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    編者按：近年來，隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的數(shù)字信息，包括文字、圖像、視頻等得以廣泛傳播。由于數(shù)字媒體易于存儲、復(fù)制和傳播，使得大量數(shù)字媒體在以合法形式進(jìn)行傳播的同時，經(jīng)常遭遇非法復(fù)制與傳播。而一些傳統(tǒng)加密技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中又不能有效地防止偽造及侵權(quán)行為，在這種形勢下，作為傳統(tǒng)加密技術(shù)的有效補(bǔ)充，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。    本文主要介紹應(yīng)用數(shù)字水印解決印刷圖文數(shù)據(jù)防偽的技術(shù)。    數(shù)字水印技術(shù)檔案    1、數(shù)字水印技術(shù)分類    1)以檢測方法分類    根據(jù)檢測水印是否需要原始圖像，可將數(shù)字水印技術(shù)分為私有水印技術(shù)(Private Watermarking)、半私有水印技術(shù)(Semiprivate Watermarking)和公開水印技術(shù)(Public Watermarking或Blind Watermarking)。私有水印技術(shù)是指檢測水印時需要原作品，因此，在數(shù)據(jù)跟蹤與監(jiān)控或視頻水印等情況下，要獲得原始圖像是不現(xiàn)實(shí)的，因此這種技術(shù)的應(yīng)用有限。半私有水印技術(shù)是指檢測水印時不需要原作品，且水印是隨機(jī)序列，這種水印技術(shù)是根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)理論來判斷水印是否存在，但不能判斷水印是什么。公開水印技術(shù)是指提取水印時不需要原作品，且水印是一個有意義的圖案或文字，這種水印技術(shù)實(shí)用性很強(qiáng)，是今后的重點(diǎn)研究方向。目前大多數(shù)水印技術(shù)為前兩種類型。    2)以數(shù)字水印的加載方法分類    根據(jù)數(shù)字水印加載方法的不同，可將數(shù)字水印分為空間域數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印兩大類。    所謂空間域數(shù)字水印，即將數(shù)字水印直接加載在數(shù)據(jù)上， 即圖像的像素值上，典型方法有最低有效位方法(LSB)和Patchwork法。前一種方法具有算法簡單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是嵌入的數(shù)字信息比較脆弱，無法經(jīng)受常見的數(shù)字信號處理；Patchwork法是一種基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)水印嵌入方案．具有不易察覺性，并且對于有損壓縮編碼(JPEG)和一些惡意攻擊具有一定的抵抗力。    變換域數(shù)字水印是先將圖像進(jìn)行正交變換，在變換域內(nèi)嵌入水印，再經(jīng)過反變換而成為含水印的圖像。在基于圖像全部變換的數(shù)字水印力法中，明確提出加載于圖像的視覺敏感部分的數(shù)字水印才有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。而且基于變換域的技術(shù)可以嵌入大量信息而不會輕易被發(fā)現(xiàn)。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換，基于局部或是全部變換，這些變換包括基于奇異值分解變換(SVD)、離散余弦變換(DCT)、小波變換(DWT)、付氏變換(FT或FFT)及哈達(dá)馬變換等。其中，基于分塊酌DCT是最常用的變換之一，現(xiàn)在國際上所采用的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JEPG也是基于分塊DCT的變換。    2、數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展    數(shù)字水印是數(shù)字信號處理、圖像處理，密碼學(xué)應(yīng)用、通信理論、算法設(shè)計(jì)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，是國際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。目前，國際上數(shù)字水印技術(shù)已可提供以下服務(wù)：有關(guān)水印的信息指南，鏈接數(shù)字水印主頁、下載文章、下載軟件、水印圖像數(shù)字、水印數(shù)字視頻、水印數(shù)字音頻等。并已開發(fā)出有關(guān)數(shù)字水印及信息隱藏方面的商業(yè)軟件，有一些軟件和源代碼可免費(fèi)獲得。    在國內(nèi)，從有關(guān)數(shù)字水印方面的文獻(xiàn)來看，尚無數(shù)字水印或信息隱藏的商業(yè)軟件，雖然一些單位已開發(fā)出實(shí)驗(yàn)軟件或演示軟件，但從理論和研究成果兩方面來看，國內(nèi)在數(shù)字水印方面的研究工作還處于起步階段。    將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于印刷圖文防偽還只是一種嘗試性研究，它的成熟有待于今后不斷的開拓與探討。    3、提取數(shù)字水印用相關(guān)設(shè)備    采用以上方法提取數(shù)字水印所用儀器比較簡單，只需要彩色打印機(jī)、掃描儀及計(jì)算機(jī)。打印機(jī)和掃描儀可采用中檔產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)的配置應(yīng)為：內(nèi)存32MB以上，顯存16MB以上，CPU賽揚(yáng)300以上，以保證數(shù)字水印的順利提取。   數(shù)字水印對印刷圖文的保護(hù)   1、印刷工藝對圖像處理的特殊性   1)處理對象    印刷行業(yè)對圖像處理有許多特殊性．印前處理面對的是大量的彩色圖文信息，同時還要考慮印刷工藝所能復(fù)制的圖像層次及密度范圍，并要求圖像處理過程中層次與色彩的損失盡可能小。    2)表現(xiàn)方法    顯示器是采用“一對一”的映射方式顯示圖像，每個發(fā)光點(diǎn)可取代與像素值相應(yīng)的數(shù)字，圖像的像素與顯示器的顯示點(diǎn)呈現(xiàn)“一一對應(yīng)”關(guān)系。而印刷機(jī)(包括數(shù)字印刷機(jī)和不同類型的打印機(jī))是典型的單值設(shè)備。在一個固定位置(像素點(diǎn))上只能以”有”或“無”兩種狀態(tài)存在。    這種以大小不同的印刷網(wǎng)點(diǎn)來模擬連續(xù)調(diào)原稿的印刷方式，從微觀角度看，圖像是不連續(xù)的，而且印刷圖像中的每個網(wǎng)點(diǎn)又需要用一系列按某一規(guī)則排列的、更小的像素組成，即數(shù)字圖像中的1個像素需要用有限個設(shè)備像素來組成。因此，為了忠實(shí)再現(xiàn)原稿，印刷數(shù)字圖像需要具有較高的分辨率。    2、掃描、打印過程對隱藏信息的影響    1)掃描過程的圖文失真    目前市場上的掃描儀都不同程度地存在一些缺陷，如掃描后，整體反差失真、偏色、有龜紋、聚焦不準(zhǔn)等。此外，掃描儀的質(zhì)量還取決于掃描儀中傳感器的性能、A／D轉(zhuǎn)換器與傳感器對輸出電壓的采樣能力及掃描分辨率，這些因素對輸出圖像的質(zhì)量都有很大的影響：掃描儀分辨率決定掃描儀在每英寸圖像上的采樣點(diǎn)數(shù)，對給定的一幅圖像，掃描分辨率應(yīng)適當(dāng)，分辨率過低會導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失，而且可能使掃描輸入的圖像出現(xiàn)混疊和麻點(diǎn)；過高的分辨率不但對輸出圖像幫助不大，反而會使圖像的像素成幾何級數(shù)增加。從掃描的整個過程看，除了儀器的質(zhì)量因素外，人為因素也很重要，如圖像原稿在掃描平板上的放置位置有偏斜，則經(jīng)掃描得到的圖像就相當(dāng)于經(jīng)過了旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切(或平移)這一系列幾何變換，成為含有掃描噪聲的失真版本，會破壞數(shù)字水印的效果。因此，不當(dāng)?shù)膱D像掃描對信息隱含是很不利的。   2)打印過程的圖像失真    數(shù)字圖像可由激光打印機(jī)或噴墨打印機(jī)輸出。激光打印機(jī)屬于點(diǎn)陣打印機(jī)，加網(wǎng)方法多為抖動法，利用圖像具有的紋理．局部紋理和像素灰度值具有相近性，而人眼視覺系統(tǒng)又具有空間低通性的特點(diǎn)，通過計(jì)算形成網(wǎng)點(diǎn)，用一組打印點(diǎn)代表相同個數(shù)的一組像素，并通過這組打印點(diǎn)表現(xiàn)這些像素的整體灰度效果。但抖動法輸出的圖像在局部細(xì)節(jié)上往往有一定的失真，在圖像上偶爾會出現(xiàn)高頻抖動的紋理。另一方面，由網(wǎng)點(diǎn)形狀．激光束的形式。紙張的表面特性，如光滑度等因素造成的網(wǎng)點(diǎn)變化(增大與減小)也常會導(dǎo)致輸出圖文變得模糊。   3、隱含印刷圖文信息的基本技術(shù)    為了隱含信息，必須解決圖像掃描前后信息的丟失問題。即如何控制掃描和打印操作中的各種因素。其中的人為因素，如掃描分辨率的選擇、儀器的配置等，只要操作認(rèn)真，即可以避免出現(xiàn)問題。而對于非人為因素，如D／A過程中數(shù)字圖像的網(wǎng)目調(diào)處理等，就必須進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。算法設(shè)計(jì)是根據(jù)水印的不可感知性、可靠性和魯棒性這3個要求進(jìn)行的。任何一種算法都不可能抵抗各種攻擊，只能對其中一種或幾種攻擊魯棒性較強(qiáng)，這是由數(shù)字水印的特性決定的。因?yàn)樗〉聂敯粜院筒豢梢娦员旧砭褪且粚γ埽敯粜砸蠹尤氲男畔⒘亢托畔?qiáng)度大，然而，如果加入的信息量過大又勢必影響水印的不可見性，因此只能取一個折中。    針對印刷品防偽問題的特殊性，可以采取兩種辦法來提高算法的魯棒性。    1)圖像的色彩空間轉(zhuǎn)換    眾所周知，顯示器、掃描儀所采用的是加色三原色RGB色彩空間，而印刷及打印成像采用的是減色三原色CMY(CMYK)色彩空間，這就造成了不同彩色設(shè)備的成色原理不同。如果直接進(jìn)行A／D或D／A轉(zhuǎn)換肯定會丟失大量信息。因此，在進(jìn)行A／D或D／A轉(zhuǎn)換前必須先進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換。目前常用的色彩空間中，有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的色彩空間RGB、CMY、HIS(HLS、HSB)等．還有視頻色彩空間YUV、YIO、YCrCb、CIELuv等，其中只有基于CIE的色彩空間是獨(dú)立于設(shè)備的。由于CIELab色彩模式與YUV色彩空間類似，且均是用亮度和色差來描述色彩成分，因此它是目前惟一既能直觀感覺，又能用于參數(shù)描述的色彩空間，可以客觀準(zhǔn)確地描述、傳遞、管理與復(fù)制色彩。    2)建立視覺門限模型    利用小波的優(yōu)良性能——能夠較好地匹配HVS的特性，建立視覺門限模型，定義視覺掩蓋函數(shù)，在圖像的數(shù)字水印實(shí)施過程中，使得每個小波系數(shù)所加的幅值不超過此系數(shù)所能掩蓋的失真。在嵌入水印以前，首先利用二維離散小波變換將宿主圖像進(jìn)行小波分解，得到不同空間，不同頻率的子帶圖像，即對宿主圖像進(jìn)行4級小波分解，得到分別代表低頻子帶和水平、垂直、對角方向的高頻子帶圖像LL、HL、LH、HH。而水印的嵌入點(diǎn)則應(yīng)該結(jié)合人類視覺系統(tǒng)(HVS)的照度掩蔽特性和紋理掩蔽特性進(jìn)行恰當(dāng)選擇。    數(shù)字水印的技術(shù)方向    由于數(shù)字水印技術(shù)是近幾年興起的一個前沿學(xué)科，涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)和理論，發(fā)展歷史較短，因此，在應(yīng)用中還有一些問題需要繼續(xù)探討。    1)算法分析    通過對現(xiàn)有數(shù)字水印算法的魯棒性、安全性、抗攻擊性等特性的研究，結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)、HVS或HAS的特點(diǎn)，尋找出它們之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)更好的數(shù)字水印技術(shù)。    2)具有特征的數(shù)字水印技術(shù)    因?yàn)榛诮y(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法的攻擊，而基于統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)字水印技術(shù)則具有較好的魯棒性，因此可能成為今后的研究重點(diǎn)。    3)給出估計(jì)水印能量的理論框架當(dāng)前大多數(shù)水印算法均是利用實(shí)驗(yàn)來確定嵌入水印的最佳容量或能量，如果能給出一個一般性的水印算法框架，就可以從理論上計(jì)算需嵌入水印的最佳容量或能量。    4)應(yīng)用領(lǐng)域的局限性    目前，水印處理技術(shù)的應(yīng)用大多局限于數(shù)字電子媒體和其他視聽產(chǎn)品，很少有針對實(shí)物產(chǎn)品的應(yīng)用，而這一系列正是人們?nèi)粘Ｉ钪兄苯佑糜诮粨Q的對象。研究和開發(fā)適合這類產(chǎn)品的水印處理技術(shù)是社會的需要。    數(shù)字水印在印刷圖文方面的應(yīng)用前景    雖然目前國際互聯(lián)網(wǎng)已有眾多的用戶，但距離真正作為信息傳播媒體進(jìn)入千家萬戶而取代印刷品還甚遠(yuǎn)，因此可以預(yù)計(jì)，在相當(dāng)長的一段時間，圖文信息還將以印刷方式存在和傳播。而對于如何解決印刷圖文的防偽問題，人們曾在彩色印刷上研究了不少防偽方法，如全息激光標(biāo)識防偽技術(shù)、水印紙防偽技術(shù)、特殊加網(wǎng)防偽技術(shù)、隱形圖像防偽技術(shù)等。雖然這些方法在一定程度上起到了防偽作用，但印刷成本也隨之增加，因此，商家渴望得到一種成本低廉、簡單易行的防偽方法。顯然，數(shù)字水印技術(shù)與其他防偽技術(shù)相比，在成本上具有很大優(yōu)勢，最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要特殊材料或特殊工藝，因而印制成本大大降低，一般用戶可以很容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的真?zhèn)舞b別。    不過，現(xiàn)有資料表明，數(shù)字水印技術(shù)研究的實(shí)用對象還是以數(shù)字媒體為主，而對有價證券、圖片、藝術(shù)品、書刊等大批量復(fù)制品的數(shù)字水印處理技術(shù)的研究尚處于起步階段，數(shù)字水印技術(shù)在印刷品防偽的應(yīng)用研究方面還有大量工作要做，相信通過引入其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和算法，印刷品防偽的數(shù)字水印體系會逐步完善，其應(yīng)用前景非常廣闊。