數(shù)字水印技術(shù)綜述

劉濤

（鄭州師范學(xué)院 信息技術(shù)系，河南 鄭州 450044）

1 數(shù)字水印的研究背景及現(xiàn)狀

當(dāng)前的信息安全技術(shù)基本上都是以密碼學(xué)理論為基礎(chǔ)，無論是采用傳統(tǒng)密鑰系統(tǒng)還是公鑰系統(tǒng)，其保護(hù)方式都是控制文件的存取，即將文件通過某種加密技術(shù)加密成密文[1]，使非法用戶不能解讀。但隨著計算機(jī)計算能力的提高，這種通過不斷增加密鑰長度來提高系統(tǒng)密級的方法變得越來越不安全。另外，多媒體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)行加密、認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的聲像數(shù)據(jù)也越來越多。數(shù)字化的聲像數(shù)據(jù)從本質(zhì)上說就是數(shù)字信號，如果對這類數(shù)據(jù)也采用密碼加密方式，則其本身的信號屬性就被忽略了。近年來，許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密，并將該技術(shù)用于制作多媒體的“數(shù)字水印”。

隨著技術(shù)信息交流的加快和水印技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)一些研究單位也已逐步從技術(shù)跟蹤轉(zhuǎn)向深入地、系統(tǒng)地研究，各大研究所和高校紛紛投入到數(shù)字水印的研究，其中比較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫圣和、牛夏牧、陸哲明等，天津大學(xué)的張春田、蘇育挺等，北京郵電大學(xué)的楊義先、鈕心忻等，中國科學(xué)院自動化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等，他們是國內(nèi)較早投入到水印技術(shù)研究且取得較好成績的科研人員。國家863、973等項目也都包含水印的研究項目，從而為國內(nèi)的信息安全產(chǎn)業(yè)提供了有效的、可靠的保障。

目前數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)成為一個非?；钴S的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)有的數(shù)字水印技術(shù)包括空域數(shù)字水印算法、變換域數(shù)字水印算法、基于奇異值分解的算法及基于人眼視覺系統(tǒng)的水印算法等?？沼驍?shù)字水印算法中的最低有效位方法（LSB法）[2]，該方法利用源數(shù)據(jù)的最低幾位來隱藏信息（具體多少位，以人的視覺，聽覺系統(tǒng)無法察覺為原則）。Schyndel的文章是第一篇在重要國際會議上發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章[3]，算法有較好的不可視性，不過可以輕易地移去水印，魯棒性差?？沼驍?shù)字水印算法是比較早期的數(shù)字水印算法，這些方法抵抗JPEG壓縮、噪聲以及剪切等攻擊能力較差。近期的研究主要集中在變換域，變換域算法中最具代表性的是Cox等人提出的擴(kuò)展頻譜算法[4]，首次明確提出了水印信息應(yīng)該嵌入在圖像的視覺敏感部分。奇異值分解的算法是一種新興的數(shù)字水印算法，奇異值分解算法的主要思想是將原始圖像進(jìn)行奇異值分解[5]，然后將水印信息嵌入到較大的奇異值中。Christine I.Podilchuk等在DCT域和小波變換域內(nèi)進(jìn)行水印嵌入和提取時，利用JND模型控制了嵌入水印信號的最大強(qiáng)度，最大可能地避免了對圖像視覺質(zhì)量的破壞，這一方法顯示出了很好的透明性和魯棒性。付德勝、孫文靜提出了一種基于人眼視覺特性和小波變換的彩色圖像數(shù)字水印算法[6]，該算法采用YIQ色彩空間進(jìn)行水印的嵌入，并通過計算JND閾值對小波系數(shù)進(jìn)行量化，以獲得更好的魯棒性。

2 數(shù)字水印的概念和基本原理

數(shù)字水印就是指嵌入到被保護(hù)對象 (如靜止圖像、視頻、音頻等)中的某些能夠證明其版權(quán)歸屬的數(shù)字信息，可以是作者的姓名、序列號、公司標(biāo)志等等。數(shù)字水印是攜帶所有者版權(quán)信息的一組辨別數(shù)據(jù)。數(shù)字水印被永久地嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中用于版權(quán)保護(hù)并檢查數(shù)據(jù)是否被破壞。通常我們討論的水印系統(tǒng)由水印嵌入系統(tǒng)和水印檢測系統(tǒng)組成，其中嵌入系統(tǒng)有兩個輸入，一個是所要嵌入的水印信息，另一個是要嵌入水印的載體作品，輸出為嵌入水印的水印作品。水印檢測系統(tǒng)則檢測出作品中是否嵌有水印或嵌入何種水印。

一般數(shù)字水印系統(tǒng)的通用模型包括嵌入和檢測(提取)兩個階段。數(shù)字水印的嵌入階段，嵌入算法的嵌入目標(biāo)是使數(shù)字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折衷點。檢測(提取)階段主要是設(shè)計一個相應(yīng)于嵌入過程的檢測(提取)算法。檢測算法一般是以基于統(tǒng)計原理的檢驗結(jié)果來判斷水印存在與否，它的目標(biāo)是使錯判與漏判的概率盡量小。提取算法通過提取出水印(如字符串或圖標(biāo)等)并與原始水印進(jìn)行比較以判斷水印是否存在。并且，為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數(shù)水印制作方案都在嵌入、檢測(提取)時采用了密鑰，只有掌握密鑰的人才能讀出水印。

2.1 水印嵌入系統(tǒng)

其功能是把水印信息嵌入到原始圖像中，為了能成功地提取水印信號，算法必須使水印對故意或非故意的襲擊和失真 (相當(dāng)于信道噪聲)具有魯棒性。

圖1為一般的水印嵌入過程，其輸入為原圖像I、水印W、密鑰K(公鑰或私鑰)，輸出為含水印的圖像I'，則內(nèi)嵌過程可定義為映射：I×K×W→I'。

圖1 數(shù)字水印嵌入方案

2.2 水印的恢復(fù)系統(tǒng)

其功能是完成從待檢測圖像中提取出水印信號。圖2描述了一般的水印恢復(fù)過程，其中置信度表明了所考察圖像I'存在水印的可能性。

圖2 數(shù)字水印恢復(fù)方案

3 數(shù)字水印的特性

不同的應(yīng)用對數(shù)字水印的要求不盡相同，一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)具有如下特性：

3.1 安全性

水印應(yīng)能為受到版權(quán)保護(hù)的信息產(chǎn)品的歸屬提供完全可靠的證據(jù)。水印算法能夠?qū)⑺姓叩挠嘘P(guān)信息（如注冊的用戶號碼、產(chǎn)品標(biāo)志或有意義的文字等）嵌入到被保護(hù)的對象中，并在需要的時候?qū)⑦@些信息提取出來。水印可以用來判別對象是否受到保護(hù)，并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等。

3.2 透明性

透明性是指視覺或聽覺上的不可感知性，即指因嵌入水印導(dǎo)致載體數(shù)據(jù)的變化對于觀察者的視覺或聽覺系統(tǒng)來講應(yīng)該是不可察覺的，最理想的情況是水印與原始載體在視覺上是一模一樣的，這是絕大多數(shù)水印算法所應(yīng)達(dá)到的要求。

3.3 魯棒性

魯棒性是指水印應(yīng)該能夠承受大量的物理和幾何失真，包括有意的（如惡意攻擊）或無意的（如圖像壓縮、濾波、打印、掃描與復(fù)印、噪聲污染、尺寸變換等等）。顯然在經(jīng)過這些操作后，魯棒的水印算法應(yīng)仍能從水印載體中提取出嵌入的水印或證明水印的存在。一個魯棒的水印應(yīng)做到若攻擊者試圖刪除水印將會導(dǎo)致水印載體的徹底破壞。

3.4 保真性

保真性是指加入水印后，并不會損害原來的媒體內(nèi)容價值。由于水印特性的要求對應(yīng)用的依賴型很強(qiáng)，以上特性并非所有水印系統(tǒng)都必須滿足，恰當(dāng)?shù)脑u價準(zhǔn)則和具體的應(yīng)用有關(guān)。

4 結(jié)束語

數(shù)字水印技術(shù)是目前研究的熱點，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體數(shù)字信息的發(fā)展，用于信息安全的數(shù)字水印技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。本文詳細(xì)地闡述了數(shù)字水印的研究背景、研究現(xiàn)狀、基本概念、基本原理、特性等方面基本理論，務(wù)求對該技術(shù)有較全面的了解。

[1]呂欣，馬智，馮登國.安全隱寫系統(tǒng)的信息理論分析.計算機(jī)科學(xué),2006，33(6)：140-142.

[2]A.Tirkel,G.A.Rankin,R.Van Schyndel.Electronic watermark.DigitalImage Computing Technology and Application－DICTA 93,Macquarie University,1993,666-673.

[3]R.G.Schyndel, V.A.Z.Tirkel, C.Fosborne. A digital watermark in proceedings.IEEE International Conference Image Processing,Piscataway:IEEE Press,1994,86-89.

[4]I.J.Cox,J.Kilian,T.Leighton,etal.Secure spread spectrum watermarking for images,audio and video.Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing,1996,243-246.

[5]易學(xué)良，石躍祥.基于圖像加密和奇異值分解的數(shù)字水印算法.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41(24)：100-102.

[6]付德勝，孫文靜.一種基于人眼視覺特性和小波變換域的圖像數(shù)字水印技術(shù).計算機(jī)科學(xué)，2008，35(11)：203-206.