緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇數字水印技術范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

篇（1）

中圖分類號：TP391.41

文獻標識碼：A

1

引言

隨著計算機多媒體技術及網絡技術的迅速發展，文字、圖形圖像、音視頻等信息可以通過數字媒體廣泛地傳播。數字化技術精確、廉價、大規模的復制功能和Internet的全球傳播能力給人們帶來信息共享的同時也帶來了許多負面的影響。由于對數字信息的復制非常容易，而且所得復制品和原件幾乎完全相同，因此有惡意的個人或團體有可能在沒有得到作品所有者許可的情況下復制、修改、傳播有版權的內容，甚至非法用作商業用途，嚴重侵犯了作者及版權所有者的利益。為了有效地解決信息安全和版權保護等問題，近年來出現了加解密、數字簽名、數字指紋、數字水印等多種技術。其中數字水印是20世紀90年代出現的一門嶄新的技術。它通過在數字產品中嵌入水印信息來確定數字產品的所有權或檢驗數字內容的原始性，它彌補了加解密技術不能對解密后的數據提供進一步保護的不足，彌補了數字簽名不能在原始數據中一次性嵌入大量信息的弱點，彌補了數字指紋僅能給出版權破壞者信息的局限。

2　數字水印的概念和基本原理

2.1數字水印定義

數字水印(Digital Watermark)技術是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，但不會影響原內容的價值和使用，它不能被人的知覺系統覺察或注意到，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列號、公司標志、有特殊意義的文本等，可用來識別文件、圖像或音樂制品的來源、版本、原作者、擁有者、發行人、合法使用人對數字產品的擁有權。與加密技術不同。數字水印技術并不能阻止盜版活動的發生，但它可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛并為法庭提供證據。作為數字水印技術應當滿足下面幾個方面的要求：

’a.隱蔽性：數字水印應該是不易被察覺的，而且應不影響被保護數據的正常使用；

b.安全性：加入水印和檢測水印的方法對沒有授權的第三方是保密的而且不可輕易被破解，即使被黑客檢測到了也不能讀出(數字水印需要加密)；

c.魯棒性：當被保護的信息經過某種改動后，比如在傳輸、壓縮、濾波，圖像的幾何變換如平移、伸縮、旋轉、剪裁等處理下，數字水印不容易被破壞。

2.2數字水印技術的基本原理

一般數字水印的通用模型包括嵌入和檢測、提取兩個階段。數字水印的生成階段，嵌入算法的嵌入方案的目標是使數字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折中。檢測階段主要是設計一個相應于嵌入過程的檢測算法。檢測的結果或是原水印(如字符串或圖標等)，或是基于統計原理的檢驗結果以判斷水印存在與否。檢測方案的目標是使錯判與漏判的概率盡量小。為了給攻擊者增加去除水印的不可預測的難度，目前大多數水印制作方案都采用密碼學中的加密體系來加強，在水印的嵌入，提取時采用一種密鑰，甚至幾種密鑰的聯合使用。水印的嵌入和提取方法如圖1、圖2所示：

3　數字水印的分類

數字水印技術可以從不同的角度進行劃分。

3.1按特性劃分

按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。魯棒數字水印主要用于在數字作品中標識著作權信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經受各種常用的編輯處理；脆弱數字水印主要用于完整性保護，它必須對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。

3.2按水印所附載的媒體劃分

按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。

3.3按檢測過程劃分

按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。

3.4按內容劃分

按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。

3.5按用途劃分

按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

3.6按水印隱藏的位置劃分

按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(空)域數字水印、頻域數字水印、時／頻域數字水印和時間／尺度域數字水印。

4　數字水印的應用

4.1

數字作品的知識產權保護

數字作品的所有者用密鑰產生一個水印，并將其嵌入原始數據中，然后公開他的水印版本作品。當該作品被盜版或出現版權糾紛時，所有者可利用從盜版作品或水印作品中獲取水印信號作為依據，從而保護所有者的權益。

4.2商務交易中的票據防偽

隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。此外在電子商務中會出現大量過渡性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網絡安全技術成熟以后，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。

4.3篡改提示

當數字作品被用于法庭、醫學、新聞及商業時，常常需要確定他們的內容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實現該目的，通常將原始圖像分成多個獨立塊，每個塊加入不同的水印。同時可通過檢測每個數據塊中的水印信號，來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數據。

4.4訪問控制

在多媒體發行體系中，人們希望有一種拷貝保護機制，即它不允許未授權的媒體拷貝。在封閉或私有系統中，可用水印來說明數據的拷貝狀況。一個典型的例子是DVD防拷貝系統。將水印信息加入DVD數據中，這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數據中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護制造商的商業利益。

4.5信息隱藏

數字水印可用于作品的標識、注釋、檢索信息等內容隱藏，無需額外帶寬且不易丟失。此外，數字水印還可用于隱蔽通信，這在國防和情報部門將得到廣泛應用。

5　數字水印技術研究展望

數字水印技術有著廣泛的研究前景和巨大的商業潛能。但作為一種新興的技術，它還面臨著許多尚未解決的難題。從目前的技術和應用分析，數字水印技術未來的研究方向體現在以下兩個方面。

第一，不斷完善水印技術理論框架。數字水印技術要得到廣泛應用必須建立一系列標準或協議，完善水印評價的理論體系，制定水印的測試和評價標準，設計一個能對各種不同水印算法進行公正比較評價的水印評價系統。

第二，水印算法研究。通過現有數字水印算法的研究，結合數字信號處理技術，尋找它們的關系，設計出更好的算法。

參考文獻

篇（2）

【中圖分類號】TP309.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0204-02

一、脆弱數字水印的產生

隨著計算機網絡和多媒體信息處理技術的迅速發展，使得圖像、視頻和音頻等各種形式的多媒體數字作品的制作、編輯、復制和傳輸變得極其便利。然而，新技術必然會帶來一些新的問題，例如，軟件產品的盜版、數字文檔的非法拷貝、數字多媒體產品的版權保護等等；尤其，當數字多媒體作品被用于法庭、醫學、新聞和商業用途時，需要確定其內容是否曾被修改、偽造或者特殊處理過，必須保證數字多媒體作品內容的真實性和完整性。在開放的網絡環境下，人們對信息安全的要求越來越迫切，都希望能在信息傳播的過程中對自己的秘密信息加以保護。數字水印技術作為版權保護和安全認證的有力工具誕生于90年代初，并且在數字多媒體產品中的應用需求日益增加，呈現出巨大的商業潛力。

數字水印作為信息隱藏技術研究領域的一個重要分支，是一種可以在開放的網絡環境下，保護多媒體產品版權和認證來源及完整性的新型技術。數字水印技術通過將數字、序列號、文字和圖像標記等版權信息嵌入到多媒體當中，在嵌入過程中對多媒體載體進行盡量小的修改，以達到最強的魯棒性，當含有水印信息的多媒體受到攻擊后仍然可以恢復或者檢測出水印的存在，這也是實現多媒體產品版權保護的有效辦法。數字水印技術的誕生為多媒體產品的信息安全問題注入了新的生機與活力。數字水印技術是一個多學科交叉的新興研究領域，它涉及了信號處理、密碼學、通信理論、數理統計理論、編碼理論、數據壓縮和人類視，聽覺理論等多門學科。數字水印的提出是為了保護版權，然而隨著數字水印技術的發展，人們已經發現了數字水印技術更多更廣的應用。

第一種應用于圖像的水印技術是由Caronni等于1993年提出的“’。后來，數字水印技術的應用范圍逐漸擴展到其它數字媒體，如音頻、視頻等。數字水印技術的功能也逐漸由最基本的多媒體作品版權保護，發展到訪問控制、票據防偽、多媒體數據篡改提示、隱蔽通信等更多的應用需求方面。與圖像和視頻數字水印相比，由于人類聽覺系統HAS（Human Auditory System）比視覺系統HVS（Hman Visual System）具有更高的敏感度，對隨機噪聲相當敏感，使得可以嵌入的水印數據量非常有限，所以向音頻信號當中嵌入水印信息時，對水印的隱蔽性有著更高的要求，水印的隱藏也顯得更加困難，因此，國內外對音頻數字水印的研究并不多見。而且通常情況下，由于多媒體傳播環境的開放與復雜，多媒體編輯處理工具的廣泛開發，使得多媒體數據總是會受到有意或者無意的攻擊操作，于是，目前的研究大多集中于數字水印的魯棒性設計，希望多媒體產品無論受到何種變形操作，都能從中提取出水印來，但是，對用于真實性和完整性保護的脆弱數字水印的研究卻相對較少。

與一般的數字水印一樣，脆弱數字水印也是在保證多媒體作品一定視覺或聽覺質量的前提下，將序列、文檔、或者圖像作為水印信息，以人類不可感知的方式嵌入到多媒體作品當中。但是與魯棒性數字水印不同的是，當嵌有脆弱數字水印的多媒體作品數據發生篡改時，通過對水印的檢測或者提取，可以對多媒體載體的真實性和完整性進行鑒定，并且能夠指出被篡改的位置，甚至是篡改的程度和篡改類型等等。介于魯棒性水印和脆弱性水印之間的是半脆弱數字水印，它對惡意篡改非常敏感，同時又對一些常規的信號處理操作（如添加噪聲、濾波、MP3壓縮等）有一定的魯棒性，主要用于選擇認證，保護一般的多媒體數據內容。而對一些要求極其精確的數字媒體，如文檔、醫學圖像、法律證據音頻錄音等，即使是非常輕微的修改都可能造成實質上完全不同的信息，脆弱數字水印正是針對這類應用而設計的，它能夠準確地檢測出對多媒體數據內容的任何修改并且能夠對修改的部分進行精確定位。無論從理論角度還是應用角度來看，開展對脆弱性數字水印技術的研究，不但具有重要的學術意義，還有極為重要的經濟意義。

二、脆弱數字水印的特點

脆弱數字水印技術就是在保證多媒體文件在一定聽覺/視覺質量的前提下，將序列號、文字、圖像標志等版權信息，以人類不可感知的方式，嵌入到多媒體文件的數據中。脆弱數字水印主要用于多媒體文件的內容及版權等關鍵信息的真實性鑒定，防止非法篡改和偽造，強調的是一種多媒體數據完整性和有效性的標注功能，以及對多媒體數據破壞和攻擊的定位分析能力。因此，脆弱數字水印是一類對常見信號處理操作都比較敏感的水印，只要含有水印的多媒體文件稍作修改，嵌入其中的水印就能反映出多媒體文件發生的輕微變化，只有這樣才能通過對水印信息的檢測或提取來鑒定多媒體文件的真偽以及被篡改的情況。

用于多媒體作品完整性和真實性認證的脆弱數字水印，除了具有數字水印的基本特征如不可感知性、安全性以外，還必須具有對惡意篡改的敏感性和脆弱性。在實際應用中，一個實用的脆弱數字水印應該具備以下特征：

（1）良好的透明性。對多媒體文件來說就是不可感知性，嵌入水印后的多媒體文件要讓人在視覺或聽覺范圍內，感覺不到任何變化，這樣才能保證原始多媒體文件的使用價值，保證文件內容的真實性，因此在水印的不可感知性要求上，對脆弱性數字水印的要求比魯棒性水印要更高些。

（2）盲檢測認證。在完整性認證階段不需要原始的多媒體文件，這對用于認證的脆弱數字水印來說是必須的，如果能確知原始的多媒體文件，就不存在真實性保護的問題了；另一方面，某些應用中根本就沒有原始數據，比如詢問證人的證詞錄音，為保證證詞的真實性，需要在錄音時自動嵌入水印，否則無法實現真實性的鑒別。

（3）良好的敏感性。要求多媒體文件中的脆弱水印能靈敏地被最普通的信號處理技術所改變。理論上，在檢測端作完整性認證時，應該能夠檢測到所有影響多媒體文件質量的惡意篡改，即對惡意篡改的檢測概率趨向于100%。

（4）防止“偽認證”攻擊的能力。意思就是防止多媒體數據被篡改后仍能通過認證。對脆弱數字水印來說，不必強調其對惡意攻擊的抵抗能力，因為對脆弱數字水印的攻擊不是將水印信息除去或者使其不能被檢測到，而是設法篡改多媒體的內容數據且不損壞水印信息，即使多媒體文件的內容發生了改變，但仍能通過認證。在圖像應用中有例為證，Kundur基于小波的脆弱數字水印算法，當不采用“量化密鑰”時，根據一個已嵌入脆弱水印的圖像數據，可使任意一個與其相同尺寸的圖像完全通過認證。音頻應用中也存在這樣的可能性。

（5）對篡改攻擊部分進行定位。當含有水印信息的多媒體文件被惡意修改時，檢測算法能指明文件內容被篡改的位置，這些信息可以用來推斷篡改動機和篡改的嚴重程度。

如果在實際問題中有更高的要求，往往還需具備以下特征：

（6）對篡改的部分進行恢復。在篡改定位的基礎之上，進一步恢復出多媒體文件被篡改前的真實內容，并且能夠根據恢復的內容推斷出篡改的方式以及篡改的類型，以提供篡改的證據。

（7）能與魯棒性數字水印很好地共存。有時候單單依靠脆弱數字水印并不能同時滿足多種用途，需要同時嵌入多個水印，不同的水印擔負不同的使命，這樣多媒體文件才能夠更好地適應復雜多變的環境，滿足不同應用場合的需求，同時實現多媒體文件版權保護和內容認證的功能。

三、脆弱數字水印算法概述

從1993年開始就有研究者從事脆弱數字水印算法的研究，初期的研究大多都是借用密碼學的觀點和方法，研究者常常使用密碼學中的哈希（Hash）函數作為脆弱水印完整性認證的方法。Friedman利用密碼學中的哈希函數，通過保存經過Hash后的圖像數據，從而達到認證的目的，但是這樣需要保存額外的認證數據――Hash值，并且認證得到的結果只有兩種：“是”或“否”，并不能報告圖像數據失真的具置。

Schneider和chang提出基于圖像內容的方法，利用圖像特征（如亮度直方圖、DCT系數、邊緣信息等），通過哈希函數得到用于認證的消息，因為圖像本身的特征具有一定的穩定性，如果圖像內容發生改變，則圖像特征也會有所改變，這樣可以保護圖像數據中的每一個像素都不能改變。但是，它仍然需要保存額外的數據，不過提取圖像特征的方法值得借鑒。

張和王在Yeung和PingWah的研究基礎上提出了一種利用查找表和哈希函數的小波域脆弱水印算法。首先利用小波變換的時頻特性，在圖像的LL子帶用查找表的方法嵌入一個標識水印，用于檢測和定位篡改；再選取HL子帶或LH子帶的哈希值作為水印嵌入到HH子帶中，用于抵抗各種偽認證攻擊。該算法既提高了基于分塊的脆弱水印算法的安全性，又保持了良好的局部修改檢測性能。

李和侯提出了一種新的混沌脆弱數字水印算法，該算法利用混沌系統對初值的極端敏感性和塊不相關水印技術，將圖像DCT次高頻系數和水印密鑰合成為Logistic混沌映射的初值，從而生成水印，再將水印嵌入到圖像DCT的高頻系數中，利用圖像DCT系數之間的關系，實現了水印的嵌入和盲檢測。該算法計算簡單，具有較高的峰值信噪比和良好的篡改定位能力。

脆弱數字水印技術在圖像領域中的研究應用得到了很好的發展，隨著多媒體介質類型的增加，音頻、視頻在網絡上的應用需求逐漸增大，研究學者們逐漸將研究方向轉向到音頻領域，很多良好的算法也從圖像領域移植到了音頻領域。

Radhakfishnan和Memon根據聽覺質量相似的兩個音頻之間的掩蔽曲線必定一樣的原理，提出了一種基于特征的音頻內容認證技術。首先計算音頻掩蔽曲線的Hash值，然后采用已知的數據隱藏方法將Hash值作為水印信息嵌入到音頻信號當中。檢測時，將水印信息提取出來與之前計算的Hash值進行比較，計算其相關系數，再與事先設定的相關系數門限值進行比較，判斷內容是否被篡改。檢測算法可以將常規的音頻信號處理與惡意篡改操作區分開來。

王等利用離散小波變換的多分辨率特性，提出了一種小波域脆弱音頻水印算法，通過等概率隨機量化音頻信號不同子帶的小波系數，并將視覺可辨別的有意義的二值圖像作為水印嵌入其中，該算法對濾波、有損壓縮、重采樣等攻擊具有很強的敏感性，通過比較提取出的水印和原始水印的歸一化相關系數，可以很容易對音頻信號是否被篡改做出結論。

全和張以改進的心理聲學模型為基礎，提出了一種小波包域的脆弱音頻水印算法。該算法將改進后的心理聲學模型用于比小波域靈活性更大的小波包域中，首先根據子帶掩蔽閾值，水印嵌入和提取端要求的計算復雜度，自適應地選擇最好小波包基函數，對音頻信號進行接近于臨界頻帶的分解，然后采用量化小波包系數的方法自適應地嵌入二值圖像水印信號。檢測算法不僅能夠認證音頻的完整性，而且能夠在時域和頻域中定位被篡改區域，可用于衡量法庭證據及新聞廣播等的可信度。

袁等提出了一種音頻內容認證系統。該算法通過計算音頻幀之間的相似性，得到基于音頻特征的位置序列，將其置亂和調制后，嵌入到原始音頻的離散小波域中。采用相關檢測來實現對音頻內容的認證，并通過提取出的位置序列，找到被篡改幀的最相似幀，進行篡改內容的近似恢復。該算法在抵抗中等強度的MP3壓縮、上下行采樣等保持內容的音頻信號處理的同時，能夠檢測出篡改、剪切等惡意攻擊操作，能夠對篡改位置進行精確定位對被篡改的音頻片段進行近似恢復。

馮等利用音頻特征生成數字水印，提出了一種用于音頻內容認證與恢復的數字水印算法。該算法將音頻分段后的每段主要DCT系數及其位置信息作為主要特征，經過量化和加密生成水印，再將水印嵌入到另一個音頻段的最低比特位中。該算法不僅能檢測和定位對音頻內容的篡改，而且能夠對篡改的音頻段進行近似的恢復，保持較好的復原質量。

篇（3）

(1)對于Γ的任何一個授權子集A∈Γ，A中的全體成員可以利用他們所擁有的秘密份額來恢復秘密S；

(2)對于Γ的任何一個非授權子集BP，BΓ，B中的成員無法利用他們的秘密份額來重新恢復秘密S。

秘密共享的概念最早由Shamir和Blakley在1979年提出，并給出(r，n)秘密共享門限方案。所謂(r，n)(其中r、n為正整數，且r≤n)秘密共享門限方案是指在用戶數為n的用戶集團內共享某個秘密(如K)的方法。在這個方法中，任意r個屬于集團的用戶都能合作計算出K的值，但當用戶個數少于r時不能計算出K。如n個用戶間共享一個密鑰K，每個用戶i持有一個密鑰碎片ki(i=1，2，3，…，n)，基于其中任意不同的r(r≤n)個密鑰碎片ki1，ki2，…，kir(1≤i1，i2，…，ir≤n)都可以恢復出密鑰K，而由任意r-1個或更少的密鑰碎片都不能得出關于密鑰K的信息。

應用(r，n)秘密共享體制，攻擊者必須獲得超過一定數量(門限值r)的秘密碎片才能獲得密鑰，這樣提高了系統的安全性；當某些碎片(不超過n-r個)丟失或被毀時，利用其它秘密份額仍然能夠獲得秘密，這樣提高了系統的可靠性。在恢復秘密K時，參與者必須提供正確的秘密份額，否則恢復會失敗，不正確的秘密份額又稱為惡意子密。秘密共享體制在實際當中應用廣泛，可用于分散重要的信息，如通信密鑰的管理、數據安全、銀行網絡管理、導彈控制發射等。

對于聯合數字水印來說，其嵌入過程與一般水印的嵌入過程相同。但是在聯合用戶的應用背景下，當檢測過程不成功時，嵌入單一聯合數字水印不具備分辨單個聯合用戶的能力。例如設用戶為A、B，當水印檢測成功時，即可認定用戶A、B都為具有部分聯合所有權的用戶，而且A、B一起擁有對水印作品的所有聯合所有權。但當水印檢測不成功時，無法分辨下列三種所有權分布情況：

(1)用戶A、B皆為不合法的聯合用戶。

(2)僅用戶A為不合法的聯合用戶。

(3)僅用戶B為不合法的聯合用戶。

為了分辨單個聯合用戶，除了嵌入生成的長度為2L的聯合數字水印W外，用戶A可以嵌入自己的長度為L的水印W1，同時用戶B也嵌入屬于用戶B的長度為L的水印W2。這樣檢測結果可能有以下情形：

(1)成功檢測到所有水印：W、W1、W2。

(2)水印W、W1檢測不成功，僅成功檢測水印W2。

(3)水印W、W2檢測不成功，僅成功檢測水印W1。

(4)所有水印檢測均不成功。

對以上情形分別判斷為：

(1)所有水印被成功檢測，用戶A、B都為合法聯合用戶。

(2)僅成功檢測水印W2，那么僅用戶B都為合法聯合用戶。

(3)僅成功檢測水印W1，那么僅用戶A都為合法聯合用戶。

(4)所有水印均不能被成功檢測，用戶A、B都不具備聯合所有權。

[摘要]本文簡要介紹數字水印技術的定義，給出了數字水印系統框架的描述，并大致介紹了聯合數字水印的一些思想。針對DCT變換在比特率較低時，會出現明顯塊效應的缺點，提出一種采用Gabor變換的嵌入方法，使聯合數字水印技術更加完善。

[關鍵詞]數字水印聯合數字水印秘密共享體制離散余弦變換DCT

參考文獻：

[1]陶亮，陶林.DGT與DCT在圖像編碼中的性能比較.

[2]陳海永.DCT域圖像水印算法的研究.

篇（4）

0　引言

數字水印技術是目前信息安全技術領域的一個新方向，是一種可以在開放網絡環境下保護版權和認證來源及完整性的新型技術。創作者的創作信息和個人標志通過數字水印系統以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒體中，人們無法從表面上感知水印，只有專用的檢測器或計算機軟件才可以檢測出隱藏的數字水印。

在多媒體中加入數字水印可以確立版權所有者、認證多媒體來源的真實性、識別購買者、提供關于數字內容的其它附加信息、確認所有權認證和跟蹤侵權行為。它在數據的分級訪問、數據跟蹤和檢測、商業和視頻廣播、Internet數字媒體的服務付費、電子商務認證鑒定等方面具有十分廣闊的應用前景。自1993年以來，該技術已經引起業界的濃厚興趣，并成為國際上非常活躍的研究領域。

1　數字水印技術原理及特征

數字水印技術是通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌到多媒體內容中。目前大多數數字水印制作還采用加密(包括公開密鑰、私有密鑰)體系來加強保護，在水印的嵌入、提取時采用一種密鑰，甚至幾種密鑰。水印的嵌入和提取方法分別如圖1和圖2所示。

數字作品嵌入數字水印不應引起明顯的降質，并且不易被察覺。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，這兩個要求往往不能同時實現。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。

2　數字水印技術在電子簽章中的應用

2．1　電子印章的原理

電子印章是在電子政務或電子商務實施中使用計算機技術添加在電子文件的文字內容上面的印章圖像。經過這種技術處理的有電子印章圖像的電子文件，可以在本地或異地直接使用計算機控制下的文件印制設備輸出有效的紙質蓋章文件。作為現代密碼學與東方印鑒文化相結合的產物，電子印章實際上就是數字簽名加印章圖片，數字簽名是安全的保證，而印鑒則是權威的象征。電子印章技術要求電子印章和紙質蓋章文件緊密結合，同時使用電子印章不能引起本單位蓋章印件的混亂。電子印章的使用，可防止偽造紙質蓋章文件的犯罪行為。然而，電子印章技術普及使用的前提條件是電子印章必須能被相關法律賦予合法性，同時在法院案件審理時能為印章持有人提供有效和權威的證明。

通過數字水印技術的使用，能實現電子印章的防偽性和不可否認性。所謂數字水印技術，是指采用信息處理技術把版權信息、認證信息等秘密信息(這些信息即數字水印)，嵌入到原始數據中去，但不影響原內容的價值和使用。數字水印信息可以是產品的序列號、版權所有者的標志等認證信息。通過特定的算法恢復和檢測被嵌水印后，可有效地分析信息失真的情況，判斷信息是否被篡改，為版權所有者提供信息被盜版的有利證據。因此，實用的數字水印技術必須具有較強的魯棒性、安全性和不可見性。

基于數字水印的電子印章將數字簽名技術與數字水印技術有機地結合在一起。其中數字簽名技術主要是對電子文檔進行驗證；而數字水印技術則側重于解決電子印章打印出來之后印章的防偽問題，其基本原理是，在印章圖片中嵌入不可見的水印信息，通過電子印章軟件將含有水印信息的印章加蓋到文件中。帶水印的電子印章的生成和檢測如圖3和圖4所示。

當蓋有電子印章的電子文件發送到收文方時，接收方通過電子印章中所含的數字簽名，以驗證電子文檔的完整性和真實性。驗證通過后，文件可以被打印在紙質材料上。通過手持式水印檢測儀對紙質文件中水印的檢測，可以實現對文件的真實性、有效性的鑒別，以達到防偽的目的。如果沒有手持式水印檢測儀此類專用設備，也可以將打印出來的印章掃描進電腦，通過水印提取軟件提取水印信息來鑒別印章的真實性。

2．2　電子簽章應用

基于數字水印技術的電子印章可實現文檔簽章、手寫簽名、簽章驗證、身份認證、撤銷簽章、證書查看、移動簽章的功能。電子印章在應用時，具有以下技術特點：①利用PKI技術，保證了電子印章中的數據的完整性和真實性(抗否認性)；②通過采用數字證書和電子印章或手寫簽名信息的綁定，確保簽章信息來源可靠；③系統為每一個電子印章生成惟一序列編號，并與證書綁定，即使是同一個簽章圖片在不同的時刻生成的電子印章，其序列編號也不一樣，從而防止印章位圖的非法制作拷貝；④采用標準的散列算法(HASH)產生文件內容數字摘要，確保電子簽章和被簽文件的緊密綁定；⑤采用標準的RSA、DES算法加密電子簽章實體數據，加強了簽名信息的安全；⑥通過數字水印技術，實現了簽章的不可復制性，即使對整篇文檔進行復制，粘貼到新文檔中的簽章也將顯示無效，徹底杜絕利用已有電子簽章仿造新的文件。

篇（5）

1.DCT變換原理

離散余弦變換簡稱DCT，是一種實數域變換，其變換核為實數的余弦函數，計算速度較快，而且對于具有一階馬爾柯夫過程的隨機信號，DCT十分接近于Karhunen-Loeve變換，因此它是一種近似最佳變換，很適合于圖像壓縮和隨機信號處理[1]。

一維離散余弦變換（DCT）及其反變換公式定義如下：

2.DCT變換域系數選擇

在基于變換域的水印系統中，水印嵌入位置的選擇很重要，可以直接影響到水印系統的成功與否。目前版權保護是數字水印技術的重點應用領域，其特點是要求水印在日常環境或某些特定條件下是不可見的，而且把版權信息嵌入到普通圖像后，嵌入的水印信息能承受對宿主圖像進行的常規處理，且處理后的圖像中仍然保存有可用的版權信息。由于對圖像的常規處理主要影響圖像高頻信息部分，因此，要達到這一目標，在DCT變換域，應該選擇DCT域中的低頻系數，同時要排除DC分量[2]。

在日常生活與工作中，常規的圖像處理軟件處主要是對圖像進行幾何變換以及對圖像銳度、色度的處理。這些處理主要對圖像頻譜中高頻成分影響較大[3]。通過對圖像進行DCT變換后的結果分析可知，變換后的低頻系數一般遠大于高頻系數，且低頻系數到高頻系數的衰減很快。這表明圖像本身的信息量基本位于低頻區域。如果把水印信息嵌入到高頻系數中，對宿主圖像進行處理時，很容易把高頻分量刪掉，因此會造成水印信息的丟失，這對水印的保護不利。另一方面，由于圖像的低頻系數攜帶圖像本身較多的信號能量，即使對圖像進行常規處理后，仍能保留低頻分量的主要成分，因此，如果把水印信息嵌入到宿主圖像的低頻分量，將使得水印信息不易受到攻擊者的破快，將能好的保護水印信息。

結合人眼感知特點來分析，由于人眼對圖像的灰度等低頻信息較為敏感，因此，如果在圖像的低頻分量嵌入的水印信息過大時，將不能保證水印的不可見性。一般的解決方法是利用人眼的視覺特征，盡可能選擇對低頻系數改變不大、信息量小的水印信號[4]。通過擴頻通信技術分析。如果將水印信息視為某信道中傳輸的信號，則圖像低頻系數可以視作為一個通信信道，對嵌入水印后的圖像進行的攻擊可以視為信號中的噪聲。在實際的通信中，為了使得通信中的某個窄帶信號能量不被察覺，通常采取的方法是把這個窄帶信號通過一個較大的寬帶信號進行傳輸，因此，把水印信息嵌入到圖像的低頻分量是合理的。但值得注意的是，由于DC分量所攜帶的信號能量遠遠大于其他的低頻系數，因此水印算法中對低頻分量的選擇應該排除DC分量。

3.DCT變換域的數字水印嵌入方法

從本文前述所知，水印信息應該加在DCT變換的低頻系數中。因此DCT變換域的數字水印嵌入算法首先需要從DCT變換結果中抽取若干個DCT低頻系數，把水印信息嵌入到這些低頻系數中，然后將嵌入了水印信息的低頻系數重新插入到圖像的頻譜中，并對其進行IDCT反變換，得到嵌入水印后的圖像。數字水印嵌入過程如圖1所示。

在圖1所示水印嵌入過程中，假設I宿主圖像，D為存放DCT變換后生成的系數文件，D1為存放在D中加入水印后新系數的文件，I1為經過IDCT變換后得到嵌入水印后的圖像。則水印嵌入過程描述如下：

（1）對宿主圖像I進行DCT變換，將變換后所得的頻譜系數保存到文件D。

（2）將文件D中DCT系數進行降序排序，然后抽取前N個最大值（除DC分量外），形成矢量T={t1，t2，…，tn}。

（3）將水印信號X={x1，x2，…，xn}依次加入T={t1，t2，…，tn}中，得到新的矢量T1={t11，t21，…，tn1}，如果需要，還可以對X={x1，x2，…，xn}加密后再進行處理。

（4）將T1={t11，t21，…，tn1}放回到原始文件D中矢量T所在的位置，得到加入水印后DCT系數，并且把這些系數存放到文件D1中。

（5）將D1進行IDCT反變換，生成加入水印后的圖像I1。

4.DCT變換域的數字水印提取方法

水印的提取過程與水印的嵌入是互逆的。在水印的提取過程中，假設原始圖像為I，加入水印后的圖像為I1。水印提取的步驟可描述如下：

將加入水印后的圖像I1分別進行全圖的DCT變換，從DCT變換后的系數中抽取前N個最大值（排除DC分量），計算出水印信號X={x1，x2，…，xn}。在實際應用中，由于嵌入水印后的圖像在傳輸的過程可能被攻擊者惡意攻擊，導致待檢測圖像和原始水印圖像不同，所以實際提取的水印與原水印存在一定的差別。實際應用中還需要進行相關性判斷。

圖2為水印提取過程。水印的檢測/提取過程為：對所須檢測的圖像進行水印的提取，其過程為水印嵌入的逆過程，將提取的水印與根據密鑰生成的原始水印進行比較檢測，確定水印是否存在。

5.實驗與分析

實驗過程在VC++環境中完成。使用如圖3中（a）圖為原始圖像，其規格為256×256的24位彩色圖像，水印圖像如圖3中（b）圖所示，其規格為64×64的8位灰度圖像。圖4中（a）圖為直接嵌入水印后的圖像，對比圖3中（a）圖可以看出嵌入水印后的圖像與原圖幾乎沒有區別，圖4中（b）圖為提取出的水印圖像，對比圖3中（b）圖，提取出的水印效果較好，由此可見DCT變換域的數字水印技術具有較好的實用性。

參考文獻

[1]陽鑫.基于DCT變換的數字水印研究及其MATLAB實現[J].信息技術，2010，11：129-131.

[2]黃松，楊華千，張偉等.一種新的基于DCT的自適應數字水印算法[J].計算機科學，2006，33（6）：148-160.

篇（6）

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”。

一、數字時代的密寫術———數字水印

數字水印（DigitalWatermark）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。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。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：

（一）隱蔽性

嵌入水印后的數據與原始數據相比，應感覺不到差別。嵌入水印后的數據不應該包括人們可以感覺到的失真而造成原始數據質量下降，這是一個具有主觀性的屬性，因而目前沒有一個定量的標準來衡量。

（二）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。嵌入水印后的數據經受對數據一些惡意的處理，譬如濾波、再量化、抖動等以及一些蓄意的攻擊后，應該還能得到嵌入的數據。

（三）密鑰的唯一性

即不同的密鑰不應產生等同的水印。

（四）檢測的可靠性

水印檢測出錯的概率應小于某一合適門限值。這一特性描述了水印檢測算法必須具有一定的確信度。

二、數字水印的分類

數字水印技術可以從不同的角度進行劃分。

（一）按特性劃分

按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。

（二）按水印所附載的媒體劃分

按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。

（三）按檢測過程劃分

按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。

（四）按內容劃分

按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應于一個序列號。

（五）按用途劃分

按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

（六）按水印隱藏的位置劃分

按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。

三、數字水印的應用

多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。

（一）數字作品的知識產權保護

數字作品的版權保護是當前的熱點問題。由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不采用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。“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。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。（二）商務交易中的票據防偽

隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。另外，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。即使在網絡安全技術成熟以后，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。

（三）聲像數據的隱藏標識和篡改提示

數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值。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。

（四）隱蔽通信及其對抗

數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。網絡情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網絡進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網絡多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網絡進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。

四、數字水印的未來

數字水印技術還有很多其它用途，并且其應用領域還在不斷擴大。除了技術發展，市場營銷和商業規劃也極為重要，并且需要有深度的分析與戰略計劃。技術推廣和普及也必不可少，以保證市場為接受數字水印技術做好準備。對此提出一些想法。

第一，如何利用水印算法，在網絡環境中解決多媒體信息安全問題，成為了當前一個研究熱點。多媒體信息的安全問題是：安全傳遞、訪問控制和版權保護。通迃加密解密可以實現前兩個目的，但是，解密后的數據可以隨意在網絡上分布、傳播。在數字內容中嵌入唯一的標志（即數字水印），在出現爭端糾紛時，根據提出的水印，可以證明真正的版權擁有者，或者找出非法傳播的人。但是，這些應用只是被動的在爭端發生時才體現出來，而且由于缺乏相應的法律支持，這些想法沒有真正的實施。因此，有人提出數字水印，利用移動技術，在網絡上自動搜尋非法或未授權的數字媒體內容，但是，其前提是主機需要安裝相應的程序，因而帶來了新的安全問題。我們提出在網絡通信路上，如在路由器中加入水印檢測算法（數字水印），在網路上檢測非法傳播，從而杜絕網絡上數字媒體內容的非法傳播。

第二，目前關于多播體系下嵌入水印的方案有人已經提出。但是，在此方案下的水印需要滿足的具體特性，還沒有詳細的考察。傳統的多播基于Internet首先要研究多播體系下的水印算法需要滿足的特性，然后，針對特性設計相應的水印算法。

第三，數字影院的建設需要利用數字水印保護，通過嵌入不同版本的水印，跟蹤非法泄漏。其中，對于小規模的應用，只要嵌入魯棒水印，就可以很好地滿足要求。對于大規模應用，則主要考慮共謀攻擊。另外，還要結合數字影院的體系結構，如果采用多播，則要結合網絡特性和壓縮編碼。

第四，提出activewatermark概念。首先，在媒體中嵌入不同等級的水印，決定用戶的權限，在網絡中檢測提取水印，路由器根據這些水印的權限，決定是否轉發，并且提供截獲的詳細報告。其次，在防火墻中嵌入水印模塊，對出去的媒體內容，提取水印，根據水印判斷是否為重要的內容，不能外泄，對局域網的多媒體內容提供有效保護；對傳進來的多媒體內容，可以根據提取的水印判斷員工是否有權使用，從而防止出現不必要的違法侵權行為。

【參考文獻】

篇（7）

中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9043-02

Overview of Digital Watermarking Techniques for Binary Images

XU Nan, LI Wang-yan

(Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract: In the era of computer network, it is essential to take measures for copyright protection and data authentication of binary images, whose transmission is a major activity during everyday communication. Digital watermarking techniques have been proposed to address the issue. This paper reviews various watermarking algorithms for binary images, and analyzes their advantages and disadvantages. The paper also proposes several research topics at next stage.

Key words: binary image; digital watermarking; robustness

數字水印技術作為信息隱藏技術研究領域的重要分支,是實現多媒體版權保護與信息完整性認證的有效方法,現成為信息領域的一個研究熱點。目前,大量的參考文獻主要涉及到灰度圖像、彩色圖像以及視頻、音頻水印技術研究,二值圖像因只有兩個亮度等級,水印實施困難,故相關文獻較少。但隨著全球信息數字化進程的日益加快,大批的重要資料,如個人檔案、醫療記錄、學歷證書、專利證件、手寫簽名、設計圖樣、館藏圖書、機要文件等,已掃描成數字化文檔備存。再者,隨著電子商務、電子政務的日趨流行,對網上發行的電子刊物進行盜版追蹤,對來往的電子信函、公文或傳真進行完整性認證也日益緊迫。而這其中,絕大部分信息資料為二值圖像格式。因此二值圖像數字水印技術研究也就顯得尤為重要。

1 二值圖像水印技術研究需解決的問題

二值圖像即黑白圖像, 其每個像素點只用一位表示,“0”代表黑,“1”代表白,這個特點決定了任意修改像素值是不可行的。在二值圖像中嵌入水印時,不能像灰度圖像和彩色圖像中那樣孤立的考慮一個像素點,而必須考慮該像素鄰域情況,否則會引起視覺異常。與灰度圖像和彩色圖像相比,二值圖像的視覺冗余少,二值圖像的水印技術應重點考慮視覺的空間屏蔽效應(即視覺上的隱蔽性)問題。

二值圖像水印技術的嵌入容量與魯棒性是一對矛盾。 很明顯,魯棒性越強嵌入容量越小,魯棒性越弱嵌入容量越大,增強技術的魯棒性會以犧牲隱藏容量作為代價。因此需在魯棒性與嵌入容量之間尋求一種平衡,根據應用需求不同對魯棒性與嵌入容量做不同的側重。

2 二值圖像數字水印典型算法

二值圖像水印算法可按嵌入原理的不同分為:行移或字移、基于圖像分塊的水印算法、變換域水印算法等幾類。

2.1 基于行移和字移的水印算法

文本行移位和字符移位的嵌入方法就是將文本圖像的一行字符, 一個字符或是一個字符群做微小的整體移位來攜帶信息。這種方法適用于文本內容的二值圖像。

Low 發表文章[1-2] 討論基于字符移位、行移位的水印方法。該技術通過修改字符間距、行間距來攜帶信息, 修改幅度為1/150 英寸(1/381 cm) 。嵌入策略非常簡單, 比如說字符行向上移嵌入“1”, 向下移嵌入“0”; 字符行向左移嵌入“1”, 向右移嵌入“0”, 嵌入的水印可以經的起掃描和打印的攻擊,具有一定的魯棒性。由于水印在打印或掃描時難免會引入量化噪聲, 水印恢復時用極大似然法來判別。

2.2 基于圖像分塊的水印算法

分塊嵌入的二值圖像水印方法是一種較為典型的水印方法, 由于其算法簡單、嵌入容量大,相對于其它算法而言具有更強的實用性。這一類嵌入方法就是把圖像分成大小為M×N 的子塊, 然后對劃分的子塊按某種規則進行計算確定嵌入策略,根據嵌入策略找出可以修改的像素, 然后直接對該像素進行修改。這種方法對所有的二值圖像均適用。

2.2.1 修改塊內黑白像素個數的奇偶性

Wu等人[3]提出一種算法,其主要思想是使通過控制“可翻轉”的像素并利用置亂操作嵌入大量信息,信息的提取不需要原始圖像的參與,可用于內容的認證和篡改提示,但確定可翻轉像素是個復雜的過程。具體實現方法是,首先根據每個像素在其3×3鄰域內的連通性和平滑度來計算該像素的翻轉優先級,然后對圖像置亂使可翻轉像素點分散到整個圖像。最后將圖像分塊,根據每個圖像塊中黑白像素的奇偶性分別嵌入“0”和“1”。

文獻[4]對該算法進行了改進,把基于距離倒數的失真側度(DRDM)引入到計算像素的翻轉優先級,以減少圖像嵌入信息后的失真度。

文獻[5]中提出,將二值圖像分割成大小為2×2 的圖像塊,利用圖像塊的奇偶性將一條二進制信息嵌入到黑白像素鄰近的塊中,嵌入1 位信息平均修改0.5 個像素,具有計算量小、嵌入信息量大、圖像質量下降少、安全性高的優點。

文獻[6]中提出,為了使可翻轉像素在空間上均衡分布, 對原始圖像進行隨機排列和分塊后, 在每一塊中嵌入相同數量的水印。 并根據隨機排列的統計特性, 自適應地確定可嵌入水印像素, 以盡量減少對圖像質量的損害。實驗結果表明, 嵌入的水印不易被察覺。

2.2.2 修改黑白像素的比例

Koch和Zhao[7]提出一種算法,把圖像被分成8 ×8 的子塊, 用每個子塊中黑白像素的多少來表示嵌入的信息, 具體的嵌入策略為: 根據圖像中為“1”的像素所占百分比, 設定一個門限, 用子塊中為“1”像素的百分比超過門限來表示“1”, 低于門限則表示“0”。對每個子塊按上述嵌入策略進行修改即可完成嵌入。該方法具有一定魯棒性, 但嵌入水印的圖像塊質量會明顯降低。

2.3 變換域

在變換域水印技術方面,對二值圖像來說,在變換域嵌入水印信息,再返回到空間域后,為了確保圖像的二值性,需進行二值化處理,而這種二值化操作通常會大大削弱水印強度,甚至會除去水印信息,因此不能直接變換域上通過簡單地修改系數來嵌入水印。

Lu[8]等人證明:對于二值圖像,若通過修改DCT系數的直流系數(DC)來嵌入水印,則經二值化操作后,水印將不復存在;對于灰度圖像,若通過修改來嵌入水印,當二值化閾值取為最大亮度與最小亮度的中值時,水印信息也將被除去。為此,他們提出將二值圖像先經模糊預處理轉換為灰度圖像,通過修改灰度圖像的DC來嵌入水印,在空間域進行二值化處理時,采用由水印信息動態決定的有偏閾值。該算法對局部剪切和噪聲具有一定的魯棒性,但提取水印時需原始圖像。由于修改分量相當于將空間域的每個像素DC疊加上一個常數。

文獻[9]中提出了一種基于DCTCDWT的二值文本頻率域數字水印算法。算法結合了DCT 和DWT 二者的特點,將水印信號進行分塊DCT 變換,按照從低頻到高頻的順序對各塊系數進行重新排列,對應嵌入到原始圖像的DWT 分解子帶中,強化了不可見性。對JPEG 壓縮、加入高斯噪聲、椒鹽噪聲以及剪切具有一定的魯棒性。但該算法只適用于紋理復雜的二值圖像,且提取水印時需原始圖像。

3 幾種典型的水印算法的分析和比較

行移或字移、基于圖像分塊的水印算法屬于空域水印,相比變換域水印算法,該類算法特點是水印嵌入方法簡單,但魯棒性較差。而變換域水印的抗攻擊能力很強,但是嵌入量較小,計算更為復雜。在實際應用中,根據實際需要,選取合適的算法。文本行行移位, 文本字符移位法屬于大塊圖像做微小平行移位的嵌入方法,該方法水印嵌入容量小,但可以抵抗打印掃描、打印、影印、傳真傳送等這些二次量化引入的噪聲的攻擊,具有一定的魯棒性。分塊嵌入水印算法,水印嵌入容量較高,但魯棒性較差。變換域水印,可以抵抗局部剪切和噪聲等攻擊,魯棒性較好。表1給出幾種典型算法的各自的特點和不足。

4 結論

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,由于二值圖像只有兩個亮度等級,過去二值圖像數字水印算法研究主要集中在空域算法,在變換域嵌入水印認為幾乎是不可能的,但是現在有越來越多的研究嘗試并成功地在變化域的嵌入水印,相信今后隨著多媒體產權保護和信息安全維護的推動,在這個領域將有更多、更好的成果出現。

參考文獻:

[1] LOW S H ,MAXEMCHUK N F, LAPONE A M. Document identification for copyright protection using centroid detection[J].IEEE Trans on Comm,1998,46(3):372-83.

[2] LOW S H , MAXEMCHUK N K, BRASSIL J T, Document marking and identification using both line and word shifting[C].Infocom 95,IEEE Computer Society Press ,1995.

[3] Wu M, Tang E, Liu B. Data Hiding in Digital Binary Images[C].In: Proc.IEEE Int. Conf. on Multimedia and Expositions,New York,2000:393-396.

[4] Lu H, Alex C. Secure data hiding binary document images for authentication[C].IISCAS '03. Proceedings of the 2003 International Symposium,2003:806-809.

[5] 劉春慶,戴躍偉,王執銓.一種新的二值圖像信息隱藏方法[J].東南大學學報:自然科學版,2003,33(z1):98-101.

[6] 周波,陳建.一種適用于二值圖像的數字水印算法[J].上海交通大學學報,2004(09):1505-1508.

篇（8）

本文對數字水印這種先進的防偽印刷技術進行了介紹，由于在印刷品市場中盜版比較猖獗，造假人員會利用高精度的打印設備以及掃描設備對防偽標識進行模仿，這些盜版產品質量較差，缺頁與重復的情況比較多，影響了正常的閱讀與使用，對消費者造成了較大的損失。為了解決這一問題，相關人員利用了數字水印技術，其是一種新興的防偽技術，防偽標志很難被模仿，在現代印刷中有著廣泛的應用，而且取得了良好的應用效果。

1、數字水印技術在印刷中的防偽作用

數字水印是一項新型的防偽印刷技術，其是利用現代的信息技術將信息導入專業的軟件中，并隱藏在載體數據中，在對印刷品進行防偽鑒定時，只需要將載體輸入電腦中即可。這種防偽技術有著較高的工作效率，而且檢測的準確性高，利用專業的軟件，對載體數據進行提取，不需要借助其他的儀器或者設備，而且應用的成本比較低。數字水印是一種具有較高識別性的標識，其還具有一定隱藏性，人眼一般很難識別，其是一種不可見的形式將防偽標識隱藏在印刷品中，在辨識時必須利用計算機，在自然光下無法發現標識圖像的差異。所以在檢測真偽時，需要利用特殊的儀器、工具。數字水印是利用數字技術將水印隱藏在印刷品中，其有著多種形式，可能是圖像，也可能是文本信息，還可能是指紋等新型的生物信息，隱藏的水印不會出現變質問題，其保存的時間比較長，不會隨著外界環境的變化而改變。數字水印是一種嵌入式的防偽技術，在設置時，還具有隨機性，所以，造價人員很難對其進行復制。另外，水印的位置也是隨機的，其具有變化的特性，印刷品很難為仿造。

2、數字水印的防偽方法

以印刷品的圖像為載體，在應用數字水印技術時，需要先制作出圖像，然后利用專業的水印軟件將水印信息嵌入到圖像中，從肉眼無法發現原始圖像與嵌入水印后的圖像之間的差別，只有利用計算機檢測設備，才能發現圖像的差異性。所以，從外觀上，兩種圖像看不出差別，偽造者無法采用打印或者掃描設備進行模仿。檢測時將印刷品中的圖像掃描到電腦里，對掃描進來的圖像先進行校正、去噪等處理，然后用提取軟件檢測水印信息，根據提取水印信息的情況對印刷品進行辨別真偽。對造假者而言，這種方法很難偽造因為隱藏的信息看不到他們既不知道水印嵌入所用的方法，也不知道嵌入的信息是什么，所以無法對隱藏的信息進行模仿隱藏，只能照貓畫虎，對所能看到印刷品的內容進行仿制；這樣的話由于盜版者不知道水印的嵌入方法和檢測方法，根本檢測不出能證明版權的水印信息。

3、數字水印技術的防偽方案設計

現在的印刷品神非常多，如商標、嚴品包裝、書刊、址書、證件、郵票、磁卡、出版物、音像制品封面、貨幣、有值票券、入場券、單據、廣告、掛歷臺歷、名片、護照等，數字水印都可以應用到這些產品的印刷防偽中，但是每一種防偽方案的設計會有所不同。下面舉例介紹一下數字水印在酒產品印刷包裝中的應用方案，其他印刷品的防偽方案可以參考。

3.1在內、外包裝盒上分別制作離散與非離散，可見、不可見的數字水印防偽電子標貼，這樣既不改變生產工藝流程，又可有效防止造假者大規模仿制造假，同時方便廣大消費者和物流環節工作人員的直觀識別和工具檢測，也利于市場管理人員打假檢測。

3.2制作數字水印防偽標貼。將其貼于包裝封口處、瓶蓋開啟處、瓶蓋與瓶頸結合處，這主要是為防止小規模造假者回收舊包裝翻新重復使用。技術方案是在商標或適當位皿分別加入內容各不相同的不可見非離散數字水印和不可見離散數字水印防偽信息分別供廠家主管、銷售部門、配送流通等環節掌握實現防偽信息的分級管理。非離散水印消費者或管理者可以通過配送給銷售網點的數字水印專用檢測工具，方便地辨別產品的真偽：離散水印僻通過專用的數字水印提取設備或軟件提取水印，鑒別真偽。

3.3在內、外包裝上使用非離散的、隱含區域標示的不可見數字水印可以實現定向生產和定向銷售防止區域竄貨。

3.4如果廠家需要還可在防偽標簽或標貼上制作并提供"數字編碼計算機物流管理系統"，將防偽與物流管理系統有機地結合起來，提高廠家的計算機管理效率。

4、數字水印防偽技術的應用管理

數字水印防偽技術具有無須數據庫支持、便于使用識別、便于分級管理的特性。核心管理者可掌握各層用戶防偽信息，市場流通各環節負資人均只能掌握各自用戶防偽信息，而普通消費者只需了解最基本的防偽標示信息即可。為滿足各不同層面對數字水印防偽信息的檢測與識別的需要，數字水印技術提供商已分別開發出數字水印提取軟件、數字水印智能檢測設備、非智能檢測設備和簡易檢測工具，可以根據僻要分別配備到打假部門、核心管理者、流通環節負責人、各經銷商或集團、個人消費者手中。同時，我國已在商貿部外經貿系統建立了國內第一個數字水印防偽查詢認證中心，并將建立更多的查詢認證中心，支持廣大客戶通過互聯網上查詢認證和實現數字水印在線技術服務。

5、國內外印刷數字水印研究成果

目前，數字水印技術正在如火如茶地發展，世界上有很多團體和專家在對該技術進行研究，不斷探索新的算法，以達到更好的防偽效果。下面介紹一下當前比較著名的幾個提供數字水印技術的公司以及它們的產品，供大家參考。

5.1美國Digimarc公司

該公司率先推出了世界上第一個商用數字水印軟件，而后又以插件形式將該軟件集成到AdobePhotoshop 4.0和CorelDraw 7.0圖像處理軟件中。隨后，推出的媒體橋（media bridge）技術開拓了訪問Internet的一條新途徑，通過在雜志廣告、產品包裝、目錄甚至各類票據中隱藏不可見的數字水印用戶只要將這些傳統媒體放在網絡攝像機（web camera）前，媒體橋技術就可以直接將用戶帶到與印刷圖像內容相關的網絡站點并在計算機上顯示出產品的相關信息。

5.2英國的Signum公司

篇（9）

一、數字水印技術

所謂數字水印是利用數字信號處理的相關技術，在多媒體數據中永久鑲嵌具有可鑒別性的某些數字信息，用于文件真偽鑒別、版權保護并檢查數據是否被破壞。嵌入的信息隱藏于宿主文件中，不影響原始文件的可用性和完整性。數字水印技術的基本思想是將某種信息嵌入到主數據中，使得如果嵌入的信息得到可靠的恢復后，那么該信息可以說明主數據和原始所有者之間的所屬關系。數字水印技術并不能阻止盜版活動的發生，但它可以解決版權糾紛并為法庭提供證據。

1.數字產品的內嵌數字水印應具有以下基本特性

（1）魯棒性

數字水印必須對各種信號處理過程具有很強的魯棒性。魯棒性是指數字水印應該能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真，包括各種有意的或無意的，仍能保持水印的完整性和鑒別的準確性。成功的數字水印技術在解除信息不完備的情況下，任何試圖去除水印的方法均應直接導致原始數據的嚴重損失。

（2）不易覺察性

一是指嵌入水印導致圖像的變化對觀察者的視覺系統來講應該是不可見的，最理想的情況是水印圖像與原圖像在視覺上一模一樣，這是絕大多數水印算法所應達到的要求；一是指水印用統計方法也是不能恢復的，即也無法提取水印或確定水印的存在。

（3）安全性

指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，難以篡改或偽造，數字水印往往結合密鑰提高它的安全性。在沒有密鑰的情況下，未授權者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破壞水印信息。

（4）抗攻擊性

在水印能夠承受合法的信號失真的同時，水印還應能抗擊試圖去除所含水印的破壞處理過程。除此之外，如果許多同樣作品的復件存在不同的水印，當水印用作購買者的鑒定，就可能遭受許多購買者的合謀攻擊。水印技術必須考慮這些攻擊模式，確保水印探測的準確性。

（5）可證明性

水印應能為受到版權保護的信息產品的歸屬提供完全和可靠的證據。水印算法識別被嵌入到保護對象中的所有者的有關信息并能在需要的時候將其提取出來。提取出來的水印或水印檢測的結果能夠明確地表明版權所有者的身份，不會導致發生所有權的糾紛。

（6）穩健性

數字水印必須難以被除去，如果只知道部分數字水印信息，那么試圖除去或完全破壞數字水印將導致載體嚴重降質或不可用，而且好的水印能夠確定對圖像的破壞位置以及部分地恢復圖像。

2.數字水印的嵌入與提取分析

數字水印的通用模型包括兩個階段：數字水印的嵌入階段和數字水印的提取或檢測階段。在水印信息的嵌入和提取算法中，需考慮到嵌入水印信息后的宿主信息往往會經過許多無意的或惡意的攻擊，這就要求在宿主信息的使用價值下降不太大的情況下，水印能可靠地被提取或檢測出來。

（1）水印嵌入過程：數字水印的生成階段，嵌入算法的目標是使數字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折中。

設有算法E，原始圖像I和水印W，那么水印圖像Iw可表示為：Iw=E(I，W)

水印嵌入過程如下圖1所示：

圖1.數字水印嵌入模型

（2）水印提取過程：提取階段主要是設計一個相應于嵌入過程的檢測算法。檢測方案的目標是使錯判與漏判的概率盡量小。為了給攻擊者增加去除水印的不可預測的難度，目前大多數水印制作方案都在加入、提取時采用了密鑰，只有掌握密鑰的人才能讀出水印。

水印提取是水印嵌入的逆操作。若將檢測過程定義為解碼函數D，已知原始圖像I、有版權疑問的圖像^Iw，水印W和，密碼K。則有：W =D(^Iw，I)

水印提取過程如圖2所示：

2.數字水印的提取模型

二、數字水印技術在電子商務中的應用

1.電子商務中，版權問題已經成為人們關注的熱點問題。數字水印技術利用隱藏水印信息原理使版權標志不可見或不可聽而存在于數字作品之中。當出現版權糾紛問題時，所有者可以從作品中獲取水印信號作為版權依據，從而保護了所有者的正當合法權益。這種用于版權證明的水印要求是魯棒數字水印，用戶在不知密鑰的情況下很難去除或破壞其中的水印。

2.隨著電子商務的發展，電子票據的使用越來越頻繁。數字水印技術是電子票據防偽的關鍵技術，可以在交易雙方的電子票據中嵌入交易時間和簽名等不可見的認證信息，使交易過程不可抵賴，降低了偽造的可能性。水印具有法律效力，可以在交易出現法律糾紛時，作為證據使用。

3.目前，加密技術對于電子形式的身份驗證信息具有良好的保護功能，但無法作為書面憑證進行鑒別，使得“造假”、“買假”成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。而通過數字水印技術，把電子身份驗證信息隱藏到普通的憑證圖像當中，使身份憑證具有不可復制和不可抵賴等特性，實現了電子信息和書面信息的雙重保護。

4.“電子簽章”也叫“數字簽名”，它能夠認定簽署人身份、信息的來源、信息的完整性與安全性等，因此被廣泛地應用在加密信件、商務活動、遠程金融交易等電子商務和電子政務等領域。雖然數字簽名在電子商務應用中已經具備了很高的安全性能，但仍存在風險。使用數字水印技術，魯棒性水印和數字簽名相結合，它能夠將電子簽章信息以數據形式隱藏到普通印章圖像中，與圖像合二為一，能夠取得“白紙黑字”的書面憑證，而且可以對紙質文檔進行簽名。打印后仍能提取，使得文件具備雙重安全效果。

三、 結束語

數字水印技術作為一種新興的安全保護技術應用到電子商務中，表現出其顯著的作用和功效。隨著數字水印的深入研究，其在電子商務中的應用也將日益廣泛。

篇（10）

     

      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”。

一、數字時代的密寫術———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。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。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：

（一）隱蔽性

嵌入水印后的數據與原始數據相比，應感覺不到差別。嵌入水印后的數據不應該包括人們可以感覺到的失真而造成原始數據質量下降，這是一個具有主觀性的屬性，因而目前沒有一個定量的標準來衡量。

（二）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。嵌入水印后的數據經受對數據一些惡意的處理，譬如濾波、再量化、抖動等以及一些蓄意的攻擊后，應該還能得到嵌入的數據。

（三）密鑰的唯一性

即不同的密鑰不應產生等同的水印。

（四）檢測的可靠性

      水印檢測出錯的概率應小于某一合適門限值。這一特性描述了水印檢測算法必須具有一定的確信度。

      二、數字水印的分類

數字水印技術可以從不同的角度進行劃分。

      （一）按特性劃分

按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。

（二）按水印所附載的媒體劃分

按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。

（三）按檢測過程劃分

按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。

（四）按內容劃分

按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應于一個序列號。

（五）按用途劃分

按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

（六）按水印隱藏的位置劃分

按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。

三、數字水印的應用

多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。

      （一）數字作品的知識產權保護

數字作品的版權保護是當前的熱點問題。由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不采用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。“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。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。

（二）商務交易中的票據防偽

隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。另外，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。即使在網絡安全技術成熟以后，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。

（三）聲像數據的隱藏標識和篡改提示

數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值。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。

（四）隱蔽通信及其對抗

數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。網絡情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網絡進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網絡多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網絡進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。

篇（11）

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-429-03

Algorithmic Research of the Digital Watermark Technology in the Multimedia Information

DING Ai-ping

(Department of Information Engineering, Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475003, China)

Abstract: Through the analysis of the characteristics of the digital watermark, this paper deals with the basic principle of the digital watermark technology, analyses the currently popular watermark algorithm, points out the limitations in the current watermark technology and expects its development in the future.

Key words: digital watermark; media information; information release; copyright protection; algorithmic research

隨著Internet 的迅猛發展,近幾年來,多媒體信息的形式越來越豐富。網絡的形式逐漸成為一種重要的形式,伴隨而來的是多媒體數據的版權保護問題。因此,多媒體信息版權保護成了一項重要而緊迫的研究課題。為了解決這一難題,近幾年國際上提出了一種新的有效的數字信息產品版權保護和數據安全維護的技術一一數字水印技術。

數字水印技術通過在原始媒體數據中嵌入秘密信息―――水印來證實該數據的所有權歸屬。水印可以?是代表所有權的文字、產品或所有ID、二維圖像、視頻或音頻數據、隨機序列等,主要應用于媒體所有權的認定(即辨認所有權信息、媒體合法用戶信息),媒體的傳播與算法研究,為實現有效的信息版權保護提供了一種重要的手段。

1 數字水印的基本原理

從圖像處理的角度看,嵌入水印信號可以視為在強背景下迭加一個弱信號,只要迭加的水印信號強度低于人類視覺系統(Human Visual System,HVS)的對比度門限,HVS就無法感到信號的存在。對比度門限受視覺系統的空間、時間和頻率特性的影響,因此通過對原始信號作一定的調整,有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。從數字通信的角度看,水印嵌入可理解為在一個寬帶信道(載體圖像) 上用擴頻通信技術傳輸一個窄帶信號(水印信號),盡管水印信號具有一定的能量,但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測到的。水印的譯碼(檢測),即是在有噪信道中弱信號的檢測問題。

一般來說,為了使水印能有效地應用于版權保護中,水印必須滿足以下特性:

1)隱蔽性。水印在通常的視覺條件下應該是不可見的,水印的存在不會影響作品的視覺效果。

2)魯棒性。水印必須很難去掉(希望不可能去掉)。當然,在理論上任何水印都可以去掉,只是要對水印的嵌入過程有足夠的了解,但是如果對水印的嵌入只是部分了解的話,任何破壞或消除水印的企圖都應導致載體嚴重的降質而不可用。

3)抗竄改性。與抗毀壞的魯棒性不同,抗竄改性是指水印一旦嵌入到載體中,攻擊者就很難改變或偽造。魯棒性要求高的應用,通常也需要很強的抗竄改性。在版權保護中,要達到好的抗竄改性是比較困難的。

4)水印容量。嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內容的創建者或所有者的標志信息,或是購買者的序列號。這樣在發生版權糾紛時,創建者或所有者的信息用于標示數據的版權所有者,而序列號用于標示違反協議而為盜版提供多媒體數據的用戶。

5)安全性。應確保嵌入信息的保密性和較低的誤檢測率。水印可以是任何形式的數據(如數值、文本、圖像等),所有的水印都包含一個水印嵌入系統和水印恢復系統。

6)低錯誤率。即使在不受攻擊或者無信號失真的情況下,也要求不能檢測到水印(漏檢,false -negative),以及不存在水印的情況下而檢測到水印(虛檢、false -positive)的概率必須非常小。

2 數字水印典型算法分析

近幾年來,數字水印技術研究取得了很大的進步,這里對一些典型的算法進行分析。

2.1空間域算法

數字水印直接加載在原始數據上,可以細分為如下幾種方法[1-4]:

1)最低有效位方法(LSB)。

這是一種典型的空間域數據隱藏算法,L. F. Tumer 與R. G. Van Schyadel等先后利用此方法將特定的標記隱藏于數字音頻和數字圖像內。該方法是利用原始數據的最低幾位來隱藏信息(具體取多少位,以人的聽覺或視覺系統無法察覺為原則)。該方法的優點是有較大的信息隱藏量,但采用此方法實現的數字水印很脆弱,無法經受一些無損和有損的信息處理,而且如果確切地知道水印隱藏在幾位LSB中,數字水印很容易被擦除或繞過。

2)Patchwork 方法及紋理塊映射編碼方法。

這兩種方法都是Bender等提出的。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和濾波、壓縮和扭轉等操作具有抵抗能力,但僅適用于具有大量任意紋理區域的圖像,而且不能完全自動完成。

2.2 變換域算法

基于變換域的技術可以嵌入大量比特數據而不會導致可察覺的缺陷,往往采用類似擴頻圖像的技術來隱藏數字水印信息。這類技術一般基于常用的圖像變換,基于局部或是全部的變換,這些變換包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅氏變換(FT或FFT)以及哈達馬變換(Hadamard transform)等。

其中基于分塊的DCT是最常用的變換之一,現在所采用的靜止圖像壓縮標準JPEG也是基于分塊DCT的。最早的基于分塊DCT的一種數字水印技術方案是由一個密鑰隨機地選擇圖像的一些分塊,在頻域的中頻上稍稍改變一個三元組以隱藏二進制序列信息。選擇在中頻分量編碼是因為在高頻編碼易于被各種信號處理方法所破壞,而在低頻編碼則由于人的視覺對低頻分量很敏感,對低頻分量的改變易于被察覺。該數字水印算法對有損壓縮和低通濾波是穩健的。另一種DCT數字水印算法[5]是首先把圖像分成8×8的不重疊像素塊,在經過分塊DCT變換后,即得到由DCT系數組成的頻率塊,然后隨機選取一些頻率塊,將水印信號嵌入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數中。該算法是通過對選定的DCT系數進行微小變換以滿足特定的關系,以此來表示一個比特的信息。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抽取比特信息。

除了上述有代表性的變換域算法外,還有一些變換域數字水印方法,它們當中有相當一部分都是上述算法的改進及發展,這其中有代表性的算法是I. Podichuk 和ZengWenjun 提出的算法[6]。他們的方法是基于靜止圖像的DCT變換或小波變換,研究視覺模型模塊返回數字水印應加載在何處及每處可承受的JND(Just Noticeable Difference,恰好可察覺差別)的量值(加載數字水印的強度上限),這種水印算法是自適應的。

2.3 NEC算法

該算法由NEC實驗室的Cox[5]等人提出,該算法在數字水印算法中占有重要地位。其實現方法是,首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列,該序列具有高斯N(0,1)分布,密鑰一般由作者的標識碼和圖像的哈希值組成,其次對圖像做DCT變換,最后用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個最大的DCT系數。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。

2.4 其他一些水印算法

1)近年來,利用混沌映射模型實現數字水印、保密通信等成為混沌應用研究的熱點。特別是自從Cox等借用通信技術中的擴頻原理將水印信號嵌入到一些DCT變換系數或者多層分解的小波變換系數以來,人們已經提出了一些混沌數字水印方法。水印的嵌入與檢測是基于人類視覺系統(HVS)的亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性,折衷水印的不可見性和魯棒性之間的矛盾。結果表明,該方法嵌入的水印具有不可見性和魯棒性,并且這種基于密鑰的混沌水印方法更好的抗破譯性能。

2)目前比較流行的還有一種基于盲水印檢測的DWT算法。該算法首先對原始圖像進行小波變換,根據人類具有的視覺掩蔽特性對低頻分量進行一定的量化,同時可不影響視覺效果,并對作為水印的圖像進行壓縮和二值化處理,形成一維的二值序列,根據二值序列的值對上述量化后的原始信號的低頻分量進行視覺閾值范圍內允許的修改,從而實現水印的嵌入。水印提取過程是對含有水印的圖像進行小波變換,對低頻分量同樣進行量化處理,為了增大算法的安全性,可以對水印形成的二值0,1序列在嵌入前進一步進行偽隨機序列調制,相應地在水印提取過程需要增加用偽隨機序列解調的步驟。這樣,不知道偽隨機序列的攻擊者即使推測出水印的嵌入規律,也無法提取水印,大大增加了水印系統的透明性和魯棒性。

3 水印技術的局限

為了對版權保護中使用水印的成功可能性進行評估,看能否滿足實際應用需求,就需要對水印技術有更多了解。下面研究數字水印方案普遍存在的一些局限。

1)不知道能夠隱藏多少位。盡管非常需要知道指定大小載體信息上可以隱藏多少比特的水印信息,但這個問題還沒有得到圓滿解決。事實上,對給定尺寸的圖像或者給定時間的音頻,可以隱藏信息量的上界,目前還不清楚。對圖像水印,只能說目前使用的算法可以隱藏幾百比特位的水印信息。

2)還沒有真正健壯的盲圖像水印算法。對于圖像水印,魯棒性還是個問題。目前還沒有能夠在經過所有普通圖像處理變換后,仍能幸免的盲水印算法。尤其是能夠抵抗幾何處理的攻擊,被認為是很難實現的目標。

3)所有者能去除標記。迄今為止提出的所有盲圖像水印,實際上都是可逆的。已知水印的準確內容以及水印的嵌入和檢測算法,則總能在沒有嚴重損壞資料的前提下,使水印不可讀取。目前,還不清楚這個缺點在將來還是否存在;同時在設計版權保護系統時,必須考慮如下問題:一旦水印內容已知,則有可能去除水印或者部分水印。

此外,迄今為止提出的水印算法,其可逆性使人們提出極大的疑問,即設計能夠抗篡改的健壯公開水印技術是否可能?事實上,如果允許任何人讀取水印,則任何人只要知道水印嵌入算法,就可以消除水印。

4 結論

隨著電子商務的加速發展和網絡用戶的直線增長,媒體的安全要求將更加迫切,作為版權保護和安全認證的數字水印技術具有極大的商業潛力,作為一門學科交叉的新興應用技術,它的研究涉及了不同學科研究領域的思想和理論,如數字信號處理、圖像處理、信息論、通信理論、密碼學、計算機科學及網絡、算法設計等技術,以及公共策略和法律等問題,是近幾年來國際學術界才興起的一個前沿研究領域,得到了迅速的發展。但數字水印技術仍然是一個未成熟的研究領域,還有很多問題需要解決,其理論基礎依然薄弱。隨著一些先進的信號處理技術和密碼設計思想的引進,必將日趨成熟且得到更為廣泛的發展應用。

參考文獻:

[1] Eepa Kundur. Dimitrios hatzinakos. Digital watermarking fortelltale tamper proofing and authentication[J].Proceeding of the IEEE,2007,87(7):1167-1180.

[2] 張春田,蘇育挺.信息產品的版權保護技術――數字水印[J].電信科學,2006,14(12) :15-17.

[3] Bender W, Gruhl D. Techniques for data hiding[J].IBM sys2tem journal ,2007,35(3-4):313-336.