基于小波變換的數(shù)字水印技術的研究\t

一、國內外研究的現(xiàn)狀

數(shù)字水印的思想源于古老的隱寫術，數(shù)字水印技術是一門信息安全技術屬于隱寫術的范疇，是密碼學的一個分支。20世紀90年代，VanSehyndel在ICIP-94會議上發(fā)表了第一篇被認為是具有歷史價值的關于數(shù)字水印的文章，這是一篇闡明了關于水印的重要概念的題為“Adigitalwatermark”的文章。自此之后，數(shù)字水印技術才真正步入研究階段。

國內學術界研究數(shù)字水印技術的很多，先后已有中科院、清華大學、浙江大學、中山大學、國防科大、哈工大、電子科大、北京電子技術應用研究所等一批有實力的科研機構投入到這一領域。為促進數(shù)字水印以及其他信息隱藏技術的研究和應用，我國于1999年12月召開了第一屆信息隱藏學術研討會。除了大學和工業(yè)界的研究外，以開發(fā)實用的數(shù)字水印技術為目標而開展的研究活動得到了歐洲共同體資助。TALISMAN打算用一個保護數(shù)字產(chǎn)品的標準版權機制來提供歐洲聯(lián)合服務，使其避免大規(guī)模的商業(yè)盜版和非法拷貝，期望得到一個通過數(shù)字標記和數(shù)字水印來保護視頻序列的系統(tǒng)。

數(shù)字水印技術橫跨計算機、生理學、密碼學、代數(shù)學等多個學科，涉及到圖像處理技術、多媒體技術、計算機編程、通信理論、編碼理論等多種技術，使得數(shù)字水印技術的研究十分復雜。雖然數(shù)字水印技術得到較快的發(fā)展和較好的完善，但此技術并未完全成熟和普遍推廣，仍有許多亟待解決的問題，數(shù)字水印技術的理論基礎仍然很弱，目前大多系統(tǒng)的設計只是探索性的。無論數(shù)字水印技術的發(fā)展歷程成功與否，它都值得我們去關注，盡管這個問題至今仍不明朗。數(shù)字水印技術仍在發(fā)展，但針對水印的攻擊技術也在發(fā)展，在現(xiàn)實中，切實全面的系統(tǒng)設計對于成功的應用是至關重要的。

二、背景及意義

隨著因特網(wǎng)技術、計算機多媒體技術的迅速發(fā)展，人們可以方便存儲、交換和處理視頻、音頻、圖像和文本等多媒體信息。同時，也引發(fā)了多媒體信息的傳輸安全和數(shù)字產(chǎn)品的版權問題，為解決此類問題，提出了數(shù)據(jù)置亂、數(shù)字信息隱藏、數(shù)字信息分存、加密、數(shù)字水印等技術，其中人們最為關注的是數(shù)字水印技術。利用多媒體數(shù)據(jù)的冗余性，數(shù)字水印技術將某些信號作為隨機噪聲嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，只有在密鑰的控制下通過一定的提取方法，方能將嵌入的信號進行提取和還原。實際應用中，在不影響宿主媒體主觀質量及使用價值的基礎上，將與多媒體內容相關或不相關的一些標識信息直接嵌入到多媒體內容中，且不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意。從而實現(xiàn)隱藏存儲、傳輸、標注、版權保護、身份識別等功能。數(shù)字水印技術有兩個方面的作用，第一，證明作者對作品的所有權。第二通過監(jiān)測和分析數(shù)字產(chǎn)品中所提取的水印，動態(tài)跟蹤數(shù)字產(chǎn)品來保證數(shù)字作品的可靠性和完整性。

總之，數(shù)字產(chǎn)品的版權保護問題和數(shù)字信息的傳輸安全問題是數(shù)字化時代人們亟待解決的問題，解決此類問題最有效、最具潛力的技術就是數(shù)字水印技術，數(shù)字水印是信息隱藏技術研究中的重要發(fā)展方向。隨著數(shù)字水印技術研究的深入，以及人們對數(shù)字水印作用的認識，不久的將來，數(shù)字水印技術必將廣泛應用于Internet網(wǎng)絡視頻、音頻、數(shù)字視頻點播系統(tǒng)、衛(wèi)星數(shù)字視頻傳輸、數(shù)字圖書館、數(shù)字知識產(chǎn)權保護、電子商務、數(shù)字新聞電視廣播、DVD版權保護、加密和安全通信、現(xiàn)代文化藝術和文化遺產(chǎn)的繼承、軍事命令的網(wǎng)絡發(fā)布、軍事地圖和軍事機密的網(wǎng)絡傳輸?shù)阮I域。

三、概念和特點

數(shù)字水印技術是一種信息隱藏技術，其基本思想是通過一定的算法將一些標志性的信息如數(shù)字、序列號、文字、圖像等版權信息嵌入到多媒體內容中，以起到產(chǎn)品標志驗證、數(shù)據(jù)的真?zhèn)舞b別和版權保護等作用。嵌入的水印可以是隨機序列、文字、標識、序列號等。一般來說，水印嵌入到數(shù)字產(chǎn)品之前需要經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，我們稱變換后的信息為數(shù)字水印。

三、基本特性

因用途的不同對數(shù)字水印有不同的要求。因此，數(shù)字水印應該具有以下特征：

（1）魯棒性（Robustness）：可理解為強健性、堅固性、強壯性或穩(wěn)健性。數(shù)字水印的魯棒性指在經(jīng)過多種有意或無意的信號處理時嵌入不能輕易去掉、能準確識別的完整性信息。比如信道噪聲、傳輸、過濾、重新采樣、D/A和A/D轉換、剪切、尺度變化以及有損壓縮等。當他人故意運用不正當手段消除或修改嵌入的水印信息時，將引起水印信息的明顯變化，從而提醒合法的所有者及使用者，達到保護水印信息。不同的數(shù)字水印用途對魯棒性的要求不僅相同，通常情況下能抵抗普通的圖像處理。如果作為版權保護的數(shù)字水印則必須有更強的魯棒性，才能夠抵抗外來的惡意攻擊。

（2）隱蔽性（Imperceptibility）：可理解為難以覺察，感覺不到。隱蔽性是說多媒體產(chǎn)品中嵌入數(shù)字水印而不引起明顯的視覺效果變化，對魯棒和易損的不可見水印來說是一個基本的要求。信號處理的視角下，水印的隱蔽性和魯棒性是相互矛盾的一對特性要求，隱蔽性好了魯棒性就差，隱蔽性弱了魯棒性就強。所以要綜合考慮，在兩者之間進行折。雖然達到這種要求比較困難，但仍可以實現(xiàn)。所謂的不可感知并不是絕對的感覺不到，因為人類的感覺器官是相對而言的并不是特別精密的系統(tǒng)，我們就認為感覺器官所感受不到的細微變化是不可感知的。當兩方面需同時兼顧時，只要在保證“相對”隱蔽的情況下盡量提高水印的魯棒性即可。

（3）安全性（Security）：安全性指即使改變文件得格式水印數(shù)據(jù)也不應丟失，移栽性良好，水印信息不是隱藏于文件中而是數(shù)據(jù)中。

（4）可檢測性（Detectability）：可檢測性指數(shù)字水印信息是可檢測或提取的，如果數(shù)字水印不具備可檢測或提取性，那么數(shù)字水印技術也就失去了自身的意義。數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字水印信息是確認版權歸屬問題上的重要依據(jù)。

（5）無歧義性（Unambiguity）：無歧義性指檢測或提取出的水印信息一定不發(fā)生多重所有權的現(xiàn)象，能強有力的證明所有權的歸屬。水印中嵌入相關的信息(如產(chǎn)品標志、注冊時用戶代碼或有意義的文字等)來保護對象，在必要的時候能夠提取出來此類信息，用以證明產(chǎn)品是否被非法拷貝盜用，鑒定產(chǎn)品是否得到保護，并能夠跟蹤被保護產(chǎn)品數(shù)據(jù)的傳播等。日前，社會上已出現(xiàn)很多算法，使得攻擊者有可能破壞產(chǎn)品中的水印信息而復制出原始圖像，這就導致產(chǎn)品持有者不能拿出有效證據(jù)來證明自己的所有權。所以，好的水印算法能夠提供無異議且完整的版權證明。

（6）通用性（Generality）：通用性在某種程度上意味著易用性。好的水印算法能適用于多種格式的數(shù)字產(chǎn)品。