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     摘　要　數(shù)字水印是保護(hù)多媒體作品版權(quán)的有效手段。文章首先介紹數(shù)字水印必須具備的幾項(xiàng)基本特征，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了水印嵌入的代表技術(shù)——擴(kuò)展頻譜法，最后對數(shù)字水印的應(yīng)用前景做了展望。     關(guān)鍵詞　多媒體　版權(quán)　數(shù)字水印　擴(kuò)展頻譜法1　引言　　隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體作品（圖像、視頻、聲頻）傳播的范圍和速度突飛猛進(jìn)，但同時(shí)盜版現(xiàn)象也愈演愈烈。于是保護(hù)數(shù)字音像產(chǎn)品的版權(quán)，維護(hù)創(chuàng)作者的合法利益，成為關(guān)系文化市場繁榮的重大課題。數(shù)字水?。╠igital watermarking）技術(shù)正是在這個(gè)背景下誕生的，它通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息——水?。╳atermark）來證明多媒體作品的所有權(quán)。2　數(shù)字水印的特征　　數(shù)字水印中包含音像作品的版本、創(chuàng)作者、擁有者、發(fā)行人等信息，數(shù)據(jù)量并不大，一般控制在100位以內(nèi)，與動(dòng)輒上兆字節(jié)的音樂、影視文件相比猶如藏在草堆中的一根針。數(shù)字水印必須具備如下基本特征：　　* 透明性（invisibility）：利用人類視覺和聽覺的特性，使帶水印的作品欣賞起來無異于原先的作品。　　* 不可檢測性（undetectability）：水印作品和普通作品在統(tǒng)計(jì)噪音分布上不存在區(qū)別，攻擊者無法用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定水印的位置?！　? 魯棒性（robustness）：經(jīng)過一些處理，多媒體數(shù)據(jù)發(fā)生一定程度的變化后，版權(quán)所有者仍然可以證明水印的存在?？赡艿奶幚戆ǎ骸　。?）幾何變形——對圖像進(jìn)行尺寸縮放、剪裁、扭轉(zhuǎn)等。　?。?）有損壓縮——常用的圖形文件格式JPEG就屬有損壓縮。它先將圖像用DCT函數(shù)轉(zhuǎn)換到頻率域，然后對其量化，在量化過程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以達(dá)到壓縮文件尺寸的目的。雖然肉眼看不出來，但經(jīng)過壓縮后的圖像其精度肯定有所降低?！　。?）信號(hào)處理——如調(diào)整圖像和視頻的對比度、亮度、色度，以及模／數(shù)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換等?！　? 安全性（security）：具有較強(qiáng)的抗攻擊能力，能夠承受一定程度的人為攻擊，而暗藏的水印不被破壞?！　∷∏度胨惴梢苑殖煽臻g域算法和頻率域算法兩大類，相比較，頻率域算法生成的水印魯棒性較強(qiáng)。由于JPEG壓縮、圖形縮放等均影響頻率域中的高頻部分，頻率域算法在嵌入水印時(shí)可以有針對性地避開這些單元。而且，疊加在頻率域上的信號(hào)經(jīng)逆轉(zhuǎn)換后會(huì)遍布整個(gè)空間域的所有像素，圖形被剪裁后水印能量損失較小。3　擴(kuò)展頻譜法　　數(shù)字水印技術(shù)的一項(xiàng)重要成果是由Cox等人提出的擴(kuò)展頻譜法（spread spectrum）。傳統(tǒng)水印嵌入技術(shù)一般都是將水印嵌入到圖像中的最不容易感知的區(qū)域（least significant region），但這樣區(qū)域常常會(huì)受普通的圖像處理操作的影響，因此水印較易喪失。如果將水印疊加到較容易感知的區(qū)域，就可以避開常規(guī)圖像處理操作的破壞。對于那些試圖通過直接修改這些單元的值來消除水印的攻擊者，在他們達(dá)到目的前，圖像早已失真。這樣，水印的魯棒性大大增強(qiáng)，但如何維持不可見性呢？擴(kuò)展頻譜法巧妙地解決了這對矛盾?！　U(kuò)展頻譜水印嵌入技術(shù)是受擴(kuò)展頻譜通信理論的啟發(fā)而產(chǎn)生的。根據(jù)擴(kuò)展頻譜通信理論，如果把一個(gè)窄帶信號(hào)放在大得多的帶寬中傳送，那么在任何單一頻率上的信號(hào)能量都會(huì)小到測不出來。依照這個(gè)思想，我們可以將水印擴(kuò)散到一個(gè)廣泛的頻率范圍，使得在任何頻率單元上的能量都很弱，以至發(fā)現(xiàn)不了。擴(kuò)展頻譜水印嵌入在頻率域上進(jìn)行，流程圖見圖1 。圖1　水印嵌入流程圖　　水印嵌入的主要處理步驟有：　?。?）將要嵌入的信息位（bits）用偽隨機(jī)信號(hào)調(diào)制成M個(gè)實(shí)數(shù)組成的偽隨機(jī)序列，呈平均值為0、方差為1的正態(tài)分布。這樣就將水印能量分散到一個(gè)很大的頻率范圍，而在每個(gè)頻率上值很小。如要在一張256×256的圖像上嵌入80位的版權(quán)聲明，水印長度M可以達(dá)到16000?！　。?）對圖像做離散余弦變換（discrete cosine transformation，簡稱DCT），得到圖像的頻率域形式。兼顧不可見性和魯棒性，選取中頻區(qū)域放置水印，因此跳過前L個(gè)系數(shù)，對從L+1至L+M的系數(shù)進(jìn)行修改。沿用上面的例子，L可以取25000。　?。?）系數(shù)修改采用公式：Dw(L+i)=D(L+i)+kD(L+i)W(i)。其中，D為圖像的DCT系數(shù)序列；i=1．．M；k為尺度因子（比如0.2），控制水印嵌入強(qiáng)度?！　。?）最后，對頻率域系數(shù)做逆轉(zhuǎn)換IDCT，得到空間域的水印圖像?！　D2a和2b分別是原始圖像和嵌入水印后的圖像，看起來毫無差別。 圖2a　原始圖像　　　　　圖2b　嵌入水印后的圖像　　要檢測一張可能受損的圖像是否含有水印，先分別計(jì)算這張圖像和原始圖像的DCT，兩者相減得到水印：W*(i)=(D*W(L+i)-D(L+i)/k。再計(jì)算這個(gè)提取出來的水印和原始水印的相關(guān)性：z=(1)/(M)∑Mi=1W*(i)W(i)。因?yàn)樗》钠骄禐?，方差為1的正態(tài)分布，理論上，兩個(gè)不同的水印計(jì)算出來的相關(guān)性為0，而相同的水印則能得出高的相關(guān)性值。在實(shí)際應(yīng)用中，如果提取出來的水印和某個(gè)水印的相關(guān)性大于閾值，就證明圖像中嵌入了這個(gè)水印。　　　　實(shí)驗(yàn)表明，即使水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號(hào)處理而產(chǎn)生比較明顯的畫質(zhì)下降后，該方法仍能提取出一個(gè)可依賴的水印拷貝。例如，即使對水印圖像做10％質(zhì)量的JPEG壓縮，檢測器對原先嵌入的那個(gè)水印的反應(yīng)（也就是相關(guān)性）仍達(dá)到0.016，而對其他水印的反應(yīng)則小得多。又比如，將水印圖像的尺寸縮小一半，檢測時(shí)先將水印圖像恢復(fù)成原來的大小，這樣一縮一放后圖像的精度顯然要遭受損失，但檢測器反應(yīng)還是達(dá)到0.017，高于檢測閾值，水印檢測的有效性得到了保證。4　應(yīng)用前景　　隨著應(yīng)用的日益深入，數(shù)字水印已不再局限于標(biāo)注版權(quán)信息，它在多媒體作品的銷售、播放和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都產(chǎn)生了新的用途。4.1　廣播監(jiān)測　　廣播監(jiān)測即監(jiān)測影視節(jié)目和音樂作品在電視臺(tái)和廣播電臺(tái)上播出的時(shí)間和次數(shù)。廣告是電視臺(tái)的主要收入來源，但讓廣告客戶放心不下的是，自己花了那么多錢，電視臺(tái)有沒有把自己的廣告播放足夠的時(shí)間長度；作曲家想確定電臺(tái)播出他們的作品的次數(shù)，好收取版稅；制片商要防止自己的影視產(chǎn)品被電視臺(tái)非法重播。如此等等都可以通過廣播監(jiān)測來解決?！　∥覀冊谟耙暬蛞魳纷髌凡コ銮扒度胩貏e的水印，然后由自動(dòng)監(jiān)測臺(tái)接收廣播，搜索其中的水印，從而確定這些作品在什么時(shí)候、由什么電臺(tái)播放。4.2　版權(quán)證明　　長久以來，版權(quán)聲明被印在書籍的扉頁、電影的結(jié)尾、唱片的包裝上，但這些都很容易被除去。數(shù)字水印提供了版權(quán)的補(bǔ)充證明，因?yàn)樗谌攵嗝襟w作品中，隨時(shí)向人們提醒作品的版權(quán)所有者，是解決著作權(quán)糾紛的利器。4.3　真?zhèn)舞b別　　我們知道，數(shù)碼照片很容易修改，利用PhotoShop這樣的圖像處理軟件可以改頭換面、移花接木而不留一絲痕跡。因此數(shù)碼照片在法庭上不能作為證據(jù)使用。為了實(shí)現(xiàn)“可信任的攝影”，只需計(jì)算一張影片的特征標(biāo)記（signature），哪怕其中一個(gè)像數(shù)的值被改動(dòng)一位，圖像都無法和原先的特征標(biāo)記相匹配。將特征標(biāo)記作為水印嵌入照片中，必要時(shí)用它就能證明圖像的真?zhèn)巍！　∵@種水印還提供了這樣的可能，能夠告訴我們圖像發(fā)生了什么篡改。因?yàn)楦膭?dòng)圖像必定要改動(dòng)到上面的水印，根據(jù)改變的特征標(biāo)記可以推算出圖像被篡改的大致位置。4.4　交易水?。ㄖ讣y）　　廣播監(jiān)測和版權(quán)證明都是在相同的多媒體作品上添加相同的水印，但是有時(shí)需要為一個(gè)作品的不同接收者定制不同的水印，這種水印稱為交易水?。ㄒ卜Q指紋）。交易水印讓作品版權(quán)所有者或銷售者很容易查出非法拷貝的來源，對于打擊盜版源頭十分有利。　　影視公司在電影制作過程中經(jīng)常需將樣片送給有關(guān)單位審查，萬一誰不小心把樣片泄露出去，就極可能被不法之徒復(fù)制并流入市場，這將給制片商造成巨大損失。在這些樣片上針對不同的接收者加上不同的水印會(huì)令接收者對樣片加倍保護(hù)，因?yàn)槭钦l泄露的一查便知，責(zé)任難逃。4.5　拷貝控制　　實(shí)際上，無論版權(quán)證明還是交易水印都不能徹底阻止非法拷貝，只能作為有力的威攝和調(diào)查取證的工具，要杜絕非法拷貝最終離不開硬件上的改進(jìn)。比如，讓錄制設(shè)備檢測到一個(gè)表明禁止轉(zhuǎn)錄的水印就停止復(fù)制。要做到這點(diǎn)，所有錄制設(shè)備都要增加檢測水印的電路。DVD的非法拷貝對電影制造業(yè)來說是致命的打擊，今天，制片商正在和DVD影碟機(jī)廠家聯(lián)手開發(fā)利用水印技術(shù)阻止非法拷貝DVD節(jié)目的機(jī)制。5　結(jié)論　　數(shù)字水印因具有不可見性、不可檢測性、魯棒性和安全性等顯著特征，而成為保護(hù)多媒體作品著作權(quán)的有力武器。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，數(shù)字水印的嵌入技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步。通過上面的分析，我們看到，擴(kuò)展頻譜法能夠生成魯棒性很強(qiáng)的水印，圖像雖經(jīng)壓縮、尺寸縮放和剪裁等處理，而水印猶存。最后，一個(gè)廣闊的應(yīng)用前景展現(xiàn)在人們的面前，呼喚有志之士繼續(xù)探索更先進(jìn)、更多樣的水印嵌入技術(shù)。  作者/俞 毅 峰   漳州市信息中心