數(shù)字水印技術(shù)綜述

陳 忻

（中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 陜西 西安 710086）

1 什么是數(shù)字水印

所謂數(shù)字水?。―igital Watermark）技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記，這種標(biāo)記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。比如我們通過一定的算法，在圖像、視頻、音頻等多媒體數(shù)據(jù)中嵌入一個(gè)可以標(biāo)示其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水印信息。水印信息可以是文字、商標(biāo)、印章或序列號(hào)等可以識(shí)別作品的作者、來源、版本、擁有者、發(fā)行人或合法使用人對數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)。水印信息通過特殊的方式，可以從宿主信號(hào)中提取出水印或是檢測出它的存在性。這樣的水印不占用額外的帶寬，是原始數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并且它可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而存活下來。

2 數(shù)字水印的特點(diǎn)

一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)具有以下特征：（1）魯棒性：水印信號(hào)在經(jīng)歷多種無意或有意的信號(hào)處理后，仍能保持其完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別的特性。（2）知覺透明性：數(shù)字水印的嵌入不應(yīng)引起數(shù)字作品的視/聽覺質(zhì)量下降，即不向原始載體數(shù)據(jù)中引入任何可知覺的附加數(shù)據(jù)。（3）水印容量(水印的位率)：數(shù)字水印應(yīng)該能夠包含相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)容量，以滿足多樣化的要求。（4）安全性：水印嵌入過程(嵌入方法和水印結(jié)構(gòu))應(yīng)該是秘密的，數(shù)字水印是統(tǒng)計(jì)上不可檢測的，非授權(quán)用戶無法檢測和破壞水印。對于通過改變水印圖像來消除和破壞水印的企圖，水印應(yīng)該能一直保持存在，直到圖像已嚴(yán)重失真而喪失使用價(jià)值。（5）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低：數(shù)字水印算法應(yīng)該容易實(shí)現(xiàn)。在某些應(yīng)用場合(如視頻水印)，甚至要求水印算法的實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時(shí)性要求。（6）確定性：數(shù)字水印所攜帶的信息能夠被唯一地、確定地鑒別，從而能夠?yàn)橐呀?jīng)受到版權(quán)保護(hù)的信息產(chǎn)品提供完全和可靠的所有權(quán)歸屬證明的證據(jù)。

3 數(shù)字水印的分類

數(shù)字水印按照嵌入的位置可分為空域數(shù)字水印、變換域數(shù)字水印；按照水印的檢測方式可分為私有水印、半私有水印和公開水?。话凑账〉目构裟芰煞譃橐讚p水印、魯棒水??；按照水印的選取形式可分為序列水印、標(biāo)識(shí)信息水印、標(biāo)志圖像水??；按照水印的可見性可分為可見水印、不可見水??；按照載體數(shù)據(jù)的性質(zhì)可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印等等。

4 數(shù)字水印的基本原理

數(shù)字水印包含兩個(gè)基本方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測。水印可由多種模型構(gòu)成，如隨機(jī)數(shù)字序列、數(shù)字標(biāo)識(shí)、文本以及圖像等。從魯棒性和安全性考慮，常常需要對水印進(jìn)行隨機(jī)化以及加密處理。數(shù)字水印技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字水印技術(shù)的基本原理

圖2 水印信號(hào)嵌入模型

圖3 水印信號(hào)監(jiān)測模型

圖2表示了一個(gè)通用水印的嵌入過程。給定一幅圖象，一個(gè)標(biāo)志 ，以及一個(gè)密鑰 (通常是一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的種子)，植入過程可以被定義為如下形式的映射，并且這適用于所有的水印植入方法。

5 數(shù)字水印的常見算法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）空間域算法：基本思想是直接將水印信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，通常這些位置不影響被嵌入對象基本屬性，從而實(shí)現(xiàn)了水印的隱藏。該類算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，早期的數(shù)字水印算法基本上都屬于該類。但是由于水印嵌入的位置在很大程度上相似，因此水印的魯棒性比較差。（2）變換域算法：基本思想是通過修改多媒體數(shù)據(jù)的變換系有離散余弦變換 (DCT)、離散小波變換(DWT)、離散傅立葉變換(DFF)、矢量變換等。變換域算法因其不可見性和魯棒性好成為當(dāng)前研究的主流，出現(xiàn)了較多基于DCT的優(yōu)秀算法：而基于DWT產(chǎn)生的水印因具有良好的視覺效果和抵抗多種攻擊的能力成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和未來最重要的方向。（3）壓縮域算法：基本思想是將水印信息嵌入壓縮后的數(shù)據(jù)流或索引中。特別是基于JPEG和MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)節(jié)省了完全解碼和重新編碼過程，因而在數(shù)字電視廣播和VOD中具有很大的實(shí)用價(jià)值。

除了以上數(shù)字水印算法外，還有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法、基于融合的水印算法、生理模型算法等。

6 數(shù)字水印算法的評價(jià)

數(shù)字水印算法的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下三種：（1）容量：數(shù)字水印系統(tǒng)中的容量是指當(dāng)存在攻擊時(shí)衣服數(shù)字作品所能加載的最大信息量。容量越大，所含版權(quán)信息越多，不可見性會(huì)隨之下降。（2）保真度：保真度是衡量數(shù)字作品在處理前后相似性的度量，即含水印作品和原始作品是不可區(qū)分的。目前使用的評價(jià)準(zhǔn)則有信噪比SNR、峰值信噪比PSNR和均方差MSE等。其中MSE最簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對圖像的感知質(zhì)量進(jìn)行低估或高估；SNR和PSNR是最通用的評價(jià)指標(biāo)，其從一定程度上反映了作品處理前后的變化情況。（3）魯棒性：魯棒性是指水印算法在經(jīng)過有意或無意的攻擊后，仍能夠檢測到水印的能力。水印算法的魯棒性可以用歸一化相關(guān)NC和誤碼率BER來度量。NC主要用來判斷提取的水印與嵌入的水印是否一致，NC值越大越好；BER是指錯(cuò)誤解碼占所有信息的比率，BER值越小越好。

7 數(shù)字水印的應(yīng)用

常見的數(shù)字水印應(yīng)用有以下幾種：（1）版權(quán)保護(hù)：在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，數(shù)字作品的銷售過程給盜版或篡改提供了可乘之機(jī)，版權(quán)保護(hù)越顯重要。作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生水印，并將其嵌入到原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布其作品。當(dāng)該作品出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者可從被盜版作品中獲取水印來 作為保護(hù)其合法權(quán)益的依據(jù)。版權(quán)保護(hù)是數(shù)字水印應(yīng)用的一個(gè)很大的方面。（2）廣播監(jiān)視：在我國，廣播電視具有不可替代的作用，然而近年來一些邪教組織多次在有線電視網(wǎng)上非法插入反動(dòng)或黃色節(jié)日，破壞合法節(jié)目的正常播出，直接威脅國家的安定。將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于節(jié)目檢測系統(tǒng)，就是一個(gè)行之有效的方法。這種方法在人無感知的情況下，將水印通過特定的算法嵌入到節(jié)日中，在播放終端播出前，提取水印信息進(jìn)行驗(yàn)證，并去掉水印，以確保原內(nèi)容還原播出。全過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，效率高，實(shí)時(shí)性好，安全可靠。（3）票據(jù)防偽：高質(zhì)量圖像I／O設(shè)備的發(fā)展使得貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變得更加容易。數(shù)字水印技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見的認(rèn)證標(biāo)識(shí)，從而大大增加了偽造的難度。（4）聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識(shí)：數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價(jià)值，如衛(wèi)星圖像的拍攝日期。沒有標(biāo)識(shí)信息的數(shù)據(jù)有時(shí)甚至無法使用，但直接將這些信息標(biāo)記在原文件上又很危險(xiǎn)，數(shù)字水印技術(shù)提供了一種隱藏標(biāo)識(shí)的方法。標(biāo)識(shí)信息在原文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。（5）隱蔽通信：數(shù)字水印利用聲像信號(hào)相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進(jìn)行各種信息隱藏，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。基于水印技術(shù)的隱蔽通信較之用密碼加密的方法進(jìn)行保密通信的最大的優(yōu)點(diǎn)是，除通信雙方以外的任何第三方都不知道秘密通信，這使得加密機(jī)制從“看不懂”變?yōu)椤翱床灰姟?，不?huì)成為好事者的攻擊目標(biāo)。

7 結(jié)論

數(shù)字水印是近幾年來國際學(xué)術(shù)界興起的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，作為在信息時(shí)代下進(jìn)行數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的新技術(shù)，它可以確定版權(quán)所有者，識(shí)別購買者或者提供關(guān)于數(shù)字內(nèi)容的其他附加信息，并將這些信息以人眼不可見的形式嵌入在多媒體信息中。在數(shù)字水印技術(shù)中，水印嵌入算法一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而對不可見的魯棒水印和嵌入噪聲的水印的研究，都是最常見的課題。變換域比空域應(yīng)用得更多更廣，尤其是基于DCT變換的算法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但最近基于小波變換的嵌入算法因其具有多重分辨率的特點(diǎn)，而日益變得流行起來。由于目前數(shù)字水印技術(shù)難以解決串謀攻擊、機(jī)會(huì)攻擊以及解釋攻擊問題，使得數(shù)字水印在版權(quán)保護(hù)、訪問與拷貝控制、數(shù)字指紋等方面的應(yīng)用受到了很大的限制，許多研究者正致力于上述問題的解決。另外，對數(shù)字水印算法的可靠性和性能的評價(jià)需要有更標(biāo)準(zhǔn)的方法，水印理論也需要更加完善，可以預(yù)見數(shù)字水印技術(shù)將很可能成為多媒體安全領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)。

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