趙學軍，薛懋楠，楊勤璞，于凱敏，張樂

（中國礦業(yè)大學，北京 100083）

1 引言

隨著計算機通信技術的發(fā)展，多媒體技術的進步使存儲和傳輸數(shù)字化信息成為可能，然而多媒體內(nèi)容的安全問題隨之而來。對多媒體內(nèi)容的保護分為兩塊：一是版權保護，二是內(nèi)容完整性驗證。傳統(tǒng)的數(shù)字產(chǎn)品保護方法是加密，但其存在很大缺陷，其對內(nèi)容的保護只局限在加密通信的信道中或其他加密狀態(tài)下，一旦解密，就毫無保護可言；密碼學中的認證方法對多媒體內(nèi)容的保護也無能為力：一方面由于多媒體內(nèi)容的真實性認證往往需要容忍一定程度的失真，而密碼學中的認證方法不容許一個比特的改變；另一方面，用于多媒體認證的認證信息往往需要直接嵌入多媒體內(nèi)容中，不另外保存認證信息，但密碼學中的認證方法則需要另外保存信息認證碼（MAC）。數(shù)字水印技術就是在這種背景下應運而生的。數(shù)字水?。―igital Watermark）技術是將與多媒體內(nèi)容相關或不相關的一些標示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當中，既不影響原內(nèi)容的使用價值，也不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達到確認內(nèi)容的創(chuàng)建者、購買者，或者用來鑒別多媒體內(nèi)容的真實完整性的目的。因此，數(shù)字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。

2 數(shù)字水印的定義及特點

目前雖然有許多文獻討論有關數(shù)字水印技術的問題，但數(shù)字水印始終沒有一個明確的統(tǒng)一定義。綜合一些學者提出的定義以及分析已有的數(shù)字水印方案，我們給出如下定義：數(shù)字水印是永久鑲嵌在其他數(shù)據(jù) （宿主數(shù)據(jù)）中具有可鑒別性的數(shù)字信號或模式，同時不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性。

基于不同的應用，對其要求不盡相同，一般數(shù)字水印具備如下特點：

（1）隱形性：數(shù)字水印的嵌入不能使原始數(shù)據(jù)發(fā)生可感知的改變，也不能使被保護的數(shù)據(jù)在質(zhì)量上發(fā)生可感覺到的失真。

（2）魯棒性：數(shù)字水印必須難以去除，在僅僅知道部分數(shù)字水印信息的的情況下，試圖除去或破壞數(shù)字水印應導致嚴重降質(zhì)而不可用。數(shù)字水印應能抵御一般的信號處理，主要包括重采樣、重量化、濾波、平滑、有失真壓縮、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等等；同時對抗一般的幾何變換，主要包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放及分割等。

（3）安全性：數(shù)字水印中的信息應是安全的，難以被偽造或篡改，同時具備較低誤檢概率。

（4）可證明性：在實際的應用過程中，可能多次加入水印，數(shù)字水印技術必須能夠允許多重水印嵌入被保護的數(shù)據(jù)同時各個水印均能被獨立證明。

（5）易恢復性：這主要針對一些實時性要求較強的用途（如視頻水印的驗證）提出。只要擁有正確的水印算法和密鑰就能很容易的從隱藏載體中提取出水印信息，而不必耗費大量時間做水印鑒定。

（6）嵌入容量：一般來講，水印系統(tǒng)的嵌入容量要求相對較小，而信息隱藏則要求載體具有較大的嵌入容量。對于水印算法而言，嵌入的信息量越大，越有可能降低水印的魯棒性。在實際應用系統(tǒng)中，需考慮嵌入容量與魯棒性二者之間的折中關系。

通常我們認為具有上述特點的水印是嚴格意義上的水印，但由于對數(shù)字水印的定義尚未統(tǒng)一許多文獻中討論的數(shù)字水印并不完全具備以上特點，我們討論的范圍一般是更廣義上的數(shù)字水印。

3 典型的數(shù)字水印系統(tǒng)模型

圖1 水印信號嵌入模型

圖2 水印信號恢復模型

圖3 水印信號檢測模型

4 數(shù)字水印的應用

隨著數(shù)字水印技術的發(fā)展，數(shù)字水印的應用領域也得到了擴展，主要有以下幾個方面：

（1）版權保護：數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，當該作品被盜版或產(chǎn)生產(chǎn)權糾紛時，所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號作為依據(jù)，以此保護所有者的權益。

（2）數(shù)字指紋：為避免未經(jīng)授權的拷貝制作和發(fā)行，版權所有人可以向分發(fā)給不同用戶的作品中嵌入不同的水印以標識用戶信息。該水印可根據(jù)用戶的序號和相關的信息生成，一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權的拷貝，即可根據(jù)此拷貝所恢復出的指紋來確定其來源。

（3）標題與注釋：將作品的標題、注釋等內(nèi)容以水印形式嵌入該作品中。例如，一幅畫的作者和創(chuàng)作時間等。

（4）訪問控制：利用數(shù)字水印技術可以將訪問控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體前通過檢測嵌入到其中的訪問控制信息達到訪問控制目的，這種水印應具有很強的魯棒性。一個典型例子就是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該水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。

（5）認證和完整性校驗：通常采用脆弱水印。對插入了水印的數(shù)字內(nèi)容進行檢驗時，須用唯一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關的密鑰提取水印，再通過檢驗提取出的水印的完整性來驗證數(shù)字內(nèi)容的完整性。其優(yōu)點在于認證內(nèi)容密不可分，處理過程得到了簡化。

5 數(shù)字水印的典型算法

近幾年數(shù)字水印技術研究發(fā)展很快，新算法層出不窮，最基本的就是空域算法和頻域算法（變換域算法），很多新的算法都是基于變換域的。下面介紹一些典型的算法：

（1）空域算法：空域算法是相對于變換域算法而言的。其中比較典型的水印算法有LSB和MSB。LSB是將信息嵌入圖像點中最不重要的像素位，以此保證嵌入水印的不可見性；MSB是將信息嵌入到圖像點中最重要位，即最高位。但他們都有其共同缺點，這也是時空域算法普遍存在的缺點：算法魯棒性差。另外一個常用方法是利用像素的統(tǒng)計特征將信息嵌入到像素的亮度值中，該算法與前面算法的區(qū)別是，它利用的是像素的統(tǒng)計特征。典型的有Patch-work算法。它是隨機選擇N對像素點（a，b)，每對像素點的差值是以0為中心的高斯分布。然后將點a的亮度值加1，點b的亮度值減1，以此改變分布的中心，并且使整個圖像的平均亮度保持不變。最后采用統(tǒng)計的方法檢測水印。為了抵抗有損壓縮等處理，它將像素點對擴展成小塊像素區(qū)域(patch)，增加一個patch中所有像素點的亮度值，同時減少對應的另外一個patch中所有像素點的亮度值。此算法對抵御有損壓縮編碼（JPEG）、剪裁攻擊和灰階校正很有效，但由于其嵌入的水印信息少，對多拷貝聯(lián)合攻擊抵抗能力脆弱。還有Schyndel算法。該算法提出了相關檢測方法。該算法首先把一個密鑰輸入一個m-序列發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號，m-序列的自相關函數(shù)和頻譜分布的特點類似于隨機高斯噪聲，此后這個序列被重新排列成二維水印信號，并按像素點依次插入到原始圖像像素值的最低位。但該算法嵌入碼低，且對串謀攻擊抵抗力弱。

（2）變換域算法：基于時空域算法存在的固有缺點，當前對數(shù)字水印算法的研究主要集中在變換域，它的基本思想是通過離散傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）或離散小波變換（DWT）等把數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應頻域的系數(shù)，以此來實現(xiàn)水印嵌入。在此算法中，首先要對載體進行某種特定的正交變換，嵌入空間是載體的某個或某些頻帶，這些頻帶所對應的變換系數(shù)要遵循一定的規(guī)則進行修改。載體的低頻系數(shù)反映載體的主要輪廓，集中載體的絕大部分能量，是載體的主要信息；載體的高頻系數(shù)則反映載體的細節(jié)，不易被人眼察覺。其特點是數(shù)據(jù)改變幅度小，水印的穩(wěn)健性強且物理意義清晰，與壓縮標準兼容可直接在壓縮域中進行處理，且透明性好。缺點就是其抵抗幾何變換等攻擊的能力比較弱。

（3）壓縮域算法：基于JPEG、MPEG標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)，由于其水印檢測與提取可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行，這樣就簡化了完全解碼與重新編碼的過程，因此在數(shù)字電視廣播及VOD中有很高的實用價值。輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流可分為數(shù)據(jù)頭信息、DCT編碼信號塊和運動向量3部分，一般的方法都是主要改變DCT編碼信號塊。相應的，水印的檢測與提取也可以直接進行于壓縮域數(shù)據(jù)中。

（4）NEC算法：它的工作原理是，首先由作者的標識碼和圖像的hash值等組成密鑰，該密鑰就做為種子產(chǎn)生偽隨機序列，此序列滿足高斯N （0，1）分布。再對圖像做DCT變換，同時用這個偽隨機序列調(diào)制圖像除直流（DC）分量外的1000個最大的DCT系數(shù)。此算法可以防止IBM攻擊，同時提出了一個重要原則，即水印信號應嵌入原數(shù)據(jù)中對人感覺最重要的部分，這大大增強了水印的魯棒性和抗攻擊能力。隨后Pod ilchuk利用人類視覺模型改進了此算法，進一步提高了算法的魯棒性與透明性等特性。該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位。

（5）基于分形圖像的編碼方法：數(shù)學家M.F.Barnsley在論文中提出分形圖像編碼的概念，并且將迭代函數(shù)系統(tǒng)理論應用于圖像編碼，效果明顯。此方法新穎有效，伴隨著分形壓縮技術的逐步完善，它的應用前景也會愈加廣闊。

（6）生理模型算法：人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)（HVS)和人類聽覺系統(tǒng)（HAS)。其思想均是利用從模型導出的JND（just noticeable difference）描述來確定在圖像或聲音的各部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度，以此避免破壞視覺或聽覺的質(zhì)量。實質(zhì)就是，利用此模型確定與數(shù)據(jù)相關的調(diào)制掩模，再利用其嵌入水印。此方法同時具備好的透明性與魯棒性。

6 數(shù)字水印的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

數(shù)字水印技術是當前數(shù)字信號處理、圖像處理、密碼學應用、通信理論、算法設計等學科的交叉領域，是目前國際學術界的研究熱點之一。國外的許多研究小組及公司都有有關數(shù)字水印及信息隱藏方面的商業(yè)軟件，而國內(nèi)似乎尚無此類軟件，部分單位或許有實驗軟件或演示軟件。就理論與實際成果而言，國內(nèi)在數(shù)字水印方面的研究工作尚處于起步階段。

我們認為今后數(shù)字水印技術的研究將傾向于完善數(shù)字水印理論，提高其算法的安全性、穩(wěn)健性，強化它在實際網(wǎng)絡中的應用以及建立相關標準等方向。

數(shù)字水印在理論方面的工作包括建立更好的模型、分析不同媒體中水印信息所能嵌入的容量 （帶寬）、比較各類算法的抗攻擊性能等。

許多實際的應用對數(shù)字水印的魯棒性要求很高，這就需要有魯棒性更好的數(shù)字水印算法，因此，研究此類算法仍是數(shù)字水印的重點發(fā)展方向，但應注意與此同時應結(jié)合HVS或HAS的特點，保持良好的不可見性以及嵌入更大的水印信息容量，同時，要重視自適應思想以及一些新的信號處理算法在數(shù)字水印算法中的應用，比如分形編碼、混沌編碼、小波分析等等。

數(shù)字水印應用安全性很重要，基于其算法的安全性不能靠保密算法得到，數(shù)字水印算法必須能抵抗各類攻擊，因此，研制安全性更高的水印算法也是重點之一。

對于實際網(wǎng)絡環(huán)境下的數(shù)字水印應用，應重點研究其網(wǎng)絡快速自動驗證技術，這就需要緊密結(jié)合計算機網(wǎng)絡技術和認證技術。

要提高不同的數(shù)字水印算法的兼容性、擴大數(shù)字水印的應用范圍，就必須建立水印處理算法的標準，比如嵌入數(shù)字水印的標準、提取或檢測數(shù)字水印的標準、數(shù)字水印的認證標準。目前國際上的水印處理尚未形成統(tǒng)一標準，形成公認的標準已成為水印研究者的共同目標。然而，標準算法必須具有其優(yōu)越性、有效性和通用性，同時需要得到各方認同。所以標準的形成仍是一個艱苦的過程。標準一旦建立，將會大大促進數(shù)字水印技術的應用和發(fā)展。

將水印處理技術應用于其他領域也是今后的一個研究熱點。比如軍事和國防方面，即把其用于傳遞軍事機密，或用其驗證軍事命令、信息的真實可靠性，并探索該領域的新技術新理論，這對于國防現(xiàn)代化建設和未來的信息化、網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭具有重大的意義。

同時，我們也應認識到，數(shù)字水印技術并非是萬能的，須配合密碼學技術及認證技術、數(shù)字簽名或數(shù)字信封等技術一并使用。因此，不能把其與這些技術相孤立，只有配合這些技術才能構成完整的數(shù)字產(chǎn)品版權保護體系。

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