تستكشف هذه التدوينة المبادئ وراء الحفاظ على العلامات المائية المضمنة في الصور الرقمية أثناء التحرير والضغط، إلى جانب الخصائص التقنية المطبقة في المجالات المكانية والترددية.
تشير العلامة المائية الرقمية إلى تقنية تضمين مُعرّفات مُحددة، أو علامات مائية، بشكل غير مرئي في الصور الرقمية. يمكن استخراج المُعرّف المُضمّن من خلال إجراءات مُحددة واستخدامه كدليل لإثبات حقوق الطبع والنشر للصورة. لذلك، يجب أن تضمن العلامة المائية مستوى مُعينًا من المتانة بحيث يُمكن استخراج العلامة المائية بشكل يُقارب حالتها الأصلية، حتى لو خضعت الصورة الأصلية للتعديلات، مثل التدوير أو القص أو تغيير الحجم، أو حتى إذا تم ضغطها. علاوة على ذلك، يجب ألا يُغيّر إدراج العلامة المائية صيغة تخزين البيانات الأصلية، ويجب الحفاظ على إخفاء العلامة المائية بحيث يصعب اكتشاف المُعرّف المُضمّن.
تتكون بيانات الصور الرقمية من قيم سطوع وحدات البكسل الشبكية المرتبة أفقيًا ورأسيًا. يُطلق على تمثيل قيمة سطوع كل وحدة بكسل كبيانات مصفوفة ثنائية الأبعاد اسم نهج المجال المكاني. في بيانات الصور الرقمية المعبر عنها عبر نهج المجال المكاني، يمكن إدراج العلامات المائية عن طريق ضبط قيم سطوع وحدات البكسل بشكل مناسب في المناطق الأقل وضوحًا للعين البشرية. على سبيل المثال، يمكن دمج بيانات صورة علامة تجارية محددة في قيم السطوع عن طريق إضافتها أو ضربها في قيم وحدات البكسل في منطقة محددة. نظرًا لأن المجال المكاني يسمح بالإدراج المباشر للمعرفات في قيم وحدات البكسل، فإن الحمل الحسابي المطلوب لإدراج واستخراج العلامة المائية منخفض نسبيًا، ويمكن التعامل مع عملية الإدراج نفسها بسرعة أكبر. ومع ذلك، فإن أحد العيوب هو أن العلامات المائية المدرجة بهذه الطريقة تقتصر على مناطق محددة. وبالتالي، يمكن إتلافها بسهولة من خلال معالجة الصور البسيطة مثل القص أو حتى ضغط البيانات مما يتسبب في فقدان المعلومات.
يمكن التخفيف من هذه المشكلة جزئيًا باستخدام مجال التردد. يمثل التردد المكاني درجة تغير السطوع لكل وحدة مسافة. إنه يدل على درجة الاهتزاز التي تحدث بسبب الحركة المكانية، وليس مرور الوقت. في الصور الرقمية، كلما زادت وتيرة حدوث تغيرات السطوع في اتجاه معين، زاد التردد المكاني المقاس في ذلك الاتجاه. يصل التردد المكاني إلى أقصى حد له عندما يكون تغير السطوع بين وحدات البكسل المتجاورة مفاجئًا. يسمح تطبيق هذا المبدأ بتمثيل الصورة الرقمية كتوزيع للترددات المكانية على مستوى ثنائي الأبعاد في الاتجاهين الأفقي والرأسي. يسمى توزيع الترددات المكانية، الذي يتكون كمصفوفة ثنائية الأبعاد، بالطيف الترددي المكاني. يُعرف تمثيل الصورة الفوتوغرافية كطيف ترددي باسم نهج مجال التردد. يمكن تحويل البيانات الفوتوغرافية في المجال المكاني دون فقدان إلى مجال التردد من خلال التحويلات الرياضية مثل تحويل فورييه، والتحويل العكسي صحيح أيضًا.
لإدراج علامة مائية في نطاق التردد، يجب أولاً تحويل بيانات النطاق المكاني إلى نطاق التردد نفسه، ثم إدراج بيانات المعرف في نطاق ترددي محدد. بعد ذلك، يلزم إجراء تحويل عكسي للعودة إلى النطاق المكاني. يُوزّع المعرف المُدرج في نطاق ترددي محدد على جميع وحدات البكسل في النطاق المكاني التي تُشكّل ذلك التردد، مما يضمن توزيعه وتخزينه بالتساوي في جميع أنحاء الصورة. تبقى العلامة المائية المُدرجة بهذه الطريقة غير مرئية للعين البشرية إلى حد كبير. حتى مع إجراء بعض عمليات تحرير الصورة، مثل القص، يمكن استعادة العلامة المائية جزئيًا بناءً على بيانات المعرف المخزنة في المناطق المتبقية. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى التحويل بين النطاقين المكاني والترددي تزيد بشكل كبير من الحمل الحسابي لإدراج العلامة المائية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن بيانات المعرف المُدرجة في نطاق معين تظهر كضوضاء في النطاق المكاني، فهناك عيب حيث قد تظهر الصورة بأكملها مشوهة أو غير واضحة.
في الصور الفوتوغرافية التقليدية، تتركز معظم المعلومات التي يدركها البشر بصريًا في نطاق التردد المنخفض. عند فهم محتوى الصورة، يكون البشر أقل حساسية نسبيًا للمكونات عالية التردد مقارنةً بالمكونات منخفضة التردد. لذلك، حتى لو كانت كمية الضوضاء الناتجة عن العلامة المائية متطابقة عبر جميع نطاقات التردد، فإن التشوه في نطاق التردد العالي يكون أقل وضوحًا في الصورة الأصلية. ومع ذلك، فإن معظم تقنيات ضغط الصور التي تعاني من فقدان البيانات تعطي الأولوية لإزالة المكونات عالية التردد لتقليل الحجم الإجمالي للبيانات. وبالتالي، تصبح العلامات المائية المضمنة في نطاق التردد العالي عرضة بشكل خاص للضغط. لهذا السبب، يتم تضمين العلامات المائية في نطاق التردد في الغالب في نطاق التردد المتوسط للحفاظ على مستوى معين من المتانة حتى في ظل الضغط. يقلل هذا النهج من تدهور جودة الصورة مع تعظيم إمكانية الحفاظ على المعرف.
