數字水印技術綜述

劉濤

（鄭州師范學院 信息技術系，河南 鄭州 450044）

1 數字水印的研究背景及現狀

當前的信息安全技術基本上都是以密碼學理論為基礎，無論是采用傳統密鑰系統還是公鑰系統，其保護方式都是控制文件的存取，即將文件通過某種加密技術加密成密文[1]，使非法用戶不能解讀。但隨著計算機計算能力的提高，這種通過不斷增加密鑰長度來提高系統密級的方法變得越來越不安全。另外，多媒體技術已被廣泛應用，需要進行加密、認證和版權保護的聲像數據也越來越多。數字化的聲像數據從本質上說就是數字信號，如果對這類數據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密碼學的技術路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數據進行隱藏加密，并將該技術用于制作多媒體的“數字水印”。

隨著技術信息交流的加快和水印技術的迅速發展，國內一些研究單位也已逐步從技術跟蹤轉向深入地、系統地研究，各大研究所和高校紛紛投入到數字水印的研究，其中比較有代表性的有哈爾濱工業大學的孫圣和、牛夏牧、陸哲明等，天津大學的張春田、蘇育挺等，北京郵電大學的楊義先、鈕心忻等，中國科學院自動化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等，他們是國內較早投入到水印技術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，從而為國內的信息安全產業提供了有效的、可靠的保障。

目前數字水印技術已經成為一個非常活躍的研究領域。現有的數字水印技術包括空域數字水印算法、變換域數字水印算法、基于奇異值分解的算法及基于人眼視覺系統的水印算法等。空域數字水印算法中的最低有效位方法（LSB法）[2]，該方法利用源數據的最低幾位來隱藏信息（具體多少位，以人的視覺，聽覺系統無法察覺為原則）。Schyndel的文章是第一篇在重要國際會議上發表的關于數字水印的文章[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。空域數字水印算法是比較早期的數字水印算法，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等人提出的擴展頻譜算法[4]，首次明確提出了水印信息應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字水印算法，奇異值分解算法的主要思想是將原始圖像進行奇異值分解[5]，然后將水印信息嵌入到較大的奇異值中。Christine I.Podilchuk等在DCT域和小波變換域內進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度，最大可能地避免了對圖像視覺質量的破壞，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字水印算法[6]，該算法采用YIQ色彩空間進行水印的嵌入，并通過計算JND閾值對小波系數進行量化，以獲得更好的魯棒性。

2 數字水印的概念和基本原理

數字水印就是指嵌入到被保護對象 (如靜止圖像、視頻、音頻等)中的某些能夠證明其版權歸屬的數字信息，可以是作者的姓名、序列號、公司標志等等。數字水印是攜帶所有者版權信息的一組辨別數據。數字水印被永久地嵌入到多媒體數據中用于版權保護并檢查數據是否被破壞。通常我們討論的水印系統由水印嵌入系統和水印檢測系統組成，其中嵌入系統有兩個輸入，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。水印檢測系統則檢測出作品中是否嵌有水印或嵌入何種水印。

一般數字水印系統的通用模型包括嵌入和檢測(提取)兩個階段。數字水印的嵌入階段，嵌入算法的嵌入目標是使數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)階段主要是設計一個相應于嵌入過程的檢測(提取)算法。檢測算法一般是以基于統計原理的檢驗結果來判斷水印存在與否，它的目標是使錯判與漏判的概率盡量小。提取算法通過提取出水印(如字符串或圖標等)并與原始水印進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

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'，則內嵌過程可定義為映射：I×K×W→I'。

圖1 數字水印嵌入方案

2.2 水印的恢復系統

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 數字水印恢復方案

3 數字水印的特性

不同的應用對數字水印的要求不盡相同，一般認為數字水印應具有如下特性：

3.1 安全性

水印應能為受到版權保護的信息產品的歸屬提供完全可靠的證據。水印算法能夠將所有者的有關信息（如注冊的用戶號碼、產品標志或有意義的文字等）嵌入到被保護的對象中，并在需要的時候將這些信息提取出來。水印可以用來判別對象是否受到保護，并能夠監視被保護數據的傳播、真偽鑒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，即指因嵌入水印導致載體數據的變化對于觀察者的視覺或聽覺系統來講應該是不可察覺的，最理想的情況是水印與原始載體在視覺上是一模一樣的，這是絕大多數水印算法所應達到的要求。

3.3 魯棒性

魯棒性是指水印應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、掃描與復印、噪聲污染、尺寸變換等等）。顯然在經過這些操作后，魯棒的水印算法應仍能從水印載體中提取出嵌入的水印或證明水印的存在。一個魯棒的水印應做到若攻擊者試圖刪除水印將會導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容價值。由于水印特性的要求對應用的依賴型很強，以上特性并非所有水印系統都必須滿足，恰當的評價準則和具體的應用有關。

4 結束語

數字水印技術是目前研究的熱點，隨著網絡和多媒體數字信息的發展，用于信息安全的數字水印技術得到了廣泛的發展。本文詳細地闡述了數字水印的研究背景、研究現狀、基本概念、基本原理、特性等方面基本理論，務求對該技術有較全面的了解。

[1]呂欣，馬智，馮登國.安全隱寫系統的信息理論分析.計算機科學,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]易學良，石躍祥.基于圖像加密和奇異值分解的數字水印算法.計算機工程與應用，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字水印技術.計算機科學，2008，35(11)：203-206.