關(guān)于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)與應(yīng)用

曹源

【摘要】 在信息時代，為了保護(hù)數(shù)字媒體的信息安全與知識產(chǎn)權(quán)認(rèn)證，融合了圖像認(rèn)證方法的數(shù)字水印技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，它是針對傳統(tǒng)加密方法的科技化補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了在開放環(huán)境下也能保護(hù)版權(quán)認(rèn)證來源性及完整性的新興技術(shù)。本文探討了數(shù)字水印技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用和基于數(shù)字圖像的幾種水印算法。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字水印 圖像認(rèn)證 聲像數(shù)據(jù) 數(shù)字圖像水印算法

數(shù)字水印（Digital Watermarking）是一種信息隱藏技術(shù)，它的技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛，例如對知識版權(quán)的完整性認(rèn)證、數(shù)字指紋、拷貝控制以及廣播監(jiān)測等等。雖然數(shù)字化信息傳輸效率高但高風(fēng)險性也同樣并存，因此基于圖像系統(tǒng)的認(rèn)證水印技術(shù)就可以利用人類知覺系統(tǒng)的冗余，將水印隱藏嵌入媒體內(nèi)容當(dāng)中，當(dāng)其需要認(rèn)證時，根據(jù)水印信息來判斷它的合法性與真實(shí)性。

一、數(shù)字水印技術(shù)的特點(diǎn)

1、不可見性。首先，基于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印是嵌入到媒體內(nèi)容之中的，它的變化在人眼視覺范圍內(nèi)不可被感知。所以這也是數(shù)字水印技術(shù)的研究前提，即在不影響各種媒體內(nèi)容的美觀性與完整性的前提下實(shí)現(xiàn)技術(shù)功能。2、脆弱性。目前脆弱水印的定位技術(shù)主要有兩種：像素級別的定位能力，它被叫做單像素認(rèn)證，它可以根據(jù)篡改檢測與定位的功能分離實(shí)現(xiàn)對脆弱水印的重新計算，進(jìn)而抵御各種攻擊，即將脆弱水印中的篡改精確定位精確到某一個像素；再有就是分塊級的定位，也叫分塊認(rèn)證。3、安全性。水印認(rèn)證系統(tǒng)的安全性主要依賴于密鑰，密鑰的特點(diǎn)就是空間足夠大，這很大程度上增加了水印認(rèn)證的安全性。有了密鑰，數(shù)字水印就會變得難以篡改和偽造，而且是對傳統(tǒng)水印較低的誤檢測率與抵抗性的一種提升。4、魯棒性。魯棒性就是指數(shù)字水印在經(jīng)過多次信號認(rèn)證及處理過程后，依然可以保持水印的完整性與檢測的準(zhǔn)確性，即它可以多次重復(fù)使用[1]。

二、數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用

1、加指紋。指紋識別是將輸入的指紋圖與數(shù)據(jù)庫中的存儲模板相匹配，并按照二者的共同特征進(jìn)行比對實(shí)現(xiàn)，也被叫做指紋圖像匹配。在美國的國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）就提出了加入了指紋識別的數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用，它共有四種特征：脊末梢、分岔點(diǎn)、復(fù)合特征與未定義特征。這四種特征都可以用于對指紋的細(xì)節(jié)特征識別上，特別是脊末梢與分岔點(diǎn)可以有效利用于媒體出版物以及各個門禁中的數(shù)字水印指紋識別鑒定[2]。2、標(biāo)題與注釋。標(biāo)題與注釋這種應(yīng)用主要是對需要加入數(shù)字水印的作品的標(biāo)題與內(nèi)容進(jìn)行注釋。比如說對一幅照片加入時間和地點(diǎn)，而且它是隱藏在照片之中的，不需要額外帶寬，也不容易丟失。3、聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識和篡改提示。通常講，數(shù)據(jù)的標(biāo)識信息都會比數(shù)據(jù)本身更具有保密價值，比如說對遙感圖像拍攝日期以及經(jīng)緯度的標(biāo)識等等。另外，數(shù)據(jù)篡改提示也是一項非常關(guān)鍵的工作，它利用現(xiàn)有的信號拼接與鑲嵌技術(shù)達(dá)到了“移花接木”的效果，且并不為人所知。

三、數(shù)字圖像水印算法

1、空域算法。空域算法包含了Schyndel、Patchwork以及LSB算法，其中LSB（least significant bits）算法直接將信息嵌入到被隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素位，這樣高度保證了嵌入水印的不可見性。但是由于所鑲嵌的圖像像素位并不重要，其算法的魯棒性就會變差，導(dǎo)致水印信息很容易被濾波、圖像量化與幾何變形的操作而破壞。所以也可以采用Schyndel這種空域算法來彌補(bǔ)LSB中魯棒水印保持較差的缺陷。這種算法通過密鑰輸入m-序列發(fā)生器來產(chǎn)生相應(yīng)的水印信號，通過序列產(chǎn)生二維水印信號，使得像素點(diǎn)被逐一插入到原始圖像像素值的最低位，這同樣保證了數(shù)字水印的不可見性，而且不容易被移除，所以這兩種方法在技術(shù)上有互補(bǔ)之處，可以根據(jù)實(shí)際情況酌情應(yīng)用。

2、變換域算法。變換域算法的主要表達(dá)方式就是頻率域制作水印算法，它利用一個信號來掩蓋另一個較弱的信號，從而能夠有效呼應(yīng)對數(shù)字水印的圖像認(rèn)證檢測。由于采用了跳頻（frequency hopping）技術(shù)，所以它的透明性好且數(shù)據(jù)改變幅度小，但是由于頻域水印制作在逆變換時容易散布于圖像空間中，所以最好用原作品中含有重要信息的敏感頻率來制作頻域水印，這樣能保證水印的自我恢復(fù)性。

3、壓縮域算法。壓縮域算法就是將媒體內(nèi)容壓縮為標(biāo)準(zhǔn)的JPEG、MPEG等格式，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完全解碼或重新編碼過程，所以壓縮域算法在數(shù)字廣播電視內(nèi)容中具有較大的實(shí)用價值。壓縮域算法要求將水印信號塊中的變化系數(shù)相疊加，得到水印迭加的DCT系數(shù)，再重新進(jìn)行相應(yīng)的量化Huffman編碼，最后實(shí)現(xiàn)Huffman碼字的位數(shù)n1與原有無水印系數(shù)碼字n0的對應(yīng)比較。當(dāng)n1≤n0時，才能夠傳輸水印碼字。

總結(jié)：就目前來看，基于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)被推廣到相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域，它實(shí)現(xiàn)了對重要媒體內(nèi)容的多視點(diǎn)與自由視點(diǎn)檢測，保證了媒體內(nèi)容的知識版權(quán)安全性，而且也豐富了數(shù)字水印技術(shù)的多層次化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周武杰.立體圖像數(shù)字水印技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].寧波大學(xué)，2014.11-20.

[2] 高正男.基于數(shù)字水印的指紋圖像安全性研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2005.22-25.

[3] 葉廣源.圖像認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].華東師范大學(xué)，2006.33-35.