數(shù)字水印技術(shù)淺析

摘要:數(shù)字水印技術(shù)是作為版權(quán)保護的重要手段，在眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，包括版權(quán)保護、內(nèi)容認(rèn)證、復(fù)制控制、質(zhì)量監(jiān)測、播放監(jiān)控等。該文主要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的概念、模型、特性等內(nèi)容。它是一種新的信息偽裝技術(shù)，是解決數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護問題的有效方法之一。

關(guān)鍵詞:數(shù)字水印;系統(tǒng)模型;應(yīng)用領(lǐng)域;數(shù)字水印算法

中國分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10052-02

Discussion on the Digital Watermark Technology

ZHOU Liang

(Science and Technology Department， Jiujiang University， Jiujiang 332005， China)

Abstract: The digital watermark technology is the important method for the copyright protection. It has widespread application prospect in the multitudinous domains， including copyright protection， content authentication， duplication control， quality monitor， broadcast monitoring and so on. This article mainly introduces the concept， model and characteristic of the digital watermark and so on. It is a new kind of recent information camouflage technology and it is also the effective methods for solving the problems of copyright protection caused by the digital products.

Key words: digital watermark; system model; domain of application; digital watermark algorithm

近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們獲取信息和交流信息變得越來越方便。但是網(wǎng)絡(luò)在給人們帶來便利的同時也暴露了嚴(yán)重的安全問題:作品侵權(quán)更加容易，篡改也更加方便?，F(xiàn)有的版權(quán)保護系統(tǒng)多采用密碼認(rèn)證技術(shù)(例如DVD光盤的安全密碼)，但僅采用密碼并不能完全解決版權(quán)保護問題。

于是數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運而生，數(shù)字水印技術(shù)是保障信息安全的一種普遍有效的技術(shù)手段。這些年來，數(shù)字水印技術(shù)得到了全世界學(xué)術(shù)界和商界的認(rèn)可。國際上有許多機構(gòu)紛紛開展對數(shù)字水印技術(shù)的研究。因此，數(shù)字水印技術(shù)成為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息安全和數(shù)字媒體版權(quán)保護研究的熱點。

1 數(shù)字水印技術(shù)的概念和系統(tǒng)模型

1.1 數(shù)字水印技術(shù)的概念

數(shù)字水印技術(shù)(Digital watermarking)是往多媒體數(shù)據(jù)(如圖像、聲音、視頻等信號)中添加某些數(shù)字信息(水印)而不影響原數(shù)據(jù)的視聽效果，并且這些數(shù)字信息可以部分或全部從混合數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來，以達(dá)到版權(quán)保護等作用。

1.2 數(shù)字水印技術(shù)的系統(tǒng)模型

數(shù)字水印的通用模型包括水印嵌入、水印檢測或提取兩方面。如圖1所示的水印嵌入過程是將水印嵌入到作品中。圖2所示為一般水印檢測系統(tǒng)。輸入端為加入水印的作品、密鑰以及原始作品或原始水印。輸出端則輸出恢復(fù)的水印或檢測恢復(fù)水印與原始水印相似程度的結(jié)果。

2 數(shù)字水印的特性

嵌入數(shù)字多媒體中的信息必須具有以下基本特性才可以稱得上是數(shù)字水印。

1) 不可感知性:指向數(shù)字作品中嵌入的數(shù)字水印，是利用人類視覺或聽覺系統(tǒng)的特征，經(jīng)過一系列隱藏處理，嵌入的數(shù)字水印不會使得原始數(shù)據(jù)發(fā)生可感知的改變，也不能使得被嵌入的水印引起人的感知。

2) 安全性:數(shù)字水印中的信息應(yīng)該是安全的，難以被偽造。數(shù)字水印系統(tǒng)使用一個或多個密鑰來確保安全，防止修改和擦除水印。信息被隱藏在多媒體內(nèi)容中，并不因文件格式轉(zhuǎn)換而丟失，且未經(jīng)授權(quán)者不能檢測出水印。

3) 魯棒性:魯棒性也叫穩(wěn)健性，是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別。

4) 可證明性:數(shù)字水印技術(shù)能為受版權(quán)保護的信息產(chǎn)品的歸屬者提供完全可靠的證據(jù)。數(shù)字水印可以使已經(jīng)注冊用戶的號碼、產(chǎn)品標(biāo)志或者有意義的文字等嵌入到被保護的對象中，在需要時候可以將其提取出來，判斷數(shù)據(jù)是否收到保護，并能夠監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播以及非法復(fù)制，進行真?zhèn)舞b別等。這實際上也是發(fā)展水印技術(shù)的基本動力。

5) 不可檢測性:指嵌入水印后的數(shù)據(jù)與原始載體數(shù)據(jù)具有一致的特性。使非法攔截者無法判斷是否有隱藏信息。

6) 無歧義性:恢復(fù)出的水印或水印判決的結(jié)果能夠為作品的所有者提供唯一可靠的法力依據(jù)，不會發(fā)生多重所有權(quán)的糾紛。

3 數(shù)字水印的典型算法

近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進步，人們提出了許多有效算法。

1) 最低有效位方法(Least Significant Bit):此算法首先把二維水印信號按象素點逐一插入到原始圖像象素值的最低有效位(LSB)，所以這種算法也被稱為LSB算法。由于水印信號被安排在了最低位上，它是不可見的，但是基于同樣的原因，它可以輕易地被移去，因此也是不穩(wěn)健的。

2) Patchwork算法:此算法是一種基于統(tǒng)計的數(shù)字水印嵌入方法。在Patchwork算法中，一個密鑰用來初始化一個偽隨機數(shù)發(fā)生器，而這個偽隨機數(shù)發(fā)生器將產(chǎn)生載體中放置水印的位置。該算法首先隨機選取N對象素點，然后通過增加象素對中一個點的亮度值，而相應(yīng)降低另一個點的亮度值的調(diào)整來隱藏信息。

3) 壓縮域算法:基于JPEG、JPEG2000、MPEG-2、MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應(yīng)地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行。

4) NEC算法:該算法由NEC實驗室的COX等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機序列，其次對圖像做DCT變換，最后用偽隨機高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。

5) 生理模型算法:這種算法主要是利用視覺模型與其它算法相結(jié)合，還有基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域算法，不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的使用價值，不足之處是該算法人工實驗花費高。

4 數(shù)字水印的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1) 版權(quán)保護:計算機技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字產(chǎn)品的拷貝非常容易，數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護是當(dāng)前的熱點問題。數(shù)字作品包括數(shù)字圖像、圖形、音樂、視頻、計算機軟件等。數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布他的水印版本作品。

2) 隱藏標(biāo)識和安全通信:數(shù)字水印用于隱藏標(biāo)識時，水印本身攜帶標(biāo)識信息，可在醫(yī)學(xué)、制圖、數(shù)字成像、數(shù)字圖像監(jiān)控、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應(yīng)用。

3) 篡改提示:當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)時，常需要確定它們的內(nèi)容是否被篡改、什么位置被篡改、篡改的強度如何、以及如何修復(fù)等。通常采用脆弱的水印來標(biāo)定篡改的位置或強度，這樣的水印必須是全局的，并且對一個地方的破壞不影響其他地方水印的提取。

4) 使用控制:在數(shù)字產(chǎn)品的商業(yè)體系中，大家都希望有一種拷貝保護體制，可以用水印保護來約束數(shù)據(jù)的拷貝。例如一個帶有防拷貝功能的移動存儲器，不能拷貝帶有表示“禁止拷貝”涵義的水印的數(shù)字產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

數(shù)字水印正處在蓬勃發(fā)展的過程中，掌握其發(fā)展方向?qū)ρ芯繑?shù)字水印技術(shù)有著重要的意義，今后數(shù)字水印的技術(shù)研究將側(cè)重于提高數(shù)字水印算法的穩(wěn)健性、安全性、研究其在實際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用及作用。在信息化時代的今天，數(shù)字水印技術(shù)的研究具有重要的意義，數(shù)字水印技術(shù)將對保護各種形式的數(shù)字產(chǎn)品起到重要的作用。

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