26福建電腦2005年第10期數(shù)字水印技術(shù)劉云冰(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，潮北武汊430081)[摘要]數(shù)字水印是近幾年來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)技術(shù),是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。文中論述了如下幾個(gè)問題:(1)數(shù)字水印的典型算法;(2)數(shù)宇水印的分類;(3)數(shù)字水印的主要應(yīng)用領(lǐng)城;(4)數(shù)字水印的研究現(xiàn)狀;(5)數(shù)字水印的發(fā)展方向。[關(guān)鍵詞]數(shù)字水印;版權(quán)保護(hù) ;算法1數(shù)宇水印技術(shù)概述o'=o+ax;(2)隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,信息媒體的數(shù)字化使v'=(1+ax; )u;信息的準(zhǔn)確獲取、存儲(chǔ)、傳輸、復(fù)制變成了一個(gè)簡(jiǎn)單的過程,人們o'=o, (e=)(4借助于計(jì)算機(jī)掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備,可以方便快捷地將注意式(2)是可逆的,而式(3)和(4)僅當(dāng)o≠0時(shí)才可逆。數(shù)字信息傳達(dá)到世界各地。如何防止數(shù)字化信息被非法侵權(quán)、盜Cox方案植入的水印是不可見的、魯棒的,在提取水印時(shí)需版和惡意篡改, e成為一個(gè)迫在眉睫地現(xiàn)實(shí)問題。近幾年國(guó)際上要 原始圖像。此外,在判斷水印是否存在時(shí)需要原始水印(或者提出了數(shù)字信息產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)的新型技術(shù)一是 原始水印的隨機(jī)數(shù)序列生成時(shí)所使用的種子),依靠判斷其相數(shù)字水印技術(shù)。它可以標(biāo)識(shí)作者、所有者、發(fā)行者、使用者等,并近程度來(lái)得到答案。攜帶有版權(quán)保護(hù)信息和認(rèn)證信息，目的是鑒定出非法復(fù)制和盜2.2 Pitas方法叫用的產(chǎn)品,作為密碼學(xué)的加密或置亂技術(shù)的補(bǔ)充，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品核心算法:假設(shè)- -個(gè)大小為NxM的圖像1,加人水印s之后的合法拷貝和傳播。變換成為圖像Is,圖像I如下定義:2數(shù)字水印技術(shù)的典型算法1ly .(1,.41, 00,-1,且x .(.01,._1]1 (5)數(shù)字水印方案包含三個(gè)基本要素:數(shù)字水印本身的結(jié)構(gòu)、加其中L-1為像素的最大灰度載(插入)數(shù)字水印的地方或者說(shuō)加載數(shù)字水印的策略和數(shù)字水水印S如下定義:印的檢測(cè)。水印的結(jié)構(gòu)一般包括兩部分,一是水印所含的具體信S=lσm ,ne 1,.,-1, (1,-M-1LIs_ e(0,1}(6)息,如版權(quán)所有者使用者等信息,二是偽隨機(jī)序列或類噪聲序其中s中元素為0的數(shù)目與元素為I的數(shù)目相等。列以標(biāo)識(shí)水印的存在與否。大多數(shù)數(shù)字水印方案的水印結(jié)構(gòu)僅把1分成2部分: A=[xmelsn=1)(7)包括其中之一,這和數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)方法及使用場(chǎng)合有關(guān)。而數(shù)B=(xm∈l,$ =0}(8)字水印的具體檢測(cè)方法相對(duì)較少且簡(jiǎn)單,通常都采用直接檢測(cè)給 A中的每個(gè)元素加一一個(gè)正整數(shù)因子k,得到:或相關(guān)檢測(cè)方法,也有采用最大后驗(yàn)概率檢測(cè)的數(shù)字水印方案。C:C={x. .el,xomeA }(9)數(shù)字水印算法的性能相當(dāng)程度上取決于所采用的加裁(插人)策則得到加入水印的圖像l: I=CUB(10)略及方法,目前數(shù)字水印技術(shù)的研究主要集中在這一-領(lǐng)域。用a6,c,表示集合A,B,C中元素的平均值,用sgSus.表示樣2.1 Cox方法購(gòu)本方差。Cox方法是IngemerJCox于1995年提出的發(fā)散譜(spread3數(shù)字水印技術(shù)分類網(wǎng)spectum)算法,是變換域(也叫頻率域)水印算法的代表。其原理3.1 從數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)算法(即加載方法)分類,數(shù)字水印可分為是通過時(shí)頻分析,在數(shù)字圖像的頻率域上做修改,使修改后的系空 間城數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印兩大類。數(shù)隱含數(shù)字水印的信息。這類方法較好地利用了人類視覺系統(tǒng)較早的數(shù)字水印算法從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是空間城上的,數(shù)字水的特性，水印信息經(jīng)過一定的調(diào)制過程隱藏于數(shù)字圖像感知比印直接加裁在數(shù)據(jù) 上?；谧儞Q域的技術(shù)可以嵌人大量比特?cái)?shù)較重要的頻譜部分，從而可以抵抗有損壓縮和其他數(shù)字圖像處據(jù)而不會(huì)導(dǎo)致可察覺的缺陷，往往采用類似擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來(lái)理操作。隱藏?cái)?shù)字水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換,基于局在Cox方法中,提倡水印應(yīng)該是獨(dú)立的、均勻分布的Gauss部或是全部的變換,這些變換包括離散余弦變換([CT).小波變隨機(jī)數(shù)序列,并將之植人類發(fā)散譜方式中的最有意義的譜部分。換(wT). 付氏變換(FT或FFTD)以 及哈達(dá)馬變換(Hadamard trans-這里所討論的水印植人策略對(duì)信號(hào)處理操作(如有損壓縮、濾form)等等。 其中基于分塊的DCT是最常用的變換之- ,現(xiàn)在所波、D-A和A-D轉(zhuǎn)換.重量化等)和通用的幾何變換(如裁剪、采用的靜止圖像壓縮標(biāo)淮JPEG也是基于分塊DCT的。放縮、平移和旋轉(zhuǎn)等)是魯棒的,其算法需要提供原始圖像和原3.2 從外觀上分類,數(shù)字水印可分為兩大類,即可見數(shù)字水印和始水印sGauss噪音的引人,提高了算法針對(duì)多文檔、共謀和攻擊不可 見數(shù)字水印。更淮確地說(shuō)應(yīng)是可察覺數(shù)字水印和不可察覺的有效性。數(shù)字水印,這是對(duì)圖像而言,通常,我們采用上述提法來(lái)概括所水印植人過程的描述:從文檔D中提取-些值序列V=加s有媒體 上的數(shù)字水印。.選揮一個(gè)水印Xx=x"x。按照X修改V得到V'=o' o'可見數(shù)字水印，最常見的例子是有線電視頻道上所特有的...,",將之放回到文檔D中得到D'。攻擊者修改D'得到D',由半透明標(biāo)識(shí)(logo),其主要目的在于明確標(biāo)識(shí)版權(quán),防止非法的D°和D' ,依照提取檢測(cè)水印算法,可能提取出一個(gè)修改后的水使用中國(guó)煤化工現(xiàn)覺上不可見，目的是為印x",把它和X做比較,判斷水印的正確性:了將二號(hào),以增加起訴非法使用sim(Xr,X)=- X-x(1)者的感YHCN M H G權(quán)。不可見數(shù)字水印根Vx.X據(jù)穩(wěn)健性可再細(xì)分為穩(wěn)健的不叮見數(shù)字水印(invisible--robust若sim(X',X)接近1,說(shuō)明有水印。digital walermark)和脆弱 的不可見數(shù)字水印inisibe-rgile dig在植入X到V中生成V'的過程中，定義- -個(gè)比例因子a，ital watemmark)。通常取值范圍為[0.1 ,0.2]。可以選用如下3種方法計(jì)算V':3.3從加載方法是否可逆上分類,大致可分為可逆數(shù)字水印、半2005年第10期福建電腦27可逆數(shù)字水印、非可逆數(shù)字水印三類。目前國(guó)內(nèi)最主要根據(jù)不同的算法給出相應(yīng)的圖像水印技3.4從檢測(cè)方法上分類,可分為秘密和公開數(shù)字水印、私鑰和公術(shù),其中包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的數(shù)字水印算法、基于離散余弦鑰數(shù)字水印方案。變換的數(shù)字水印算法、基于維納濾波的數(shù)字水印算法、基于離散3.5按載體分類,可分為靜止圖像水印、視頻數(shù)字水印聲音數(shù)字小波 變換域的圖象水印技術(shù)等等,尤其集中在小波變換居多,并水印、文檔數(shù)字水印等等。且大多采用多變換的組合,例如:基于小波與余弦變換的組合、4數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀基于多小波等等。4.1主要應(yīng)用領(lǐng)域5數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展方向(1)版權(quán)認(rèn)定與保護(hù)即數(shù)字作 品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一由于數(shù)字水印技術(shù)是近幾年國(guó)際學(xué)術(shù)界才興起的一個(gè)前沿個(gè)水印，并將其嵌人原始數(shù)據(jù),然后公開發(fā)布他的水印版本作研究領(lǐng) 城,處于發(fā)展的初級(jí)階段,并迅速發(fā)展著,因此掌握其發(fā)品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者即可從盜版作品展方向?qū)?于指導(dǎo)數(shù)字水印的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義?；蛩“孀髌分蝎@取水印信號(hào)作為依據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán)5.1 算法分析益。對(duì)這種應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō),水印技術(shù)必須有較好的魯棒性、安全通過對(duì)現(xiàn)有數(shù)字水印算法的魯棒性安全性、抗攻擊性等特性透明性和水印嵌人的不可逆性。性的研究,并結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),尋找出它們之間的關(guān)系,(2)加指紋為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行.出晶人可從而發(fā)現(xiàn)更加好的數(shù)字水印技術(shù)。以將不同用戶的ID或序列號(hào)作為不同的水印(指紋)嵌人作品的5.2 基于特征的數(shù)字水印技術(shù)合法拷貝中,一且發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝,就可以根據(jù)此拷貝所恢因基于統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)字水印技術(shù)容易受到非線性等變換方復(fù)出的指紋來(lái)確定它的來(lái)源。對(duì)這種應(yīng)用領(lǐng)城來(lái)說(shuō),水印技術(shù)除法的攻擊， 而基于特征的數(shù)字水印技術(shù)如基于邊界信息的數(shù)字具有版權(quán)保護(hù)應(yīng)用中的特性外,還必須具有防止串謀攻擊(多拷水印技術(shù)等則具有較好魯棒性,因此可能成為今后的研究重點(diǎn)。貝攻擊)等功能。5.3公鑰數(shù)字水印系統(tǒng)(3)標(biāo)題與注釋即將作品 的標(biāo)題注釋等內(nèi)容(如,一幅照即使用一個(gè)專有的密鑰來(lái)疊加水印信號(hào),而任何人均可通片的拍攝時(shí)間和地點(diǎn)等)以水印形式嵌人該作品中,這種隱式注過一個(gè)公開的密鑰來(lái)檢測(cè)出水印信號(hào)，但是用公開的密鑰來(lái)推釋不需要額外的帶寬,且不易丟失。導(dǎo)專有密鑰和用公開的密鑰來(lái)去除水印信號(hào)這兩個(gè)過程都非常(4)篡改提示當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭 、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)困難。目前,該領(lǐng)域還未取得突破性進(jìn)展。時(shí),常需確定它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實(shí)5.4數(shù)字水印代理(Agent)現(xiàn)該目的,通?？蓪⒃紙D像分成多個(gè)獨(dú)立塊,再將每個(gè)塊加入其核心思想是將數(shù)字水印技術(shù)與TSA (Trusted spting a不同的水印。同時(shí)可通過檢測(cè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊中的水印信號(hào),來(lái)確定gen)相結(jié)合 。這種數(shù)字水印代理在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器之間漫游,扮作品的完整性。與其他水印不同的是.這類水印必須是脆弱的，演著 基于數(shù)字水印檢測(cè)、驗(yàn)證和追蹤非法拷貝的偵探角色。并且檢測(cè)水印信號(hào)時(shí),不需要原始數(shù)據(jù)。6結(jié)語(yǔ)(5) 使用控制這種應(yīng)用的一 -個(gè)典型的例子是DVD防拷貝數(shù)字水印技術(shù)是一種橫跨圖像處理、信號(hào)處理、聲音處理、系統(tǒng),即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中,這樣DVD播放機(jī)即可通 數(shù)字通信、密碼學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科的新興技術(shù),具有很大過檢測(cè)DVD數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性.從的潛 在商業(yè)和軍事價(jià)值,因此對(duì)它的研究具有重要的學(xué)術(shù)和經(jīng)而保護(hù)制造商的商業(yè)利益。濟(jì)價(jià)值。4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀參考文獻(xiàn)[1] Ingemar J CoxJoe Kilin,F Thomson Leighton,Talal Shamoon. 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