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背景     隨著數(shù)字技術和因特網(wǎng)的發(fā)展 ，各種形式的多媒體數(shù)字作品 (圖象、視頻、音頻等 )紛紛以網(wǎng)絡形式發(fā)表 ，其版權(quán)保護成為一個迫切需要解決的問題 。由于數(shù)字水印 (digital watermarking)是實現(xiàn)版權(quán)保護的有效辦法 ，因此如今已成為多媒體信息安全研究領域的一個熱點 ，也是信息隱藏技術研究領域的重要分支 。該技術即是通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息--水印 (watermark)來證實該數(shù)據(jù)的所有權(quán) 。這種被嵌入的水印可以是一段文字、標識、序列號等 ，而且這種水印通常是不可見或不可察的 ，它與原始數(shù)據(jù) (如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù) )緊密結(jié)合并隱藏其中，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價值或商用價值的操作而能保存下來 。數(shù)字水印技術除了應具備信息隱藏技術的一般特點外 ，還有著其固有的特點和研究方法 。在數(shù)字水印系統(tǒng)中 ，隱藏信息的丟失 ，即意味著版權(quán)信息的丟失 ，從而也就失去了版權(quán)保護的功能 ，也就是說 ，這一系統(tǒng)就是失敗的 。由此可見 ，  數(shù)字水印技術必須具有較強的魯棒性、安全性和透明性 。典型數(shù)字水印系統(tǒng)模型圖 1為水印信號嵌入模型 ，其功能是完成將水印信號加入原始數(shù)據(jù)中；圖 2為水印信號檢測模型，用以判斷某一數(shù)據(jù)中是否含有指定的水印信號 。 數(shù)字水印主要應用領域    版權(quán)保護　即數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布他的水印版本作品。當該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，所有者即可利用圖3或圖4的方法從盜版作品或水印版作品中獲取水印信號作為依據(jù)，從而保護所有者的權(quán)益。      加指紋　為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行，出品人可以將不同用戶的ID或序列號作為不同的水印(指紋)嵌入作品的合法拷貝中。一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復出的指紋來確定它的來源。 標題與注釋　即將作品的標題、注釋等內(nèi)容(如，一幅照片的拍攝時間和地點等)以水印形式嵌入該作品中，這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。 篡改提示　當數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學、新聞及商業(yè)時，常需確定它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實現(xiàn)該目的，通?？蓪⒃紙D象分成多個獨立塊，再將每個塊加入不同的水印。同時可通過檢測每個數(shù)據(jù)塊中的水印信號，來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。 使用控制　這種應用的一個典型的例子是DVD防拷貝系統(tǒng)，即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護制造商的商業(yè)利益。 典型數(shù)字水印算法     近年來，數(shù)字水印技術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。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?。祝?，再做相關檢驗       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，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用，所以關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。來源：IBM中國 作者：戴元軍