淺析圖像工程領域的數字水印嵌入和檢測

【摘 要】 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。

【關鍵詞】 數字水印 魯棒性 數/模與模/數轉換

隨著信息時代的到來，特別是Internet的普及，信息的安全保護問題日益突出。當前的信息安全技術基本上都以密碼學理論為基礎，無論是采用傳統的密鑰系統還是公鑰系統，其保護方式都是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀。但隨著計算機處理能力的快速提高，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。

另一方面，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。最近幾年，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”。

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。嵌入數字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數字水印： 隱蔽性：在數字作品中嵌入數字水印不會引起明顯的降質，并且不易被察覺。隱藏位置的安全性：水印信息隱藏于數據而非文件頭中，文件格式的變換不應導致水印數據的丟失。魯棒性：所謂魯棒性是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程后，數字水印仍能保持完整性或仍能被準確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數/模與模/數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。

在數字水印技術中，水印的數據量和魯棒性構成了一對基本矛盾。從主觀上講，理想的水印算法應該既能隱藏大量數據，又可以抗各種信道噪聲和信號變形。然而在實際中，這兩個指標往往不能同時實現，不過這并不會影響數字水印技術的應用，因為實際應用一般只偏重其中的一個方面。如果是為了隱蔽通信，數據量顯然是最重要的，由于通信方式極為隱蔽，遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小，因而對魯棒性要求不高。但對保證數據安全來說，情況恰恰相反，各種保密的數據隨時面臨著被盜取和篡改的危險，所以魯棒性是十分重要的，此時，隱藏數據量的要求居于次要地位。

“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，又達到了版權保護的目的。目前，用于版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其“數字圖書館”軟件中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。 數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經/緯度等。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。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。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像數據庫所采用。此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到“移花接木”而不為人知，因此，如何防范對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。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。

通用的水印技術包含兩個方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測：