多媒體信息中數字水印技術的算法研究

摘要:通過對數字水印特征進行分析，闡述數字水印技術的基本原理，分析目前比較流行的水印算法，指出目前水印技術存在的局限并對其發展進行展望。

關鍵詞: 數字水印;媒體信息;信息發布;版權保護;算法研究

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-429-03

Algorithmic Research of the Digital Watermark Technology in the Multimedia Information

DING Ai-ping

(Department of Information Engineering， Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475003， China)

Abstract: Through the analysis of the characteristics of the digital watermark， this paper deals with the basic principle of the digital watermark technology， analyses the currently popular watermark algorithm， points out the limitations in the current watermark technology and expects its development in the future.

Key words: digital watermark; media information; information release; copyright protection; algorithmic research

隨著Internet 的迅猛發展，近幾年來，多媒體信息的發布形式越來越豐富。網絡發布的形式逐漸成為一種重要的形式，伴隨而來的是多媒體數據的版權保護問題。因此，多媒體信息版權保護成了一項重要而緊迫的研究課題。為了解決這一難題，近幾年國際上提出了一種新的有效的數字信息產品版權保護和數據安全維護的技術一一數字水印技術。

數字水印技術通過在原始媒體數據中嵌入秘密信息———水印來證實該數據的所有權歸屬。水印可以?是代表所有權的文字、產品或所有ID、二維圖像、視頻或音頻數據、隨機序列等，主要應用于媒體所有權的認定(即辨認所有權信息、媒體合法用戶信息)，媒體的傳播與算法研究，為實現有效的信息版權保護提供了一種重要的手段。

1 數字水印的基本原理

從圖像處理的角度看，嵌入水印信號可以視為在強背景下迭加一個弱信號，只要迭加的水印信號強度低于人類視覺系統(Human Visual System，HVS)的對比度門限，HVS就無法感到信號的存在。對比度門限受視覺系統的空間、時間和頻率特性的影響，因此通過對原始信號作一定的調整，有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。從數字通信的角度看，水印嵌入可理解為在一個寬帶信道(載體圖像) 上用擴頻通信技術傳輸一個窄帶信號(水印信號)，盡管水印信號具有一定的能量，但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測到的。水印的譯碼(檢測)，即是在有噪信道中弱信號的檢測問題。

一般來說，為了使水印能有效地應用于版權保護中，水印必須滿足以下特性:

1)隱蔽性。水印在通常的視覺條件下應該是不可見的，水印的存在不會影響作品的視覺效果。

2)魯棒性。水印必須很難去掉(希望不可能去掉)。當然，在理論上任何水印都可以去掉，只是要對水印的嵌入過程有足夠的了解，但是如果對水印的嵌入只是部分了解的話，任何破壞或消除水印的企圖都應導致載體嚴重的降質而不可用。

3)抗竄改性。與抗毀壞的魯棒性不同，抗竄改性是指水印一旦嵌入到載體中，攻擊者就很難改變或偽造。魯棒性要求高的應用，通常也需要很強的抗竄改性。在版權保護中，要達到好的抗竄改性是比較困難的。

4)水印容量。嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內容的創建者或所有者的標志信息，或是購買者的序列號。這樣在發生版權糾紛時，創建者或所有者的信息用于標示數據的版權所有者，而序列號用于標示違反協議而為盜版提供多媒體數據的用戶。

5)安全性。應確保嵌入信息的保密性和較低的誤檢測率。水印可以是任何形式的數據(如數值、文本、圖像等)，所有的水印都包含一個水印嵌入系統和水印恢復系統。

6)低錯誤率。即使在不受攻擊或者無信號失真的情況下，也要求不能檢測到水印(漏檢，1 -negative)，以及不存在水印的情況下而檢測到水印(虛檢、1 -positive)的概率必須非常小。

2 數字水印典型算法分析

近幾年來，數字水印技術研究取得了很大的進步，這里對一些典型的算法進行分析。

2.1空間域算法

數字水印直接加載在原始數據上，可以細分為如下幾種方法[1-4]:

1)最低有效位方法(LSB)。

這是一種典型的空間域數據隱藏算法，L. F. Tumer 與R. G. Van Schyadel等先后利用此方法將特定的標記隱藏于數字音頻和數字圖像內。該方法是利用原始數據的最低幾位來隱藏信息(具體取多少位，以人的聽覺或視覺系統無法察覺為原則)。該方法的優點是有較大的信息隱藏量，但采用此方法實現的數字水印很脆弱，無法經受一些無損和有損的信息處理，而且如果確切地知道水印隱藏在幾位LSB中，數字水印很容易被擦除或繞過。

2)Patchwork 方法及紋理塊映射編碼方法。

這兩種方法都是Bender等提出的。Patchwork 是一種基于統計的數字水印，其嵌入方法是任意選擇N對圖像點，在增加一點亮度的同時，降低另一點的亮度值。該算法的隱藏性較好，并且對有損的JPEG和濾波、壓縮和扭轉等操作具有抵抗能力，但僅適用于具有大量任意紋理區域的圖像，而且不能完全自動完成。

2.2 變換域算法

基于變換域的技術可以嵌入大量比特數據而不會導致可察覺的缺陷，往往采用類似擴頻圖像的技術來隱藏數字水印信息。這類技術一般基于常用的圖像變換，基于局部或是全部的變換，這些變換包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅氏變換(FT或FFT)以及哈達馬變換(Hadamard transform)等。

其中基于分塊的DCT是最常用的變換之一，現在所采用的靜止圖像壓縮標準JPEG也是基于分塊DCT的。最早的基于分塊DCT的一種數字水印技術方案是由一個密鑰隨機地選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個三元組以隱藏二進制序列信息。選擇在中頻分量編碼是因為在高頻編碼易于被各種信號處理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺對低頻分量很敏感，對低頻分量的改變易于被察覺。該數字水印算法對有損壓縮和低通濾波是穩健的。另一種DCT數字水印算法[5]是首先把圖像分成8×8的不重疊像素塊，在經過分塊DCT變換后，即得到由DCT系數組成的頻率塊，然后隨機選取一些頻率塊，將水印信號嵌入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數中。該算法是通過對選定的DCT系數進行微小變換以滿足特定的關系，以此來表示一個比特的信息。在水印信息提取時，則選取相同的DCT系數，并根據系數之間的關系抽取比特信息。

除了上述有代表性的變換域算法外，還有一些變換域數字水印方法，它們當中有相當一部分都是上述算法的改進及發展，這其中有代表性的算法是I. Podichuk 和ZengWenjun 提出的算法[6]。他們的方法是基于靜止圖像的DCT變換或小波變換，研究視覺模型模塊返回數字水印應加載在何處及每處可承受的JND(Just Noticeable Difference，恰好可察覺差別)的量值(加載數字水印的強度上限)，這種水印算法是自適應的。

2.3 NEC算法

該算法由NEC實驗室的Cox[5]等人提出，該算法在數字水印算法中占有重要地位。其實現方法是，首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列，該序列具有高斯N(0，1)分布，密鑰一般由作者的標識碼和圖像的哈希值組成，其次對圖像做DCT變換，最后用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個最大的DCT系數。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。

2.4 其他一些水印算法

1)近年來，利用混沌映射模型實現數字水印、保密通信等成為混沌應用研究的熱點。特別是自從Cox等借用通信技術中的擴頻原理將水印信號嵌入到一些DCT變換系數或者多層分解的小波變換系數以來，人們已經提出了一些混沌數字水印方法。水印的嵌入與檢測是基于人類視覺系統(HVS)的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性，折衷水印的不可見性和魯棒性之間的矛盾。結果表明，該方法嵌入的水印具有不可見性和魯棒性，并且這種基于密鑰的混沌水印方法更好的抗破譯性能。

2)目前比較流行的還有一種基于盲水印檢測的DWT算法。該算法首先對原始圖像進行小波變換，根據人類具有的視覺掩蔽特性對低頻分量進行一定的量化，同時可不影響視覺效果，并對作為水印的圖像進行壓縮和二值化處理，形成一維的二值序列，根據二值序列的值對上述量化后的原始信號的低頻分量進行視覺閾值范圍內允許的修改，從而實現水印的嵌入。水印提取過程是對含有水印的圖像進行小波變換，對低頻分量同樣進行量化處理，為了增大算法的安全性，可以對水印形成的二值0，1序列在嵌入前進一步進行偽隨機序列調制，相應地在水印提取過程需要增加用偽隨機序列解調的步驟。這樣，不知道偽隨機序列的攻擊者即使推測出水印的嵌入規律，也無法提取水印，大大增加了水印系統的透明性和魯棒性。

3 水印技術的局限

為了對版權保護中使用水印的成功可能性進行評估，看能否滿足實際應用需求，就需要對水印技術有更多了解。下面研究數字水印方案普遍存在的一些局限。

1)不知道能夠隱藏多少位。盡管非常需要知道指定大小載體信息上可以隱藏多少比特的水印信息，但這個問題還沒有得到圓滿解決。事實上，對給定尺寸的圖像或者給定時間的音頻，可以隱藏信息量的上界，目前還不清楚。對圖像水印，只能說目前使用的算法可以隱藏幾百比特位的水印信息。

2)還沒有真正健壯的盲圖像水印算法。對于圖像水印，魯棒性還是個問題。目前還沒有能夠在經過所有普通圖像處理變換后，仍能幸免的盲水印算法。尤其是能夠抵抗幾何處理的攻擊，被認為是很難實現的目標。

3)所有者能去除標記。迄今為止提出的所有盲圖像水印，實際上都是可逆的。已知水印的準確內容以及水印的嵌入和檢測算法，則總能在沒有嚴重損壞資料的前提下，使水印不可讀取。目前，還不清楚這個缺點在將來還是否存在;同時在設計版權保護系統時，必須考慮如下問題:一旦水印內容已知，則有可能去除水印或者部分水印。

此外，迄今為止提出的水印算法，其可逆性使人們提出極大的疑問，即設計能夠抗篡改的健壯公開水印技術是否可能?事實上，如果允許任何人讀取水印，則任何人只要知道水印嵌入算法，就可以消除水印。

4 結論

隨著電子商務的加速發展和網絡用戶的直線增長，媒體的安全要求將更加迫切，作為版權保護和安全認證的數字水印技術具有極大的商業潛力，作為一門學科交叉的新興應用技術，它的研究涉及了不同學科研究領域的思想和理論，如數字信號處理、圖像處理、信息論、通信理論、密碼學、計算機科學及網絡、算法設計等技術，以及公共策略和法律等問題，是近幾年來國際學術界才興起的一個前沿研究領域，得到了迅速的發展。但數字水印技術仍然是一個未成熟的研究領域，還有很多問題需要解決，其理論基礎依然薄弱。隨著一些先進的信號處理技術和密碼設計思想的引進，必將日趨成熟且得到更為廣泛的發展應用。

參考文獻:

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