數字水印技術綜述

陳 忻

（中國人民武裝警察部隊工程大學 陜西 西安 710086）

1 什么是數字水印

所謂數字水印（Digital Watermark）技術是指用信號處理的方法在數字化的多媒體數據中嵌入隱蔽的標記，這種標記通常是不可見的，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、音頻等多媒體數據中嵌入一個可以標示其知識產權的水印信息。水印信息可以是文字、商標、印章或序列號等可以識別作品的作者、來源、版本、擁有者、發行人或合法使用人對數字產品的擁有權。水印信息通過特殊的方式，可以從宿主信號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，是原始數據不可分離的一部分，并且它可以經歷一些不破壞源數據使用價值或商用價值的操作而存活下來。

2 數字水印的特點

一般認為數字水印應具有以下特征：（1）魯棒性：水印信號在經歷多種無意或有意的信號處理后，仍能保持其完整性或仍能被準確鑒別的特性。（2）知覺透明性：數字水印的嵌入不應引起數字作品的視/聽覺質量下降，即不向原始載體數據中引入任何可知覺的附加數據。（3）水印容量(水印的位率)：數字水印應該能夠包含相當的數據容量，以滿足多樣化的要求。（4）安全性：水印嵌入過程(嵌入方法和水印結構)應該是秘密的，數字水印是統計上不可檢測的，非授權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，水印應該能一直保持存在，直到圖像已嚴重失真而喪失使用價值。（5）實現復雜度低：數字水印算法應該容易實現。在某些應用場合(如視頻水印)，甚至要求水印算法的實現滿足實時性要求。（6）確定性：數字水印所攜帶的信息能夠被唯一地、確定地鑒別，從而能夠為已經受到版權保護的信息產品提供完全和可靠的所有權歸屬證明的證據。

3 數字水印的分類

數字水印按照嵌入的位置可分為空域數字水印、變換域數字水印；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印；按照水印的抗攻擊能力可分為易損水印、魯棒水印；按照水印的選取形式可分為序列水印、標識信息水印、標志圖像水印；按照水印的可見性可分為可見水印、不可見水印；按照載體數據的性質可以將數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 數字水印的基本原理

數字水印包含兩個基本方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測。水印可由多種模型構成，如隨機數字序列、數字標識、文本以及圖像等。從魯棒性和安全性考慮，常常需要對水印進行隨機化以及加密處理。數字水印技術的基本原理如圖1所示。

圖1 數字水印技術的基本原理

圖2 水印信號嵌入模型

圖3 水印信號監測模型

圖2表示了一個通用水印的嵌入過程。給定一幅圖象，一個標志 ，以及一個密鑰 (通常是一個隨機數發生器的種子)，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 數字水印的常見算法及評價標準

（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據中，通常這些位置不影響被嵌入對象基本屬性，從而實現了水印的隱藏。該類算法實現比較簡單，早期的數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據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前研究的主流，出現了較多基于DCT的優秀算法：而基于DWT產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前研究的熱點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據流或索引中。特別是基于JPEG和MPEG標準的壓縮域數字水印系統節省了完全解碼和重新編碼過程，因而在數字電視廣播和VOD中具有很大的實用價值。

除了以上數字水印算法外，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 數字水印算法的評價

數字水印算法的評價標準主要有以下三種：（1）容量：數字水印系統中的容量是指當存在攻擊時衣服數字作品所能加載的最大信息量。容量越大，所含版權信息越多，不可見性會隨之下降。（2）保真度：保真度是衡量數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分的。目前使用的評價準則有信噪比SNR、峰值信噪比PSNR和均方差MSE等。其中MSE最簡單，但在實際應用中會對圖像的感知質量進行低估或高估；SNR和PSNR是最通用的評價指標，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是指錯誤解碼占所有信息的比率，BER值越小越好。

7 數字水印的應用

常見的數字水印應用有以下幾種：（1）版權保護：在網絡時代，數字作品的銷售過程給盜版或篡改提供了可乘之機，版權保護越顯重要。作品的所有者可用密鑰產生水印，并將其嵌入到原始數據，然后公開發布其作品。當該作品出現版權糾紛時，所有者可從被盜版作品中獲取水印來 作為保護其合法權益的依據。版權保護是數字水印應用的一個很大的方面。（2）廣播監視：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上非法插入反動或黃色節日，破壞合法節目的正常播出，直接威脅國家的安定。將數字水印技術應用于節目檢測系統，就是一個行之有效的方法。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日中，在播放終端播出前，提取水印信息進行驗證，并去掉水印，以確保原內容還原播出。全過程由計算機自動控制，效率高，實時性好，安全可靠。（3）票據防偽：高質量圖像I／O設備的發展使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標識，從而大大增加了偽造的難度。（4）聲像數據的隱藏標識：數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如衛星圖像的拍攝日期。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些信息標記在原文件上又很危險，數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法。標識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：數字水印利用聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種信息隱藏，從而實現隱蔽通信。基于水印技術的隱蔽通信較之用密碼加密的方法進行保密通信的最大的優點是，除通信雙方以外的任何第三方都不知道秘密通信，這使得加密機制從“看不懂”變為“看不見”，不會成為好事者的攻擊目標。

7 結論

數字水印是近幾年來國際學術界興起的一個前沿研究領域，作為在信息時代下進行數字產品版權保護的新技術，它可以確定版權所有者，識別購買者或者提供關于數字內容的其他附加信息，并將這些信息以人眼不可見的形式嵌入在多媒體信息中。在數字水印技術中，水印嵌入算法一直都是人們關注的焦點，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。變換域比空域應用得更多更廣，尤其是基于DCT變換的算法已經得到了廣泛的應用。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，而日益變得流行起來。由于目前數字水印技術難以解決串謀攻擊、機會攻擊以及解釋攻擊問題，使得數字水印在版權保護、訪問與拷貝控制、數字指紋等方面的應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，對數字水印算法的可靠性和性能的評價需要有更標準的方法，水印理論也需要更加完善，可以預見數字水印技術將很可能成為多媒體安全領域的技術基礎。

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