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2.4 典型數(shù)字水印算法 近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進步，下面對一些典型的算法進行了分析，除特別指明外，這些算法主要針對圖象數(shù)據(jù)(某些算法也適合視頻和音頻數(shù)據(jù))。 空域算法。該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上 ，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由于使用了圖像不重要的像素位 ，算法的魯棒性差 ，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個常用方法是利用像素的統(tǒng)計特征將信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是隨機選擇Ｎ對像素點 (ai，bi) ，然后將每個ai點的亮度值加 1 ，每個bi點的亮度值減 1，這樣整個圖像的平均亮度保持不變。適當?shù)卣{(diào)整參數(shù)，Patchwork方法對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對每一個圖像塊進行嵌入操作。 變換域算法。該類算法中，大部分水印算法采用了擴展頻譜通信 (spread spectrum communication)技術(shù)。算法實現(xiàn)過程為：先計算圖像的離散余弦變換 (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)，通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前ｋ個最大分量表示為Ｄ={ di }，i=1 ，… ，ｋ，水印是服從高斯分布的隨機實數(shù)序列Ｗ ={ wi }，i=1 ，… ，ｋ，那么水印的嵌入算法為di = di(1 + awi)，其中常數(shù)a為尺度因子 ，控制水印添加的強度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像I。解碼函數(shù)則分別計算原始圖像I和水印圖像I＊的離散余弦變換 ，并提取嵌入的水印Ｗ＊，再做相關(guān)檢驗  以確定水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變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一個可信賴的水印拷貝。一個簡單改進是不將水印嵌入到ＤＣＴ域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調(diào)節(jié)水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外，還可以將數(shù)字圖象的空間域數(shù)據(jù)通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類型，對其進行適當編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標，選擇某些類型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù)字圖象的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。該類算法的隱藏和提取信息操作復(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護的數(shù)字水印技術(shù)中。 壓縮域算法　基于JPEG、MPEG標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省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(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應(yīng)地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行。下面介紹一種針對MPEG-2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。雖然MPEG-2數(shù)據(jù)流語法允許把用戶數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)流中，但是這種方案并不適合數(shù)字水印技術(shù)，因為用戶數(shù)據(jù)可以簡單地從數(shù)據(jù)流中去掉，同時，在MPEG-2編碼視頻數(shù)據(jù)流中增加用戶數(shù)據(jù)會加大位率，使之不適于固定帶寬的應(yīng)用，所以關(guān)鍵是如何把水印信號加到數(shù)據(jù)信號中，即加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中。對于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言，它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運動向量(用于運動補償)和DCT編碼信號塊3部分，在方案中只有MPEG-2數(shù)據(jù)流最后一部分數(shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman碼進行解碼和逆量化，以得到當前數(shù)據(jù)塊的一個DCT系數(shù);其次，把相應(yīng)水印信號塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數(shù)，再重新進行量化和Huffman編碼，最后對新的Huffman碼字的位數(shù)n1與原來的無水印系數(shù)的碼字n0進行比較，只在n1不大于n0的時候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流位率。該方法有一個問題值得考慮，即水印信號的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號，而基于運動補償?shù)木幋a方案會將一個誤差擴散和累積起來，為解決此問題，該算法采取了漂移補償?shù)姆桨竵淼窒蛩⌒盘柕囊胨鸬囊曈X變形。 NEC算法　該算法由NEC實驗室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)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象的哈希值組成，其次對圖象做DCT變換，最后用偽隨機高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該算法還提出了增強水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即水印信號應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對人感覺最重要的部分，這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(yīng)該具有高斯分布N(0，1)的特征。 生理模型算法　人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統(tǒng)HAS。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用，同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導(dǎo)出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各個部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質(zhì)量。也就是說，利用視覺模型來確定與圖象相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插入水印。這一方法同時具有好的透明性和強健性。3. 結(jié) 論 信息隱藏及數(shù)字水印技術(shù)是近幾年來國際學(xué)術(shù)界興起的一個前沿研究領(lǐng)域。它與信息安全、信息隱藏、數(shù)據(jù)加密等均有密切的關(guān)系。特別是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用迅速發(fā)展的今天，水印技術(shù)的研究更具現(xiàn)實意義。今后水印技術(shù)的研究仍將著重于頑健性、真?zhèn)舞b別、版權(quán)證明、網(wǎng)絡(luò)快速自動驗證以及聲頻和視頻水印等方面，并將與數(shù)據(jù)加密技術(shù)緊密結(jié)合，特別是頑健性和可證明性的研究。水印的頑健性能體現(xiàn)了水印在數(shù)字文件中的生存能力，當前的絕大多數(shù)算法雖然均具有一定的頑健性，但是如果同時施加各種圖像攻擊，那么這些算法均會失效。如何尋找更加頑健的水印算法仍是一個急需解決的問題。另外當前的水印算法在提供可靠的版權(quán)證明方面或多或少有一定的不完善性，因此尋找能提供完全版權(quán)保護的數(shù)字水印算法也是一個重要的研究方向。目前有很多的水印攻擊方法（請參閱參考資料），作者針對攻擊方法及相應(yīng)的解決方案將另有文章論述