數(shù)字水?。―igital Watermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體當(dāng)中(包括多媒體、文檔、軟件等)或是間接表示(修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu))，且不影響原載體的使用價值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生產(chǎn)方識別和辨認(rèn)。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。 數(shù)字水印是實現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法，是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。
數(shù)字水印的特點 作為數(shù)字水印技術(shù)基本上具有下面幾個方面的特點：
----安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對重復(fù)添加有很強的抵抗性
----隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用；不會降質(zhì)；
----魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘柼幚磉^程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印易損水?。‵ragile Watermarking），主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時，這些水印信息會發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。
----水印容量：是指載體在不發(fā)生形變的前提下可嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購買者的序列號，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對水印的容量需求很大。
數(shù)字水印的分類
1.按特性劃分
----按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和易損數(shù)字水印兩類。魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識著作權(quán)信息，利用這種水印技術(shù)在多媒體內(nèi)容的數(shù)據(jù)中嵌入創(chuàng)建者、所有者的標(biāo)示信息，或者嵌入購買者的標(biāo)示（即序列號）。在發(fā)生版權(quán)糾紛時，創(chuàng)建者或所有者的信息用于標(biāo)示數(shù)據(jù)的版權(quán)所有者，而序列號用于追蹤違反協(xié)議而為盜版提供多媒體數(shù)據(jù)的用戶。用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印要求有很強的魯棒性和安全性，除了要求在一般圖像處理（如：濾波、加噪聲、替換、壓縮等）中生存外，還需能抵抗一些惡意攻擊。
----易損水印（Fragile Watermarking），與魯棒水印的要求相反，易損數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時，這些水印信息會發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。易損水印應(yīng)對一般圖像處理（如：濾波、加噪聲、替換、壓縮等）有較強的免疫能力（魯棒性），同時又要求有較強的敏感性，即：既允許一定程度的失真，又要能將失真情況探測出來。必須對信號的改動很敏感，人們根據(jù)易損水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過。
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(shù)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(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。
3.按檢測過程劃分
----按水印的檢測過程可以將數(shù)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(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。
4.按內(nèi)容劃分
----按數(shù)字水印的內(nèi)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(shù)字圖像（如商標(biāo)圖像）或數(shù)字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。有意義水印的優(yōu)勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認(rèn)是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否含有水印。
5.按用途劃分
----不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。按水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分為票證防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。
----票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據(jù)圖像進(jìn)行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票證防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。
----版權(quán)標(biāo)識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識水印主要強調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對數(shù)據(jù)量的要求相對較小。
----篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識原文件信號的完整性和真實性。
----隱蔽標(biāo)識水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來，限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。
6.按水印隱藏的位置劃分
----按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數(shù)字水印、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（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變換域、時/ 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。
----隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。
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(jìn)步，下面對一些典型的算法進(jìn)行了分析，除特別指明外，這些算法主要針對圖像數(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(dāng)?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(jìn)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=，i=1 ，… ，k，水印是服從高斯分布的隨機實數(shù)序列W =，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(dāng)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(jìn)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)字圖像的空間域數(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(jìn)行適當(dāng)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(biāo)，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)字圖像的頻域系數(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(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。
壓縮域算法
基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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?jǐn)?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(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(diào)制(疊加)該圖像除直流(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)描述來確定在圖像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像相關(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。
數(shù)字水印應(yīng)用領(lǐng)域
隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴展，數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識、認(rèn)證和安全不可見通信。
當(dāng)數(shù)字水印應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)時，潛在的應(yīng)用市場在于電子商務(wù)、在線或離線地分發(fā)多媒體內(nèi)容以及大規(guī)模的廣播服務(wù)。數(shù)字水印用于隱藏標(biāo)識時，可在醫(yī)學(xué)、制圖、數(shù)字成像、數(shù)字圖像監(jiān)控、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字水印的認(rèn)證方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面數(shù)字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應(yīng)用。 多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和Internet的普及帶來了一系列政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和文化問題，產(chǎn)生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關(guān)注的問題構(gòu)成了數(shù)字水印的研究背景。
1.數(shù)字作品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)
----數(shù)字作品（如電腦美術(shù)、掃描圖像、數(shù)字音樂、視頻、三維動畫）的版權(quán)保護(hù)是當(dāng)前的熱點問題。由于數(shù)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(chuàng)者不得不采用一些嚴(yán)重?fù)p害作品質(zhì)量的辦法來加上版權(quán)標(biāo)志，而這種明顯可見的標(biāo)志很容易被篡改。
----“數(shù)字水印”利用數(shù)據(jù)隱藏原理使版權(quán)標(biāo)志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達(dá)到了版權(quán)保護(hù)的目的。目前，用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了初步實用化階段，IBM公司在其“數(shù)字圖書館”軟件中就提供了數(shù)字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數(shù)字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)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。
2.商務(wù)交易中的票據(jù)防偽
----隨著高質(zhì)量圖像輸入輸出設(shè)備的發(fā)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(fù)印機的出現(xiàn)，使得貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變得更加容易。
----另一方面，在從傳統(tǒng)商務(wù)向電子商務(wù)轉(zhuǎn)化的過程中，會出現(xiàn)大量過度性的電子文件，如各種紙質(zhì)票據(jù)的掃描圖像等。即使在網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)成熟以后，各種電子票據(jù)也還需要一些非密碼的認(rèn)證方式。數(shù)字水印技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見的認(rèn)證標(biāo)志，從而大大增加了偽造的難度。
3.證件真?zhèn)舞b別
----信息隱藏技術(shù)可以應(yīng)用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護(hù)照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學(xué)歷證書、資格證書等。
國內(nèi)目前在證件防偽領(lǐng)域面臨巨大的商機，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“買假”、“用假”成風(fēng)，已經(jīng)嚴(yán)重地干擾了正常的經(jīng)濟(jì)秩序，對國家的形像也有不良影響。通過水印技術(shù)可以確認(rèn)該證件的真?zhèn)危沟迷撟C件無法仿制和復(fù)制。
4.聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識和篡改提示
----數(shù)據(jù)的標(biāo)識信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經(jīng)/緯度等。沒有標(biāo)識信息的數(shù)據(jù)有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標(biāo)記在原始文件上又很危險。數(shù)字水印技術(shù)提供了一種隱藏標(biāo)識的方法，標(biāo)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(jīng)被國外一些公開的遙感圖像數(shù)據(jù)庫所采用。
----此外，數(shù)據(jù)的篡改提示也是一項很重要的工作?，F(xiàn)有的信號拼接和鑲嵌技術(shù)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(shù)據(jù)的篡改攻擊是重要的研究課題?；跀?shù)字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術(shù)途徑，通過隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲像信號是否被篡改。
5.隱蔽通信及其對抗
----數(shù)字水印所依賴的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發(fā)了信息戰(zhàn)尤其是網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)的革命，產(chǎn)生了一系列新穎的作戰(zhàn)方式，引起了許多國家的重視。
----網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分，其核心內(nèi)容是利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送。迄今為止，學(xué)術(shù)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(jīng)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(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密通信有了新的思路，利用數(shù)字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進(jìn)行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現(xiàn)隱蔽通信。
功能需求
隱蔽性或透明性（Imperceptible or Transparency）－原始圖像在嵌入數(shù)字水印后的差異必須是人眼所無法察覺到的，也就是不能降低或破壞原始圖像的品質(zhì)。 不易移除性（Non-removable）－水印要設(shè)計得不容易甚至不可能被黑客移除。 強健性（Robustness）－經(jīng)過水印技術(shù)處理后的圖像經(jīng)由噪聲、壓縮處理、圖像處理以及各種攻擊后，所萃取的數(shù)字水印仍然可以清楚的體現(xiàn)以便于人眼辨識或判斷。 明確性（Unambiguous）－萃取的數(shù)字水印，經(jīng)過各種攻擊后，失真不會很嚴(yán)重，可以明確的讓擁有者辨識或判斷。
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