎是不可感知的。通過這種方式，即使在廣泛傳播的過程中，作品的版權(quán)信息仍然能夠得到保留和識別。當需要驗證版權(quán)歸屬或內(nèi)容完整性時，可以通過專門的技術(shù)手段從這些數(shù)字文件中提取出嵌入的信息，從而實現(xiàn)對作品的保護。圖2-1水印嵌入流程圖2-2水印提取流程如圖2-1和圖2-2所示，數(shù)字水印技術(shù)主要包括兩個基本過程：水印嵌入和水印提取。在水印嵌入過程中，根據(jù)預設(shè)的算法，將需要隱藏的信息（如版權(quán)聲明、創(chuàng)作者標識、時間等）加密后嵌入到原始數(shù)字內(nèi)容中，生成含有水印的新媒體文件。這一過程不會顯著影響原有媒體的質(zhì)量，保證了媒體內(nèi)容的使用價值和美觀性。而在水印提取過程中，通過相應的解密算法和正確的密鑰，可以從加水印的文件中恢復出隱藏的信息，驗證文件的原創(chuàng)性和所有權(quán)。為了確保水印的安全性和防止未授權(quán)的訪問，密鑰的使用在整個水印技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色。只有掌握正確密鑰的用戶才能成功提取嵌入的水印，這為數(shù)字作品的版權(quán)保護提供了一個額外的安全層級。3數(shù)字水印技術(shù)在藝術(shù)品領(lǐng)域的現(xiàn)有應用和挑戰(zhàn)3.1數(shù)字水印技術(shù)在藝術(shù)品領(lǐng)域的現(xiàn)有應用3.1.1保護圖像本體在藝術(shù)品領(lǐng)域，數(shù)字水印技術(shù)的應用顯得尤為重要，尤其是在維護藝術(shù)作品的完整性和確保其未被未經(jīng)授權(quán)的修改中。通過利用脆弱水印，藝術(shù)品的數(shù)字副本可以在遭受任何形式的篡改時顯示出明顯的痕跡。脆弱水印非常敏感，對數(shù)據(jù)的任何形式的壓縮、復制或幾何修改都極其敏感。這種高度的敏感性使脆弱水印成為一種有效的安全措施，類似于物理世界中的安全封條。一旦藝術(shù)作品的數(shù)字副本被篡改，脆弱水印的破壞便可立即被檢測到，從而提供對作品原始性的即時驗證。這種技術(shù)在法律、商業(yè)及國防等需要高度保密和原始性驗證的領(lǐng)域尤為重要，確保了圖像數(shù)據(jù)不僅僅是視覺上的展示，更是一種可靠的證據(jù)或交易記錄。數(shù)字水印技術(shù)在藝術(shù)品修復和數(shù)據(jù)重建方面也展現(xiàn)出其獨特的應用價值。通過將數(shù)字圖像的關(guān)鍵特征編碼并作為水印隱匿于圖像中，直接將特征數(shù)據(jù)嵌入到媒體圖像或其他載體中REF_Ref29004\n\h[15]，即便原始數(shù)據(jù)部分丟失或損壞，這些隱藏的水印也可以作為恢復數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。例如，在藝術(shù)作品遭受物理損害或數(shù)字文件部分損壞的情況下，嵌入的水印可以提供必要的信息來輔助恢復丟失的圖像部分，極大地提高了圖像重建的質(zhì)量和準確性。這種方法不僅限于簡單的數(shù)據(jù)恢復，更通過分析水印中編碼的信息，識別損壞的程度、位置及類型，為精確修復提供了科學依據(jù)。因此，數(shù)字水印技術(shù)不僅保護了藝術(shù)品的版權(quán)和原始性，也極大地擴展了藝術(shù)品的保護和修復的技術(shù)范疇。3.1.2保護著作權(quán)數(shù)字水印技術(shù)在藝術(shù)品領(lǐng)域的應用主要體現(xiàn)在其對版權(quán)的保護能力上。其中，脆弱水印和魯棒水印分別發(fā)揮著鑒別和保護的功能。脆弱水印容易受到破壞，適用于檢測圖像是否被篡改，而魯棒水印則因其對干擾的強大抵抗力嵌入的強度越大，魯棒性越好，不可見性越差，反之嵌入強度越小，魯棒性越差則不可見性則越好REF_Ref29278\n\h[18]。常用于長期的版權(quán)保護。鑒于數(shù)字藝術(shù)品易于被復制和分發(fā)，創(chuàng)建者通常會在作品中嵌入數(shù)字水印，以限制其復制和分發(fā)。例如，可以設(shè)置對作品的復制次數(shù)或復制權(quán)限的限制。當設(shè)備讀取帶有水印的數(shù)字藝術(shù)品時，它會首先解碼水印信息，據(jù)此限制用戶的操作，即使通過掃描、拍照等間接方式復制，數(shù)字水印也能通過在印刷品中嵌入水印的方式發(fā)揮作用，從而保護藝術(shù)品版權(quán)。數(shù)字水印還具有追蹤被盜版作品的功能，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源本身具有可復制、易傳播、易獲取等特性，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源的版權(quán)保護成為一道難題REF_Ref29958\n\h[27]。通過在數(shù)字藝術(shù)品中嵌入具有唯一性的標識信息，如藝術(shù)家名稱、創(chuàng)作時間和序列號等，可以在不破壞原始數(shù)據(jù)的前提下進行追蹤。這一過程包括水印的插入和檢出兩個部分。在用戶端，客戶端軟件能夠解碼數(shù)字藝術(shù)品的水印并向追蹤系統(tǒng)發(fā)送反饋信息。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，上傳至平臺的盜版內(nèi)容同樣會被平臺的服務器檢測系統(tǒng)所識別和處理，從而有效追蹤和控制盜版行為。通過這種方式，出版者不僅可以定位盜版來源，還可以估計其規(guī)模和分布，有效維護版權(quán)利益。在數(shù)字藝術(shù)品的創(chuàng)作、發(fā)布到分銷的過程中，每個參與環(huán)節(jié)都可能會添加獨特的數(shù)字水印。從藝術(shù)家到數(shù)字畫廊，再到最終的收藏者，每一步都可能嵌入一個新的水印，用于確認作品的真?zhèn)危鰪姲鏅?quán)保護，控制作品的復制權(quán)限，以及追蹤藝術(shù)品的流通路徑。然而，這種多重水印的累積可能會對數(shù)字藝術(shù)品的文件大小和展示質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。尤其是，在保證每層水印的不可感知性——即對觀賞體驗的最小影響——的同時，保持藝術(shù)品視覺效果的清晰度成為一大挑戰(zhàn)。此外，不同水印的檢測與管理難度也隨之增加，引發(fā)了一系列技術(shù)和兼容性挑戰(zhàn)。對于數(shù)字產(chǎn)品的保護，僅僅應用管理和法律上的手段還是遠遠不夠的，必須有技術(shù)手段作為支撐REF_Ref164339690\r\h[6]。因此，涵蓋了版權(quán)保護和內(nèi)容認證在內(nèi)的藝術(shù)品數(shù)字圖像的信息安全問題成為了研究的熱點，解決圖像安全的信任危機已經(jīng)刻不容緩，對版權(quán)所有者的合法權(quán)益進行有效保護具有了重要的現(xiàn)實意義REF_Ref164339705\r\h[7]。數(shù)字藝術(shù)品的數(shù)據(jù)存儲容量和處理能力是有限的。多重水印的累積可能會對數(shù)字藝術(shù)品的文件大小和加載速度產(chǎn)生負面影響。其次，每層水印的不可感知性——即水印對閱讀體驗的影響應當盡可能小——可能會因多重水印的疊加而顯著降低，具體表現(xiàn)為數(shù)字藝術(shù)品的視覺清晰度可能會降低。不同水印的檢測和管理也變得更加復雜。各種水印可能采用不同的技術(shù)和算法，這不僅增加了水印解碼的難度，還可能在不同設(shè)備和軟件平臺間引發(fā)兼容性問題。在多重水印的環(huán)境中，即便是小的解碼錯誤也可能導致誤報或漏報，從而影響版權(quán)保護的準確性和效率。3.2數(shù)字水印技術(shù)在藝術(shù)品領(lǐng)域應用的現(xiàn)有挑戰(zhàn)3.2.1數(shù)字水印技術(shù)面臨技術(shù)對抗，藝術(shù)品視覺失真數(shù)字藝術(shù)品通過其可復制、可傳播和可修改的數(shù)字化特性，在提供創(chuàng)新空間的同時，也極大地增加了藝術(shù)品著作權(quán)保護的難度。這些特性使得數(shù)字藝術(shù)品可以輕易地在互聯(lián)網(wǎng)上被復制和傳播，每個副本與原件保持高度一致，大大增加了追蹤和證明侵權(quán)行為的難度。數(shù)字化工具的普及也使得藝術(shù)品的修改和仿造變得更加容易，進一步加劇了著作權(quán)的保護問題。數(shù)字水印技術(shù)作為一種新型技術(shù)和解決方案，旨在通過將不可見的版權(quán)信息嵌入藝術(shù)品中，來加強版權(quán)保護。這些信息雖然肉眼不可見，但可通過特定軟件檢測和提取，從而幫助藝術(shù)家追蹤作品傳播，證明版權(quán)歸屬，甚至在作品被非法修改時發(fā)出警告。然而，數(shù)字水印技術(shù)在實際應用中在技術(shù)對抗、視覺保真性兩方面的問題：一方面，技術(shù)對抗性問題。數(shù)字水印技術(shù)雖然提供了一種隱蔽嵌入版權(quán)信息的方式，但其面臨的技術(shù)對抗性挑戰(zhàn)十分嚴峻。隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，專門用于解碼、去除或篡改數(shù)字水印的工具和方法不斷涌現(xiàn)。這些對抗技術(shù)通常包括：（1）信號處理攻擊。使用復雜的信號處理技術(shù)（如濾波、壓縮等）來破壞水印信息，使其難以被正常檢測。（2）幾何攻擊。通過修改圖像的幾何屬性（如旋轉(zhuǎn)、縮放、剪切等）來混淆或破壞嵌入的水印。（3）數(shù)字技術(shù)攻擊。應用高級的圖像和視頻編輯軟件對作品進行精細調(diào)整或重構(gòu)，以消除水印的痕跡。這些方法不僅可以減少水印的可見性和可檢測性，而且還可能完全消除水印，使得原本的保護機制失效，從而對藝術(shù)品的版權(quán)保護帶來極大的挑戰(zhàn)；另一方面，視覺保真性。盡管大多數(shù)數(shù)字水印技術(shù)設(shè)計為對人眼不可見，但在某些情況下，尤其是在高質(zhì)量和高精細度要求的藝術(shù)作品中，水印的存在可能會微妙地影響藝術(shù)品的視覺表現(xiàn)，比如存在色彩偏差，在色彩豐富或具有細膩陰影的圖像中，水印可能引入不自然的色彩或亮度變化，尤其是在暗部或高亮部分。如果放大看內(nèi)容會存在細節(jié)模糊，在需要極高精度和細節(jié)展示的作品（如微距攝影、精細畫作）中，水印可能導致細節(jié)部分略顯模糊或失真。對于動態(tài)范圍極寬的圖像，水印的加入可能會限制圖像處理的靈活性，影響最終展示的質(zhì)量。水印的主要評價標準包括不可見性、魯棒性、安全性和容量REF_Ref29895\n\h[26]3.2.2數(shù)字藝術(shù)品著作權(quán)保護面臨著跨地域、跨情境問題數(shù)字藝術(shù)品的著作權(quán)保護面臨的跨地域、跨情境的問題是當前藝術(shù)與技術(shù)領(lǐng)域中最為復雜和挑戰(zhàn)性的議題之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字技術(shù)的普及，數(shù)字藝術(shù)品能夠在全球范圍內(nèi)瞬間傳播，這種無邊界的傳播特性使得著作權(quán)的保護尤為困難。首先，法律法規(guī)的差異是跨地域著作權(quán)保護的主要挑戰(zhàn)。不同國家對于著作權(quán)的法律保護有著顯著的差異，包括著作權(quán)的歸屬、保護期限、以及侵權(quán)的判定標準等。例如，歐洲國家可能對數(shù)字藝術(shù)品的創(chuàng)意表達有更高的保護標準，而某些亞洲國家可能更側(cè)重于實用性。這種法律上的不一致使得藝術(shù)家和版權(quán)所有者難以在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一維權(quán)，特別是當作品在一個法律保護較弱的國家被非法復制和傳播時，原創(chuàng)者往往難以通過法律手段追究責任。其次，技術(shù)的不斷變革和進步也對數(shù)字藝術(shù)品的著作權(quán)保護帶來了挑戰(zhàn)。技術(shù)進步不僅推動了藝術(shù)創(chuàng)作和傳播方式的革新，也使得侵權(quán)行為更加隱蔽和高效。例如，通過高級編程技術(shù)和自動化工具，侵權(quán)者可以在不留痕跡的情況下修改或復制數(shù)字藝術(shù)品。新興的區(qū)塊鏈技術(shù)雖然提供了一種可能的解決方案，通過加密和鏈上記錄確保藝術(shù)品的真?zhèn)魏退袡?quán)，但這種技術(shù)的普及和接受程度仍存在不確定性。再者，文化差異和審美多樣性在跨情境的著作權(quán)保護中也是不容忽視的因素。數(shù)字藝術(shù)品常常包含深厚的文化元素和個人表達，其在不同文化背景下的解讀和欣賞可能存在巨大差異，這種差異不僅影響作品的接受度，也可能影響其著作權(quán)的解釋和執(zhí)行。例如，某個國家或文化圈可能將某種藝術(shù)創(chuàng)作視為公有領(lǐng)域，而另一些地方則可能嚴格限制類似作品的復制和分發(fā)。最后，國際合作與協(xié)調(diào)的缺乏是數(shù)字藝術(shù)品著作權(quán)保護跨地域?qū)嵤┑囊粋€重大障礙。雖然有諸如世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）這樣的國際機構(gòu)試圖協(xié)調(diào)不同國家之間的著作權(quán)政策，但在實際操作中，這種協(xié)調(diào)往往受限于國家利益、政治因素以及執(zhí)行力度的不均等，缺乏有效的國際合作機制，使得跨國界的著作權(quán)保護往往只能停留在理論和協(xié)議層面，難以在實際案件中得到有效執(zhí)行。這種狀況意味著即使數(shù)字藝術(shù)品的創(chuàng)作者擁有明確的著作權(quán)聲明和合法的注冊證明，他們也可能面臨跨國界法律保護的空白或執(zhí)行難題。實際案例中，不乏見到創(chuàng)作者在一個國家成功維權(quán)，而在另一個國家則因為法律解釋和應用的差異而敗訴或難以追訴的情況。數(shù)字藝術(shù)品的復制性和易傳播性也給著作權(quán)保護帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)藝術(shù)品不同，數(shù)字藝術(shù)品可以通過數(shù)字化的方式無損復制，且復制品與原作在質(zhì)量上無差別。這種特性使得侵權(quán)行為極易發(fā)生，且難以控制。一旦數(shù)字文件被上傳至互聯(lián)網(wǎng)，其控制權(quán)基本上就處于無法追蹤的狀態(tài)，因此，即使有法律規(guī)定和技術(shù)手段，實際保護作用也大打折扣。4基于小波變換的水印技術(shù)在藝術(shù)品圖像上的應用實現(xiàn)4.1藝術(shù)品圖像中水印的嵌入4.1.1讀取并加載圖像與水印藝術(shù)品圖像的主要是從PIL（PythonImagingLibrary，現(xiàn)在稱為Pillow）、numpy和pywt（PythonWavelets）庫中讀取的。PIL用于圖像處理。numpy用于數(shù)值計算，特別是處理圖像數(shù)組。pywt用于進行二維離散小波變換（2DDWT）。這部分主要用到了兩個函數(shù)，一個是函數(shù)加載圖像（load_image），作用是加載一個圖像文件，并將其轉(zhuǎn)換為RGB模式，最后將圖像轉(zhuǎn)換為一個NumPy數(shù)組，這一步驟為水印嵌入做好了準備。另一個是函數(shù)加載水印（load_watermark）：作用是加載水印圖像，并將其轉(zhuǎn)換為灰度格式，將PIL圖像對象轉(zhuǎn)換為NumPy數(shù)組，然后將水印圖像的NumPy數(shù)組展平成一維數(shù)組，這樣每個像素點將成為數(shù)組中的一個元素，這個水印數(shù)組存儲了水印的像素信息，準備被嵌入到原始圖像中。fromPILimportImageimportnumpyasnpimportpywtclassWatermarker:def__init__(self,image_path,watermark_path,output_path):self.image_path=image_pathself.watermark_path=watermark_pathself.output_path=output_pathdefload_image(self):image=Image.open(self.image_path).convert('RGB')self.image_array=np.array(image)defload_watermark(self):watermark=Image.open(self.watermark_path).convert('L')self.watermark_array=np.array(watermark)4.1.2水印嵌入過程嵌入過程通過二維離散小波變換（DWT）REF_Ref29373\n\h[19]實現(xiàn)，將水印信息隱藏在宿主圖像的高頻部分。需要創(chuàng)建原始圖像數(shù)組的副本，以便于在其中嵌入水印，對圖像的紅色通道進行Haar小波變換，得到變換系數(shù)。然后分解變換系數(shù)為近似系數(shù)cA和水平、垂直、對角方向的高頻系數(shù)cH、cV、cD。然后，根據(jù)水印的大小，將水印數(shù)組的信息嵌入到小波變換的高頻分量中，通過alpha參數(shù)控制水印的強度lpha參數(shù)是一個縮放因子，用于控制水印的強度或深度。在實際應用中，需要調(diào)整alpha的值，以達到所需的不可見性和魯棒性平衡。嵌入水印后，方法使用使用pywt.idwt2函數(shù)對嵌入水印信息的圖像進行逆二維離散小波變換（IDWT），以將變換域中的圖像恢復到空間域。(cA,(cH,cV,cD))是小波變換的系數(shù)，其中cA是近似系數(shù)，cH、cV、cD分別是水平、垂直和對角方向的高頻系數(shù)。之后檢查逆變換后的圖像是否與原始圖像在空間域的大小一致。最后重建紅色通道。np.clip函數(shù)確保所有像素值都在0到255的范圍內(nèi)，這是因為像素值必須是0到255之間的整數(shù)。defembed_watermark(self,alpha=0.05):self.watermarked_image_array=self.image_array.copy()coeffs=pywt.dwt2(self.image_array[:,:,0],'haar')cA,(cH,cV,cD)=coeffswatermark_size=np.array(self.watermark_array.shape)cH[:watermark_size[0],:watermark_size[1]]+=self.watermark_array*alphawatermarked_channel=pywt.idwt2((cA,(cH,cV,cD)),'haar')self.watermarked_image_array[:,:,0]=np.clip(watermarked_channel,0,255)4.1.3保存圖像save_image函數(shù)負責將嵌入水印后的圖像數(shù)組保存到指定的路徑。它首先將NumPy數(shù)組轉(zhuǎn)換回PIL圖像對象，加載原始圖像和水印，然后調(diào)用embed_watermark函數(shù)將水印嵌入到圖像中。最后，調(diào)用save_image函數(shù)將嵌入水印后的圖像保存到指定的路徑。defsave_image(self):watermarked_image=Image.fromarray(self.watermarked_image_array,'RGB')watermarked_image.save(self.output_path,'PNG')if__name__=="__main__":watermarkHandler=Watermarker("D:/test/original/test_1.png","D:/test/watermark/watermark.png","D:/test/embed/test_dest1.png")watermarkHandler.load_image()watermarkHandler.load_watermark()watermarkHandler.embed_watermark()watermarkHandler.save_image()4.3藝術(shù)品圖像中水印的提取這部分實現(xiàn)了數(shù)字水印的提取和保存的完整流程。首先是調(diào)用了PIL庫的Image.open函數(shù)打開圖像文件，并使用convert('RGB')將其轉(zhuǎn)換成RGB模式，最后將圖像轉(zhuǎn)換成NumPy數(shù)組以便后續(xù)處理。在extract_watermark方法中，代碼通過對圖像的紅色通道進行離散小波變換（DWT）來提取水印。DWT操作后會得到包括近似系數(shù)（cA）和各個方向的細節(jié)系數(shù)（cH,cV,cD）數(shù)組。隨后利用系數(shù)cH，并結(jié)合了一個縮放因子alpha，將提取的水印信息存入self.watermark_array數(shù)組。convert_to_image方法將水印數(shù)組轉(zhuǎn)化成圖像，并保存到指定的路徑。在轉(zhuǎn)換過程中，np.clip函數(shù)確保所有的水印像素值都在0到255的范圍內(nèi)，然后將NumPy數(shù)組轉(zhuǎn)化回PIL圖像對象進行保存。最后并執(zhí)行加載圖像、提取水印以及將提取出的水印保存為圖像的整個流程。fromPILimportImageimportnumpyasnpimportpywtclassWatermarkExtractor:def__init__(self,watermarked_image_path,output_path,watermark_shape):self.watermarked_image_path=watermarked_image_pathself.output_path=output_pathself.watermark_shape=watermark_shapedefload_image(self):image=Image.open(self.watermarked_image_path).convert('RGB')self.image_array=np.array(image)defextract_watermark(self,alpha=0.05):coeffs=pywt.dwt2(self.image_array[:,:,0],'haar')cA,(cH,cV,cD)=coeffsself.watermark_array=cH[:self.watermark_shape[0],:self.watermark_shape[1]]/alphadefconvert_to_image(self):watermark_image=Image.fromarray(np.clip(self.watermark_array,0,255).astype(np.uint8),'L')watermark_image.save(self.output_path)if__name__=="__main__":extractionHandler=WatermarkExtractor("D:/test/embed/test_dest1.png","D:/test/testwater/outwatermark.png",(100,100))#Thewatermark_shapeshouldmatchtheactualsizeofyourwatermarkextractionHandler.load_image()extractionHandler.extract_watermark()extractionHandler.convert_to_image()4.4實驗性能分析4.4.1實驗演示該實驗全程在Python3.12環(huán)境中實現(xiàn)的。為了消除算法的隨機性以及產(chǎn)生對比，本算法選取了三張數(shù)字藝術(shù)品圖像作為實驗載體圖像，原始載體圖像為4-1BLUE、4-2GREEN、4-3PURPLE,水印為圖4-4watermark所示。4-SEQ圖4\*ARABIC\s11BLUE4-SEQ圖4\*ARABIC\s12GREEN4-SEQ圖4\*ARABIC\s13PURPLE4-SEQ圖4\*ARABIC\s14watermark嵌入水印圖像后的含水印圖像如圖4-5BULE1、4-7GREEN1、4-9PURPLE1所示，提取出的水印圖片如圖4-6testwater1、4-8testwater2、4-10testwater3所示。4-5BLUE14-6testwater14-7GREEN14-8testwater24-9PURPLE14-10testwater3實驗發(fā)現(xiàn)藝術(shù)品圖像嵌入水印之后，單憑肉眼根本看不到是否含有水印信息，證明了水印的不可見性十分優(yōu)越，在魯棒性方面也沒有問題。4.4.2不可見性實驗測試我們將峰值信噪比（PSNR）REF_Ref29814\n\h[25]和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）還有NC（歸一化相關(guān)系數(shù)）是三種常用的圖像質(zhì)量以及評價指標作為指標，它們可以用來判斷圖像的相似度或者質(zhì)量變化。PSNR值越高，表示兩幅圖像越相似，圖像質(zhì)量越好。SSIM是一個更復雜的指標，它考慮了圖像的亮度、對比度和結(jié)構(gòu)信息，SSIM值越接近1，表示兩幅圖像在視覺上越相似。SSIM特別關(guān)注圖像的結(jié)構(gòu)信息，因此在評估圖像質(zhì)量時，它比PSNR更能反映人眼對圖像質(zhì)量的感知。將水印圖片通過算法嵌入藝術(shù)品圖像中，并計算PSNR，再將水印圖片提取出來，并與原始圖像對比計算SSIM。NC值是一種衡量原始水印與提取水印之間相似性的指標。它被廣泛用于評價數(shù)字水印提取過程的精度。NC值作為一個重要的指標，它可以幫助我們評估水印方案的有效性和魯棒性。一個好的水印系統(tǒng)應當在各種情況下保持高NC值，顯示出較高的抗攻擊能力以及可靠的水印提取性能。NC值的范圍通常在0與1之間，其中NC值接近或等于1，說明提取的水印與原始水印非常相似，水印提取算法具有較好的性能。如果NC值偏低，說明兩者間的相似度較低。實驗結(jié)果和對應的PSNR、SSIM、NC值如表4.1所示。表4.SEQ表\*ARABIC1圖像嵌入水印后PSNR、SSIM以及NC值的評估載體圖像嵌入后圖像PSNRSSIMNC提取出的水印圖片能否識別49.9460.990.99可以49.9520.990.99可以49.9530.990.99可以從表4.1可以看出，三張數(shù)字藝術(shù)品圖像在嵌入水印后的PSNR值均在49dB以上，而PSNR大于30dB的時候，肉眼將難以分辨出區(qū)別，與此同時圖像的SSIM值均為0.99十分接近1，說明圖像表明嵌入水印前后圖像間的相似度非常高，表明圖像質(zhì)量保持得很好，原始圖像結(jié)構(gòu)和水印信息得到了很好的保留。提取出的水印圖像的NC值均為0.99十分接近1，說明提取的水印與原始水印非常相似，水印提取算法具有良好的性能。以上說明本算法具備良好的不可見性以及較高的水印提取率。4.4.3嵌入效果對比實驗分析為說明本文所提算法的嵌入效果，選取4-1BLUE、4-2GREEN、4-3PURPLE為原始載體圖像，4-5BLUE1、4-7GREEN1、4-9PURPLE1為嵌入水印后的圖像，將本文算法與文獻REF_Ref11551\r\h[29]以及文獻REF_Ref12495\r\h[30]中所提算法進行比較實驗，結(jié)果如表4.2所示。在表4.2中列出了不同文獻中圖像水印算法的PSNR（峰值信噪比）和SSIM（結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)）的比較數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，本文提出的算法在PSNR指標上表現(xiàn)出過硬的性能，特別是與文獻REF_Ref11551\r\h[29]和文獻REF_Ref12495\r\h[30]相比，文獻REF_Ref12495\r\h[30]4-5BLUE1、4-7GREEN1、4-9PURPLE1的PSNR值顯著更高，說明在圖像嵌入水印后保持了更高的圖像質(zhì)量和更低的失真程度。而在SSIM指標上，所有算法均達到了0.99的高分值，表示在結(jié)構(gòu)保真度方面，所有算法都保持了原始圖像的結(jié)構(gòu)特征，對于人眼感知圖像質(zhì)量的影響幾乎可以忽略不計。具體來看：文獻REF_Ref11551\r\h[29]的算法在PSNR上為43.994，SSIM為0.99，表明該算法在圖像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)保真度方面有很高的性能。文獻REF_Ref12495\r\h[30]的算法PSNR為35.018，雖然也有很好的SSIM分值（0.99），但在PSNR上卻低于其他算法，說明可能存在更明顯的圖像失真。圖4-5、圖4-7和圖4-9本文算法的PSNR均在49.946到49.953之間，這是所有數(shù)據(jù)中的最高值，表明本文算法在保持圖像質(zhì)量方面表現(xiàn)最優(yōu)。總結(jié)來說，本文算法相較于其他文獻的算法，在保持了高度結(jié)構(gòu)相似性的同時，對于圖像質(zhì)量的保護上有顯著的改進，特別是在PSNR指標的表現(xiàn)上顯著優(yōu)于文獻REF_Ref11551\r\h[29]和文獻REF_Ref12495\r\h[30]的算法。這說明本文算法更適合處理高質(zhì)量圖像的水印嵌入，而幾乎不會對觀看體驗造成影響。表4.SEQ表\*ARABIC2本文圖像及算法與其他圖像算法的RSNR和SSIM比較文獻REF_Ref11551\r\h[29]文獻REF_Ref12495\r\h[30]BLUE1GREEN1PURPLE1PSNR43.99435.01849.94649.95249.953SSIM0.990.990.990.990.994.4.4提取水印效果對比實驗分析為說明本文所提算法的提取效果，選取圖4-6testwater1、4-8testwater2、4-10testwater3為提取水印的效果圖象，將本文算法與文獻REF_Ref12495\r\h[30]中所提算法進行比較實驗，結(jié)果如表4.3所示。表4.3顯示了本研究與其他圖像算法在水印提取上的對比結(jié)果，具體比較了提取水印的歸一化相關(guān)系數(shù)(NC)值。從表中數(shù)據(jù)可以看出，無論是文獻REF_Ref12495\r\h[30]中所使用的算法，還是本研究中的算法，兩者在不同圖像（4-6testwater1、4-8testwater2、4-10testwater3）上提取出的水印的NC值均為0.99。在本表中，所有算法得到的NC值都接近1，說明所有考察的水印提取算法都能很好地提取水印，保持與原始水印的高度相似性。此外，可以通過視覺檢查這些提取的水印圖像以進一步驗證NC值的正確性，從而綜合使用數(shù)值和視覺上的分析來證明本水印提取算法的有效性。總的來說，這些NC值結(jié)果表明本研究提出的算法以及文獻REF_Ref12495\r\h[30]中的算法對于水印的提取都非常有效，能夠準確地恢復出嵌入在圖像中的水印信息。表4.3本文圖像及算法與其他圖像算法提取出的水印圖片以及NC值比較文獻REF_Ref12495\r\h[30]Family文獻REF_Ref12495\r\h[30]Family文獻REF_Ref12495\r\h[30]Family4-6testwater14-8testwater24-10testwater3NC0.990.990.990.990.990.99提取的水印圖像5總結(jié)與展望本文主要探索了小波變換作為數(shù)字水印技術(shù)的基石，并應用于藝術(shù)品圖像的認證與版權(quán)保護。小波變換的核心優(yōu)勢在于其對圖像進行多尺度分析的能力，這使得水印技術(shù)在保護藝術(shù)品的同時，能夠在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下增強水印的隱蔽性與魯棒性。針對當前藝術(shù)品版權(quán)保護面臨的挑戰(zhàn)，如易受攻擊的水印和水印的視覺可見性問題，本文提出了一種新型的基于小波變換的水印算法。該算法詳細定義了水印的嵌入與提取過程，充分利用了小波變換的多級分解能力來提高水印的安全性和透明性。為驗證算法的有效性，本文選取了多種風格和不同技術(shù)規(guī)格的藝術(shù)品圖像，進行了廣泛的實驗。實驗設(shè)計考慮了圖像的分辨率、壓縮比例及風格差異，并通過對其他文獻進行數(shù)據(jù)對比。實驗結(jié)果表明，通過PSNR和SSIM以及NC值的指標，說明提取的水印與原始水印非常相似，水印提取算法具有良好的性能。以上說明本算法具備良好的不可見性和魯棒性以及較高的水印提取率。最后通過PSNR和SSIM指標以及NC值的分析，在觀察到水印在維護版權(quán)的同時，對圖像的原始感知質(zhì)量影響極小。參考文獻張寶來.小波變換在數(shù)字圖像水印技術(shù)中的應用研究[D].東北石油大學,2018.楊垚婷.基于小波變換的數(shù)字水印算法的研究與實現(xiàn)[D].成都理工大學,2018.楊亞男.小波變換在彩色圖像數(shù)字水印技術(shù)中的應用[D].西安電子科技大學,2020.劉楠.面向版權(quán)保護和完整性認證的數(shù)字圖像水印算法研究[D].中國石油大學(華東),2021.鄭亞杰.基于唯一標識圖像認證技術(shù)的研究與應用[D].北京印刷學院,2020.蔡正保.基于圖像融合和小波變換的數(shù)字水印嵌入與提取系統(tǒng)研究[J].九江學院學報(自然科學版),2022,37(01):41-44.徐歡.面向數(shù)字化圖像資源版權(quán)保護的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].遼寧師范大學,2019.樊偉.基于小波變換的全息水印算法及應用研究[D].北京印刷學院,2019.吳智軍,王坤林,譚常玉等.基于小波變換和混沌的數(shù)字水印算法[J].福建電腦,2017,33(10):9-10+48.雷求勝.基于小波變換的數(shù)字水印圖像處理技術(shù)研究[J].電子設(shè)計工程,2021,29(22):161-165.趙穎.基于數(shù)字水印技術(shù)的圖像信息安全應用研究[J].信息化研究,2021,47(01):15-19.張秀娟.數(shù)字圖像水印技術(shù)的研究[J].信息通信,2017(02):10-11.夏曉清.面向圖像內(nèi)容認證的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學,2005.BRAHMARAJU,M;JAGADEESH,S;SRIDEVI,G.DesignandHardwareImplementationofWatermarkingUsingLifting-BasedDWTTechniques.IUPJournalofTelecommunications.9,3,54-64,Aug.2017.ISSN:09755551.LussonFBailey,KLeeney,MCurranK.ANovelApproachtoDigitalWatermarking,Exploiting