數字水印技術及其應用前景*

楊永鋒

（隴東學院信息工程學院，甘肅　慶陽 745000）

數字水印技術及其應用前景*

楊永鋒

（隴東學院信息工程學院，甘肅慶陽 745000）

數字水印技術已經成熟，主要介紹數字水印算法、數字水印的應用，數字水印技術在版權保護、內容認證、票據防偽等領域應用廣泛，同時隨著網絡的發展和電子商務的興起，數字水印和電子商務結合，形成許多發展方向，發展前景廣闊。

數字水印；版權保護；電子商務

1　概述

在網絡上發布的圖像很容易獲取、復制、編輯、存儲及分發，在給人們生活帶來便利的同時也可能會損壞其所有者或創作者的合法權益。篡改、偽造、復制和非法發布原創作品所帶來的負面效應，已經威脅到信息產業的健康持續發展，數字作品的版權保護成為當前迫切需要解決的一個重要問題。數字水印技術是版權保護和內容認證的有效技術，在圖像這一載體的應用最為成熟。

數字水印技術是將代表版權的特定信息，按照某種方式嵌入到數字媒體中，在產生版權糾紛時通過相應的策略提取出這些特定的信息（稱為數字水印），達到驗證版權歸屬的目的，也可有效地防止惡意拷貝與未經授權的分發。這項技術可以在數字化的數據內容中嵌入水印。嵌入的水印信息隱藏于宿主文件中，不影響原始文件的可觀性和完整性，但是通過一些算法可以被檢測或者被提取。水印與源數據（如圖像、音頻、文本、網頁、視頻數據）緊密結合并隱藏其中，并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。數字水印技術的本質是通過對數字對象微小的改動，這些區域的變動對數據值不會造成較大的影響，即不會影響作品的原始質量。

2　數字水印算法

數字水印技術尤其是圖像數字水印算法已經成熟，圖像數字水印算法主要分為空間域水印和頻域水印。空間域算法是通過直接在圖像數據上修改數據達到隱藏水印信息的目的。比較有代表性的算法就是最低有效位方法（LSB），該方法是利用原始數據的最低幾位來隱藏信息，優點是隱藏的信息量較大，缺點是數字水印很脆弱，經受一些常見的數字圖像處理（如圖像壓縮）數字水印就可能丟失。另外一個代表性的數字水印算法是 Patchwork方法。Patchwork是一種基于統計的數字水印，其嵌入方法是任意選擇N對圖像點，在增加一點亮度的同時，降低另一點的亮度值。該算法的隱藏性較好，并且對有損的JPEG壓縮和濾波等操作具有抵抗能力，但是抗攻擊的能力依然不強。

頻域算法是利用變換域的技術隱藏水印信息，這些變換域的技術包括離散余弦變換（DCT）、小波變換 （WT）、傅氏變換 （FT或FFT）以及哈達馬變換（Hadamardtransform）等，其中DCT和WT是最常用的變換。基于分塊DCT的數字水印技術方案最具代表性，在這個方案中由一個密鑰隨機地選擇圖像的一些分塊，每一分塊先變換到頻域上，在頻域系數上進行微小變換以滿足特定的關系（比如改變兩個頻域系數的大小）以隱藏二進制序列信息。在水印信息提取時，則選取相同的DCT系數，并根據系數之間的關系提取比特信息來回復水印。頻域水印算法的抗攻擊能力強，不可行性也大大提高。

3　數字水印的應用領域

數字水印技術要面向Internet上廣為使用的各種數據對象，包括圖像、視頻、音頻、動畫、文本、網頁等。數字水印技術的運用范圍很廣，其主要應用包含：

數字版權保護和版權跟蹤：數字水印技術雖然不能阻止盜版活動發生，但這項技術可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、非法拷貝，在遇到版權糾紛時為法庭提供證據。版權保護是水印最初的應用領域，其目的是嵌入數據的來源信息以及比較有代表性的版權所有者的信息，從而防止其它組織或個人對該數據宣稱擁有版權。可以將數字產品原創者的姓名、身份證號、作品序列號、印章、指紋、創作日期等以數字水印的形式嵌入其中，表明版權所有，完善作品的著作權，如果發現被非法復制、下載或偽造，可以通過提取水印證明其合法的著作權，避免未經授權的拷貝制作和發行。這樣就可以通過授權用戶的信息來識別數據的發行拷貝，監控和跟蹤使用過程中的非法拷貝。例如醫院中有大量的醫學影像圖像，這些醫學影像圖像是醫院所有，即醫學圖像是醫院的自有知識產權，在醫學圖像中嵌入數字水印主要起到版權保護的作用。如果他人要使用患者影像必須得到醫院的允許。醫院在分發影像資料時嵌入帶醫院信息的水印，當版權被盜用時便可以以此為憑證。

內容認證：當數字作品被用于法庭、醫學、新聞及商業時，常需確定它們的內容是否被修改、偽造或篡改。為實現該目的，通常可將原始圖像分成多個獨立塊，再在每個塊中加入不同的水印。在需要時通過檢測隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改，起到篡改提示的作用，同時能夠定位篡改位置。例如在醫學圖像、電子病歷中嵌入數字水印也可以起到篡改檢測的作用。嵌入水印的醫學圖像或電子病歷可以通過提取水印認證出其原始性，如果被篡改，則水印提取會失效。

票據防偽：主要用于打印票據和電子票據的防偽。一方面，在彩色打印機、復印機輸出的每幅圖像中加入唯一的、不可見的數字水印，在需要時可以實時地從掃描票據中判斷水印的有無，快速辨識真偽。另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式，數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。標題與注釋：即將作品的標題、注釋等內容以水印形式嵌入該作品中，這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如在遙感圖像等信息中隱藏日期、經緯度等。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，只有通過提取程序才可以讀取。

隱蔽通信：數字水印也被稱為信息隱藏技術，可以利用公用網絡進行保密數據傳送，達到實現隱蔽通信的目的而不會引起他人的注意，在網絡情報站中意義重大。

訪問控制：將水印信息加入影片數據中，在播放影片時可通過影片數據中的水印信息而判斷觀看者是否有權欣賞電影的權利，從而保護制造商的合法權益。數據庫中也存在一部分數據（如照片），通過修改這些數據嵌入訪問者的合法用戶的用戶名或ID號。用戶在訪問數據庫時要和數據庫中存在的水印信息進行比對，如果相同就獲取訪問數據庫的權利，否則就不得進入數據庫。

4　數字水印技術的發展前景

在網絡技術和應用迅速發展的今天，數字水印技術具有廣泛的應用價值和現實意義。如今數字水印技術在商品化道路上邁開步伐，呈現出面向Internet、多種技術集成的發展趨勢：

1）開發水印Agent，自動追蹤版權標志，實現版權跟蹤。

2）面向電子商務，開發基于數字水印技術的數字作品電子銷售系統，提供完整的版權保護機制。

3）建立水印認證中心，提供服務器端的完整性保護和客戶端的數據認證。

4）構造綜合的數據庫安全系統，使用各種生物認證技術構造專人標識水印，保障數據庫安全訪問。

5）面向更廣泛的數字媒體開發數字水印安全保護產品。

6）電子文檔、電子票據的防偽，機密文檔的保護。

7）服務付費點播，提供基于流技術的數字水印產品，起到訪問控制的作用。

當然應該注意到，數字水印要得到更廣泛的應用必須建立一系列的標準或協議，例如水印版權保護的標準、水印認證的標準、嵌入水印的標準、提取或檢測水印的標準、水印測試的標準。因為不同的水印算法如果不具備兼容性，顯然不利于水印的推廣。而這些標準的建立將會大大促進數字水印技術的應用和發展。

5　結論

數字水印技術具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。從應用角度看，以數字電影、數字動漫、數字電視、網絡游戲等為代表的數字內容產業的快速發展，數字水印已經成為各種數字媒體的最有效的保護手段之一，數字水印技術與其它DRM技術的結合，將徹底解決數字內容的管理和保護問題。

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TP391

甘肅省教育科學“十二五”規劃項目（GS［2015］GHB0964）甘肅省檔案科技項目計劃（2014-07）