現代數字水印技術的發展與應用研究

摘要 對數字水印技術的基本原理、實現方法及其發展與應用進行闡述，同時對數字水印的各種算法進行綜述，最后指出數字水印在今后的發展動向與研究方向。

關鍵詞 信息安全；數字水印；發展應用

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2008）20-0126-02

1 引言

隨著現代數字技術和因特網的飛速發展，數字媒體（包括圖像、音頻、視頻）得到了廣泛的應用與傳播，信息媒體的數字化為信息的存取與傳輸提供了極大的方便，但同時也使得信息傳播中的信息安全問題和數字產品的版權保護問題越來越成為一個需要解決的重要問題。數字水印( Digital Watermark)技術作為信息隱藏技術研究領域的重要分支，是實現多媒體版權保護與信息完整性保證的有效方法，目前也正成為信息領域的一個研究熱點。

2 數字水印技術概述

2.1 數字水印基本概念數字水印技術是將與多媒體內容相關或不相關的一些標示信息直接嵌入多媒體內容當中，但不影響原內容的使用價值，并不容易被人的知覺系統覺察或注意到的一種數字媒體安全技術。通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，可以達到確認內容創建者、購買者，或者是否真實完整的目的。

2.2 數字水印的基本原理數字水印算法主要包含兩個方面，水印的嵌入（圖1）和水印的提取或檢測（圖2）。設原始信息為I，水印為W，密鑰為K，處理后的水印為W′，由函數F決定：W′=F( I，W，K)。一般函數F是非可逆的。在水印嵌入過程中，設有編碼函數E，隱藏水印的信息I′，那么I′可以表示為：I′=( I，W′)。

若將水印提取過程定義為解碼D過程，則輸出是一個判斷水印是否存在的0-1決策，或是包含各種信息的數據流(如文本、圖像等)。設已知原始信息為I，有版權疑問的帶檢測信息I″，則有：W*=D(I″，I)或者：，其中W*為提取出的數字水印，K為密鑰，函數C為相關檢測，σ為決策閥值[1]。

2.3 數字水印的基本算法

1）空域算法。該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的像素位 (LSB，least significant bits)上。

2）Patchwork算法。方法是隨機選擇N對像素點(ai，bi)，然后將每個ai點的亮度值加1，每個bi點的亮度值減1，這樣整個圖像的平均亮度保持不變。適當地調整參數，Patchwork方法對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。

3）變換域算法。該類算法中，大部分水印算法采用擴展頻譜通信技術。

4）壓縮域算法。基于JPEG、MPEG標準的壓縮域數字水印系統不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實用價值。

5）NEC算法。首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列，其次對圖像做DCT變換，最后用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖像除直流(DC)分量外的1 000個最大的DCT系數。

6）生理模型算法。該模型不僅被多媒體數據壓縮系統利用，同樣可以供數字水印系統利用[2]。

3 數字水印的應用

隨著數字水印技術的發展，數字水印的應用領域也得到擴展。數字水印的基本應用領域是版權保護、隱藏標識、認證和安全不可見通信，以下幾個引起普遍關注的問題構成數字水印的研究背景[3]。

3.1 數字作品的知識產權保護由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不采用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。“數字水印”利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又可以達到版權保護的目的。

3.2 商務交易中的票據防偽數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加偽造的難度。

3.3 證件真偽鑒別信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有各種學歷證書、資格證書等。

3.4 聲像數據的隱藏標識和篡改提示數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。基于數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。

3.5 隱蔽通信及其對抗數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起許多國家的重視[4]。

4 數字水印的發展

數字水印的提出是在20世紀90年代，隨著計算機和網絡技術的飛速發展，該技術已得到長足的成長，并將繼續進一步深入發展。數字水印今后的主要研究方向是以下幾個方面：水印基本原理和評價方法的研究、現有水印算法分析、基于特征的數字水印技術、公鑰數字水印系統及數字水印代理。

目前，其他的數字水印技術研究得比較少，如對基于圖形、矢量圖和動畫等媒體的數字水印技術。

5 結論

數字化和網絡化技術的迅速發展，一方面為實現信息高速無失真的傳播和靈活的編輯、修改提供了便利的手段；另一方面也對數字化產品的版權保護和多媒體數據庫的安全管理提出嚴峻的挑戰[5]。作為信息隱藏領域的一個重要分支——數字水印技術，為多媒體信息安全、版權保護和產品防偽無疑提供了一種有效的手段和強大的、潛在的應用市場。相信隨著數字水印技術的提高，數字水印一定會在知識產權的保護及信息安全等方面發揮更大的作用。

參考文獻

[1]王朔中，張新鵬，張開文.數字密寫和密寫分析[M].北京:清華大學出版社，2005:223-235

[2]Katzenbeisser S， Petitcolas A P F.信息隱藏技術——隱寫術與數字水印[M].北京:人民郵電出版社，2001:145-148

[3]孫圣和，陸哲明，牛夏牧，等.數字水印技術及應用[M].北京:科學出版社，2004:578

[4]Wayner P.Disappearing Cryptography Information Hiding：Steganography Watermarking[M].北京:電子工業出版社，2003:23-35

[5]G1 Voyatzis， I1 Pitas1.The use of watermarks in the protection of digital multimedia products[C]Proceedings of the IEEE，1999，87(7):1 197-1 207