數字水印系統相關技術及算法策略

徐其江　劉志雯　劉存桓

摘 要 本文介紹了兩種與水印相關的關鍵技術，一種是本文提出的N點均值技術，它是本文水印算法的核心，用來實現數字水印的嵌入、提取和數據的無損恢復，一種是數字水印預處理技術，用來加強水印系統的安全性。最后，本文概述了本文提出的水印算法策略。

關鍵詞 數字 水印 算法

中圖分類號：TP309.7 文獻標識碼：A

1數字水印系統相關技術

1.1 數字水印預處理技術

現在大多數的文獻都選一幅小的有意義的圖像作為數字水印，顯然這樣的水印相對其它水印更直觀，可是攻擊者一旦獲得了此有意義的圖像水印，就可以直接地了解到水印的內容。因此，有必要提高圖像水印的安全性和穩健性。以下是幾種常用的對有意義水印信號進行預期處理的方法。

（1）數字圖像置亂

置亂技術是隨著信息的安全與保密被重視而發展起來的圖像加密技術。數字圖像置亂是一種加密方法，合法使用者可以自由控制算法的選擇、參數的選擇以及使用隨機數技術，以達到非法使用者無法破解圖像內容的目的。

（2）加密

在實際應用中，如果已嵌入到產品中的水印能夠直觀地表達其版權信息，那么攻擊者一旦提取了從此產品提取到水印信息，就可以很輕松地掌握水印的實際內容。為了盡最大限度地解決這一問題，可以選擇合適的加密算法對水印進行加密，即在水印嵌入產品之前，先對其作加密運算，使之變換為沒有任何意義的偽隨機序列信息，然后再將它嵌入到產品中。因此，將加密技術和數字水印相結合可更進一步提高水印系統的安全性。

一般在水印在嵌入產品前都要對之進行預期處理，這樣大大增加了攻擊者在窮舉猜測攻擊中的難度。水印預處理在數字水印系統安全性方面具有極其重要的作用。

1.2 水印算法策略

1.2.1 水印算法的性能要求

一個數字水印算法的性能要求可以是多方面的，不同的應用的水印有不同的性質要求。通常可以從以下幾個方面來考察：

（1）嵌入容量

嵌入容量是指可以在載體中嵌入多少的水印信息量。一般地，數字產品必須嵌入一定的信息量。信息量太少不足以唯一地確定產品的版權，信息量太多又會增加數據的冗余，降低水印的不可覺察性。

（2）魯棒性

為了滿足數字水印技術在各種應用中的安全需要，提高水印的魯棒性顯得尤為重要。數字水印的魯棒性是指它抵抗水印攻擊的能力，即水印能夠經受各種信號處理的能力。一個數字水印應該能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真，包括有意的或無意的。

（3）保真性

一般地，數字水印系統的保真性指的是待嵌水印載體數據在水印嵌入前后的數據相似度。在水印系統中，保真性和魯棒性以及水印容量之間一般要作折衷的處理。

（4）誤檢率

誤檢率是指從沒有嵌入水印的產品中提取出水印的概率。不同的應用場合要求水印的誤檢率不同。

（5）確定性

數字水印的確定性是指含水印數字產品中所含的水印能夠被唯一的鑒別，即使所含水印的數字產品遭受到一定程度的破壞，提取出的水印仍具有可唯一鑒別性。

一個好的數字水印系統應具備以上五個方面的幾個或全部。

1.2.2 基于N點均值的矢量地圖水印算法

以前的矢量地圖可逆水印算法雖然實現了數據無損修復，但是算法的嵌入容量低、對地圖的保真度差。為了尋求以上兩個問題的解決方案，本文提出了一種基于N點均值技術的矢量地圖水印算法，該算法可以使得矢量地圖的水印嵌入容量有較大提高，也降低了嵌入水印后地圖圖元的擾動。

本文采用的N點均值技術的實施載體是一組具有連續高相似性的實數序列。

（1）本文的水印嵌入算法步驟如下：

①對待加入水印的矢量地圖進行多邊曲線的提取；

②對提取的每條多邊曲線分別進行頂點坐標提取；

③對每條多邊曲線的頂點坐標序列分組；

④為防止嵌入水印信息后引起地圖曲線的較大擾動，對步驟（1）中每條多邊曲線中的分組進行分類（可嵌入水印分組和不可嵌入水印分組）；

⑤采用N點均值技術對每條多邊曲線的每個可嵌入水印分組進行水印嵌入，并且在保證擾動很小的情況下可以對該分組遞歸多次（可無限次）嵌入；

⑥對每條多邊曲線的每個分組重復步驟（5），將水印信息完全嵌入其中。

（2）水印提取前首先需對水印地圖做一系列預處理，去除幾何變換、插入和刪除頂點等操作的影響。水印提取過程為：

①按照水印嵌入算法第（1）步對含水印的矢量地圖進行多邊曲線的提取；

②按照水印嵌入算法第（2）步對提取的每條多邊曲線分別進行頂點坐標提取；

③按照水印嵌入算法第（1）步對矢量地圖中每條多邊曲線進行數據分組劃分。

④按照水印嵌入算法第（4）步對每條多邊曲線中的分組進行分類；

⑤對篩選出的每條多邊曲線中的含水印分組采用N點均值技術，通過比較分組中間點坐標值和分組坐標均值大小進行水印提取；

⑥對每條多邊曲線的同一個分組重復步驟⑤，將水印信息完全提取出來，并在每一次提取水印的過程中利用N點均值技術的可修復性將數據修復。

2本文小結

本文主要對矢量地圖數字水印的相關技術進行了介紹，給出了本文提出的N點均值公式，并對水印預處理技術進行了詳細闡述。本文還指出了目前矢量地圖可逆水印算法中存在的不足，并提出了一種新的可逆水印方案。