本欄目責任編輯:李桂瑾.......人工智能及識別技術(shù)●數(shù)字水印技術(shù)的研究藍嵐(湖南農(nóng)業(yè)大學信息科學技術(shù)學院,湖南長沙410128)摘要:當今時代,作為計算機領(lǐng)域的研究熱點,數(shù)字水印技術(shù)得到了廣泛的應用。本文介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本原理、數(shù)字水印的特征及其分類,并對典型的水印算法及其應用領(lǐng)域進行了闡述。最后,分析指出了數(shù)字水印技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:數(shù)字水印;水印嵌入;水印算法;版衩保護中圖分類號:TP309文獻標識碼:A文章編號:1009- -3044(2007)10- -21091-01Research on Digital Watermarking TechnologyLAN Lan(School of Information Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract:As one of hot research topics in the area of computer, digital watermarking technology has gained wide applications nowadays.This paper makes an introduction of the basic working principle, characteristics and casifications of digtal watermark technology, makes discus-sion and analysis of typical algorithm and is application. Finally， it gives the recent research circs and the prospect of digital watermarking tech-nology.Key'words.digtal watermarking; watermark embedment; watermark algoithm; copyright protection.1引言了作品發(fā)布及使用后,仍保有水印本身原始的信息不變。因此,數(shù)信息時代的兩大重要特征是多媒體信息的數(shù)字化和計算機字水印對正常的數(shù)字作品操作應該具有免疫能力。面向不同的應網(wǎng)絡的廣泛應用。前者提高了信息表達的效率和準確度,為信息用要求,數(shù)字水印一般具備以下基本特征[3]:的存取提供了極大便利;后者特別是Intermet的飛速發(fā)展,則使數(shù)附加數(shù)據(jù)輸入水印提取字作品的發(fā)布及傳輸有了更方便、快捷的途徑。開放的互聯(lián)網(wǎng)絡環(huán)境、數(shù)字化的多樣信息讓人們極大感受到信息資源共享的愜意,然而一系列亟待解決的信息安全問題也隨之產(chǎn)生,典型的有水印.作晶L作品侵權(quán)問題、非法復制及傳播問題、信息篡改及數(shù)據(jù)泄密問題原始作晶嵌入原始作品等,這都使得信息安全技術(shù)越來越成為人們關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的圈1數(shù)字水印系 統(tǒng)模型加密技術(shù)將數(shù)據(jù)加密后傳輸，使沒有密鑰的人難以獲取機密數(shù)(1)魯棒性,這是數(shù)字水印最重要的特征。它又稱穩(wěn)健性,即指據(jù);但這顯然限制了數(shù)據(jù)信息的交流,而數(shù)據(jù)一旦被解密,就完全嵌入水印后的數(shù)字作品在經(jīng)過各種有意或無意的處理或攻擊之被解密人掌握,其保護作用由此消失。數(shù)字水印技術(shù)則與之不同,后,仍能成功檢測出其水印的能力。從數(shù)字水印技術(shù)誕生的應用背它使一些不可見或不可察的信息與數(shù)據(jù)結(jié)合,但能保留數(shù)據(jù)的原最來看,數(shù)字水印信息至少應該難以(最好是不可能)被除去。始形式，且不妨礙用戶使用、檢驗或操作數(shù)據(jù)。其目的不在于限制(2)確定性,即水印所攜帶的所有者等信息能夠被唯- -地鑒正常數(shù)據(jù)的存取,而在于保證隱藏數(shù)據(jù)不被侵犯或發(fā)現(xiàn),從而較別確定,即使在遭到攻擊時,對確認水印信息的精度不會有大的好解決了信息共享與版權(quán)保護之間的矛盾。影響。2數(shù)字水印技術(shù)(3)透明性,即指水印信息植入到原始作品的數(shù)據(jù)中后,不會破壞原有數(shù)字產(chǎn)品的質(zhì)量,而用戶在視覺或聽覺上感覺不到水印2.1數(shù)字水印的基本原理數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術(shù)是在數(shù)字多媒體技術(shù)及的存在?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下應運而生的一種信息安全技術(shù)。它.水印信息。(4)易提取性.即指數(shù)字作品的所有者應能很容易地提取出利用人類感覺器官的不敏感以及數(shù)字信號本身存在的冗余,將具.(5)安全性,這要求水印信息隱藏的位置以及內(nèi)容不能被非有特定意義的標志性信息，通過數(shù)字嵌入的技術(shù)隱藏在文本、圖法用戶檢測識別。像、音頻、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中[I],水印信息可以是作者的序列號、公司標志或有特殊意義的文本等,并能夠抵抗一些攻擊而生存下2.3數(shù)字水印的分類數(shù)字水印技術(shù)已開始應用到諸多領(lǐng)域，其分類方法也眾多，來。同加密技術(shù)相比,數(shù)字水印技術(shù)不改變數(shù)字產(chǎn)品的基本特性典型的劃分原則有:和使用價值,也并不能阻止盜版活動的發(fā)生。但它可以判別對象(1)按水印的載體劃分將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水是否受到了保護,能監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播情況完成真?zhèn)舞b別、印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等;隨限制非法拷貝、甚至能用于解決版權(quán)糾紛等法律問題。數(shù)字水印系統(tǒng)的處理過程一般包含水印嵌人和水印提取兩部著更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn),相應的水印也會出現(xiàn)。分,其基本模型如圖I所示。其中,水印嵌入系統(tǒng)利用私有密鑰或(2)按水印的特性劃分,可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印公開密鑰把水印信息嵌人到原始載體信息中,得到隱秘載體;而水和脆弱數(shù)字水印。前者主要用于在數(shù)字作品中標識著作權(quán)信息,印提取系統(tǒng)則通過專用的檢測器或閱讀器、利用相應的密鑰從隱如作者、作品序號等,它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編蔽載體中檢測或恢復出水印2]。沒有解密密鑰時,攻擊者一般很難輯處理。后考主要用干宗整件保護與魯棒水印的要求相反,脆弱從隱秘載體中發(fā)現(xiàn)或修改水印，從而保證了嵌人的相關(guān)特殊信息水印;中國煤化工據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以保持原有形態(tài),使具有標志意義的數(shù)據(jù)能更安全的保存下來。判斷HCcNM HGR劃分為時(空)坡數(shù)字術(shù)2.2數(shù)字水印的典型特征數(shù)字水印作為嵌人到數(shù)字產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)中的特殊信息,不僅印.頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印。時(下轉(zhuǎn)第1095 頁)要保證被隱藏后不被侵犯或發(fā)現(xiàn),更重要的是應該保證其在經(jīng)歷收稿日期:2007-03-231091本欄目責任編輯:李桂瑾......人工智能及識別技術(shù)●Communications (TCC.03), 2003Int. Workshop VLSI Design & Video Tech. Suzhou, China, May 28-[10]. Fu Y, Shen R, Shen L. A novel asynmetie watermarking30,2005.260-263scheme. Proceedings of the Third Intemational Conference on Ma-[12] Tzeng J, Hwang W L, and Chem 1 L, An asymmetrie sub-chine learming and Cybemetics, Shanghai, August 2004.26-29space watermarking method for copyright protection， IEEE Trans.[] Guo-fu Gui, Ling -ge Jjang and Chen He. General con-Signal Process, 2005,53(2): 784-792struction of asymmetric watermarking based on permutation. IEEE(上接第1091頁換得到水印圖像|*,解碼函數(shù)則分別計算原始圖像[和水印圖像(空)域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字]*的離散余弦變換,并提取嵌人的水印W*,再做相關(guān)檢驗以確定水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經(jīng)過-些通用的幾何變變換域、時/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。形和信號處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后,仍然能夠提取出可(4)按水印的內(nèi)容特性劃分,分為有意義水印和無意義水印。信賴的水印拷貝.因此具有較強魯棒性。在隱藏和提取信息的操前者本身可能正是數(shù)字圖像或數(shù)宇音頻片段的編碼內(nèi)容,但后者作方面,此算法稍顯復雜,隱藏信息量仍不能很大;但由于其抗攻本身則只是-一個序列號。擊能力強,所以在數(shù)字作品版權(quán)保護方面得到較廣泛應用。(5)按 檢測過程劃分,將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。(4)Cox算法明文水印在檢測過程中需要原始數(shù)據(jù),而盲水印的檢測只需要密該算法因其提出人而得名,因其實用價值高而使其在數(shù)字水鑰,不需要原始數(shù)據(jù)。印算法中占有重要地位。實現(xiàn)思想是:先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽(6)按用途劃分,將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印版權(quán)保護隨機序列,該序列具有高斯分布的特征,密鑰一般由作者的標識水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印等。它們都以隱藏某些難以復碼和圖像的哈希值組成;然后,對圖像做DCT變換,最后用偽隨機制的標志信息為手段,為限制對數(shù)字產(chǎn)品的非法操作提供了可能。高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個最大的2.4數(shù)字水印技術(shù)的常用算法DCT系數(shù)。Cox算法提出了增強水印魯棒性和抗攻擊算法的重要理論上,數(shù)字水印將對保護各種形式的數(shù)字產(chǎn)品起到重要作原則,即:水印信號應該嵌人源數(shù)據(jù)中對人感覺最重要的部分,這用。但目前學術(shù)界對其研究多半仍集中于靜止圖像的水印上,許種水印信號由獨立同分布隨機實數(shù)序列構(gòu)成，且該實數(shù)序列應該多討論依然圍繞著數(shù)字水印系統(tǒng)的框架構(gòu)建等基礎問題;相比之具有高斯分布的特征。所以,該算法具有較強的魯棒性、安全性以下,對音頻水印、視頻水印的研究尚屬少數(shù)。盡管如此,對下述幾及透明性等,由于采用了特殊的密鑰形式,因此還可以有效防止種典型的數(shù)字圖像水印算法(某些算法也適用于視頻和音頻數(shù)IBM攻擊(最具典型性的水印攻擊)。據(jù))的分析,仍可以了解到數(shù)字水印算法的基本思路和實現(xiàn)方法。3結(jié)束語(1)空間域算法隨著對數(shù)字水印技術(shù)研究的深人,其在版權(quán)保護、票據(jù)防偽、這類算法中典型的處理思想是將信息嵌人到隨機選擇的圖內(nèi)容認證和完整性檢驗.內(nèi)容標識與注釋.操作跟蹤、拷貝保護、像點中最不重要的象素位(ISB,Least Significant Bits)上,這就能隱藏通信及其對抗、指紋識別以及使用控制等方面的應用將更加保證嵌人的水印是不可見的。但其算法的魯棒性差,水印信息很廣泛。其中最具代表意義的正是數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護。信息時代,盜容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另一種思路是利用版已成為對數(shù)字化產(chǎn)業(yè)最大的威脅。據(jù)有關(guān)資料顯示,美國每年象素的統(tǒng)計特征將信息嵌人其亮度值中。例如,隨機選擇N對象有超過50萬人因盜版數(shù)字產(chǎn)品遭遇糾紛，直接或間接經(jīng)濟損失索點(ai,b),然后將每個a點的亮度值加1,每個b點的亮度值臧達數(shù)億美元。世界上許多國家和地區(qū)也都遭遇到類似問題,這在1,這樣整個圖像的平均亮度可保持不變。適當調(diào)整參數(shù)的情況相當程度上阻礙了全球數(shù)字化的進程。對數(shù)字多媒體信息的版權(quán)下,這種方法能對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵所有者而言,反盜維權(quán)的要求迫在眉睫;作為近年來國際學術(shù)界.抗力,但其嵌入的信息量卻是有限的。的一個前沿研究領(lǐng)域,數(shù)字水印技術(shù)同信息安全、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)這類基于JPEGMPEG標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省(2)壓縮域算法隱藏等計算機技術(shù)關(guān)聯(lián)甚密,已逐漸成為數(shù)字作品版權(quán)保護的利了大量的完全解碼和重新編碼過程,而且在數(shù)字電視廣播及VOD器。在網(wǎng)絡技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,數(shù)字水印的研究更具現(xiàn)實意義;(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應地,水印檢測與提隨著信息與計算機網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字水印已經(jīng)在電子信取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行。這類算法的關(guān)鍵在于如何把水息安全等領(lǐng)域有了成功的應用,其研究與應用必將擁有更加廣閼印信號加到數(shù)據(jù)信號中,即加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中。其原的發(fā)展前景。參考文獻:理是,首先對DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每-輸人的Hufman碼進行解碼[I] Cox I J, Miller M L Bloom J A.Digital W aermarking[M],北和逆量化,以得到當前數(shù)據(jù)塊的一個DCT系數(shù);然后把相應水印京:電子工業(yè)出版社, 2003:63-66.信號塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數(shù),再[2] Kutter M, Bbattackarjee S K, Ebrahimi T.Towards Sel :ond重新進行量化和Huffman編碼，最后對新的Hufman碼字的位數(shù)Generation W atermarking Schemes[J].ProcInt Conf Image Processing,nl與原來的無水印系數(shù)的碼字n0 進行比較。在n0不大于nl的情1999 ,1(1):25-28.況下才傳輸水印碼字.否則傳輸原碼字,從而保證了不增加視頻[3] Eggers J, Buml P, Girod B.A communications approach to數(shù)據(jù)流位率[4]。image steganography[C].SanJose, USA: Proceedings of SPIE: Elec-(3)變換域算法這類算法中,大部分都采用了擴展頻譜通信(Spread Spectrumtronic Imaging, Security and W atermarking of Multimedia ContentsIV, 2002.26-37.Communication, 簡稱擴頻)技術(shù)。算法實現(xiàn)過程為:先計算圖像的中國煤化工體數(shù)字水印技術(shù)小通信學離散余弦變換(DCT),然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數(shù)上(不包括直流分量)。若DCT系數(shù)的前k個最大分量表示fHC NM HG算機工程與設計206.22為D=(di),i=1 ,2,. ,k;水印是服從高斯分布的隨機實數(shù)序列W=(1):46-50.(i),i=1,2,.. ,k。那么水印的嵌人算法為di=di(1+awi),其中常數(shù)a為尺度因子,控制水印添加的強度[5- -6]。然后用新的系數(shù)做反變[6]蔣華,股肖川.數(shù)字水印技術(shù)的研究[J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004, 181(14):84- -86,90.1095