U G&0!& 5G0# VWXY51Z W[ 1\\1 .]1^_]Y‘ ^WZZ]6] !\"\"# 年 &! 月
=AE0 !\"\"# 数字水印技术研究综述
杨兴江
)阿坝师专 数学系，四川 汶川 *!%\"\"\"+
目前已经成为了国际研究热点。本文简单 ,摘要- 数字水印技术提供了一种解决网络环境下多媒体文挡版权保护的方案，讨论了数字水印的概念、特征、分类和应用，全面分析了现有的典型的水印算法，提出了数字水印下一步的发展方向。
版权保护；数字水印 ,关键词- 信息隐藏；,中图分类号- ./%$&0#& ,文献标识码- 1 ,文章编号- &\"\"2—#&#!（!\"\"#）\"#(\"\"$3(\"#
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!78-$.5-9 =8:8>ABC :&’ ;($<89 89NGBC<>8G9 F8L89:S EGJHB8:F> JBG>AE>8G9S L8:8>ABC 随着 O9>AB9A> 的普及和电子商务与电子政 务 的迅猛发展，给社会带来方便的同时，信息的安全 保护问题也变得日益突出。盗版者能以低廉的成本 复制及传播未经授权的数字产品的内容，数字产品 的所有者迫切需要有办法解决知识产权保护的问 题。传统的数字产品保护方法主要采用加密的手 段，非法用户不能解读。然而，仅采用加密技术有一 个重大缺点：即一旦密文被授权用户解密后，非法 的复制与传播就变得非常容易了。为了弥补这一缺 点，人们提出了数字水印技术。 的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字产品 防伪的有效手段。数字水印技术目的是鉴别出非法 和盗用的数字产品，从而确保数字产品版权所有者 的合法利益。因此，数字水印技术一经提出就迅速 成为了热点研究问题，出现了许多水印方案，也有 许多公司已推出了数字水印的产品。 本文简单介绍数字水印的概念、特征与分类， 重点分析了现有的水印算法，给出了数字水印的重 要应用，对数字水印技术未来研究方向进行了展 望。 !0数字水印技术特性及其分类 !0& 数字水印技术的特性 不同的应用对数字水印系统的要求不尽相同，对数 一般认为数字水印应具有如下特点： （ &）鲁棒性：指不因数字产品的某种改动而导 致水印信息丢失的特性。 数字水印（ =8:8>ABC 字水印系统的特性理解也会随应用的不同而变化。 收稿日期!!\"\"#\"\"$\"!% （ !）不可感知性：数字水印应是不可知觉的， 作者简介!#$%&$’&(’()(*+,-.(/01234561(789:;<=>?@AB ?@CD!EFGH(3IJ &K(LMEFNOB 被唯一的鉴别确定，而且在遭到攻击时，确认所有 者等信息的精度不会太多降低。 $%$ %数字水印的分类 数字水印的分类方法有很多，分类的出发点不 同导致了分类的不同，它们之间是既有联系又有区 别。最常见的分类方法有以下几类：&）按水印特性 划分为可见水印和不可见水印，其中不可见水印又 包括脆弱性水印（ 或易碎水印）和稳健性水印；$） 按水印所附载的载体数据划分为图像水印、音频水 ,4/(（ -D,，-） 或 （) ,，,4E=，! ）/ （ !） &, \"1, ，不存在 ，不存在 （ \"） 其中 ,4 为提取的水印，. 为密码，函数 ) 做 相关检测，! 为决策阈值。这种形式的检测函数是 创建有效水印框架的一种简便方法。检测器的输出 结果如充分可信则可在法庭上作为版权保护的潜 在证据。那么这实际上要求水印的检测过程和算法 应该完全公开。 印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的 网格水印；!） 按水印的检测过程划分为非盲水印、 半盲水印和盲水印；\"）按水印内容划分为有意义水 印和无意义水印；#） 按用途划分为票据防伪水印、 版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印；’） 按水印隐藏的位置划分为时（ 空）域数字水印和变 换域数字水印，其中变换域数字水印又包括 ()* 域、(+* 域和 (,* 域。 !%数字水印原理与典型水印算法 对于数字水印嵌入和提取算法，纵观近几年来 相关的报道和文献，从整体框架构思到具体实现细 节，可以说是百花齐放，设计思想取决于研究人员 的研究背景和不同的研究角度。一般来讲可依据数 字水印所附载的载体数据划分为图像水印算法、音 频水印算法、视频水印算法、文本水印算法和三维 网格水印算法。本文主要以图像水印算法为主分析 一些典型水印算法及其特点。 !%& 数字水印一般原理 通用的数字水印算法包含两个基本方面：水印 的嵌入和水印的提取或检测。水印可由多种模型构 成，如随机数字序列、数字标识、文本及图像等。从 鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化 以及加密处理。设 - 为数字作品，, 为水印，. 为密 码，那么处理后的水印 由函数 定义如下： !,/（+ -，,，.） （ &） 在水印的嵌入过程如下：设有编码函数 0，原 !%$ 典型的数字水印算法 数字水印技术的研究主要集中于图像、音频、和视频等方面。图像水印技术是研究的最为广泛和 最为成熟的水印技术之一，音频水印技术和视频水印技术的很多算法思想都来源于图像水印技术。而文本文档在结构上同数字图像、数字视频、数字音频等数字作品有很大的不同，所以文本水印算法应根据文本文档的结构来设计。本文图像水印为例来说明典型的数字水印算法。 !%$%& 空域算法 空域图像水印技术是在图像的空间域中嵌入 水印的技术。实现该技术的最简单和有代表性的空 域算法是用水印信息代替图像的最低有效位56789 或者多个位平面的所有比特的算法。&::! 年，*;<=>? 等人提出了数字图像水印的一种方法。该方法将序列的伪随机信号以编码形式的水印嵌入到灰度图像数据的 678 中。为了能得到完整的 678 位平面而不引入噪声，图像经过自适应直方图处理，首先将每个像数值从 @A;B 压缩为 CA;B，然后将编码信息作为第 @ 个比特（ 即像数值的 678）。该方法是单个 678 编码方法的扩展，在单个 678 编码方法中，678 直接被编码信息所代替。 由于 678 位平面携带有水印，因此在嵌入水印 图像没有产生失真的情况下，水印的恢复直接从含 水印图像的 678 位平面提取即可，而且这种方法是 盲水印算法。但是由于使用了图像不重要像数位， 第 Z 期 杨兴江：数字水印技术研究综述 !\" !\"# 算法出现的缺陷，一些研究人员对空域图像水 印技术进行了改进，使算法的稳健性和安全性得到 其中 U! ，U;! 分别是修改前和修改后的频域系 数，, 是缩放因子，0! 是第 ! 个信息水印位。一般说 了提高。最为著名的是 $%%& 年 #’()’* 等人提出的 +,-./01*2 算法。这是一种统计算法，即在一个载 体图像中嵌入具有统计特性的水印。+,-./01*2 算 法的水印嵌入过程是利用一个密钥 2 和伪随机发 生器来选择 3 对像数点 ，将每个补丁 ,! 处的亮度 值提高 ! ， ! 的取值一般取值为 45& 的 $6756之 这样整个 间，每个 8! 处的亮度值降低同样的值 ! ，来，乘法准则的抗失真性能要优于加法准则。水印 的检测是通过计算相关函数实现的。从嵌入水印的 图像中提取 M;! 是嵌入规则的逆过程，把提取出来 的水印同原水印作相似性运算，与指定的阈值比 较，可确定是否存在水印。这是鲁棒性水印的奠基 性算法，得到了广泛的使用。随后许多人在此基础 上进行了大量的工作，结合基于分块 JLK 的图像 压缩算法，将水印嵌入到受攻击影响最小的系数 图像的平均亮度保持不便。水印的检测过程是对含 有水印的图像利用同样的密钥 2 和伪随机发生器 来选择 3 对像数点9,!8!: 。计算 \";( ( ( \";( 98!>! ?<4(! =!9,!>8（!: 5） ! < $ ! < $ 当 ( 的值很大时，有 @9\";( :!4(! （ &） 而在不知道密钥 2 的情况下，随机选取像数 对，假设它们是独力同分布，就有 @9\";( :!A（ B） 这就表明，只有水印嵌入者或授权者可以对水 印进行正确检测，攻击者无法判断图像中是否含有 水印。适当的调整参数，+,-./01*2 算法对 C+@D 压缩、EFG 滤波以及图像裁剪有一定的鲁棒性，但该 方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信 息，可以将图像分块，然后对每个图像块进行嵌入 操作。 HI4I4 变换域算法 由于图像空域中嵌入水印固有的不足，其稳健 性不是很好，为了改变空域水印的缺点，人们提出 了在图像变换域中加入水印的方法，最常用的变换 域有 JEK 域、JLK 域和 JMK 域。该类算法中，大部 分水印算法都采用了扩频通信技术。 $IJLK 域图像水印算法 基于典型的 JLK 域算法是由 L1N 等人提出的 一种基于 JLK 变换的扩频水印技术。它将要嵌入 的信息位用伪随机信号调制成 O 个实数组成的伪 随机序列，呈平均值为 A，方差为 $ 的正态分布。这 样将水印能量分散到一个很大的频率范围，而在每 个 频 率 上 值 很 小 。 然 后 对 图 像 做 离 散 余 弦 变 换 9JPQ.*’-’ L1QP(’ K*,(QR1*S,-P1( T 简 称 JLK 变换:，得到图像的频率域形式。它利用一些嵌入规 则将扩频序列（ 扩频后的水印信号）加入到图像的 JLK 变换后视觉重要系数中。目前，最常用的嵌入 规则如下： U;! 感知水印的方法；#,*(P 等提出一种利用 YU\"（ 人 类视觉特性） 的基于 JLK 的水印算法。 4I小波域9JMK 域:图像水印算法 由 于 O+@D>Z 以 及 C+@D>4AAA 压 缩 标 准 的 公布，小波已成为其核心技术，基于小波域的水印算法也越来越多。在小波域嵌入水印的原因是：可 以防止由于 C+@D>4AAA 有损压缩而造成的水印消除；可以利用信源编码领域对图像失真的可见性研 究成果来控制水印的嵌入位置和强度；可以实现在 压缩域直接嵌入水印。此外，利用小波多分辨分析可以更好地控制水印在宿主中的分布，更好地解决鲁棒性和可见性之间的矛盾。 [X()X* 等人描述了一种基于小波融合的水印嵌入方法。它的方式是在不同的分辨率水平下将水印和图像的小波系数相加。在相加之前，水印的小波系数使用一种人类视觉模型约束进行调制。 \\P, 等提出一种基于小波变换的分层水印提取过程，分层提取的目的是当水印图像失真不严重时节约计算时间。基本思想是利用小波变换9JMK:将接收到的图像与原始图像分解成四个子带（ 即一层分解）T然后计算加在 YY$ 子带中的水印和接收图像与原始图像小波系数之差的互相关。如果互相关中有一个峰值，则认为检测到一个水印；否则，考虑同一层上的其它子带（ 即 Y!$ 和 !Y$）。如果仍检测 不 到 水 印 ， 则 计 算 下 一 层 JMK（ 即 第 二 层 分解），再检测水印。该过程一直执行到检测到水印或计算到最后一层 JMK。目前基于 JMK 的算法层出不穷。 ZI 水印的主要应用领域 （ $） 版权保护：目前版权保护可能是水印最 主要的应用领域。数字作品的所有者用密钥产生一 的发展，特别是精度超过 \"!##$%& 的彩色喷墨、激光 打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支 票以及其他票据的伪造变得更加容易。在彩色打印 机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见 的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判 断水印的有无，快速辨识真伪。还可以嵌入可以标 识打印机或复印机的序列号，以便作为伪造追踪的 线索。 （ ’）内容认证：通过使用那些很难被检测到的 方法，使得篡改数字作品变得越来越容易。内容认 这方面的研究思路一直未能突破0文件加密0的思维 模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容 易引起攻击者的注意，利用数字化声像信号相对于 人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时（ 空）域和变 换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 *1 数字水印的发展方向 尽管人们都在努力发展和完善数字水印技术，使数字水印技术从实验阶段走向实用阶段。但许多 水印算法无法抵抗攻击，而且目前水印技术还缺少 证的目的就是检测对数字作品的修改。可用脆弱水 印来实现认证。可以简单的认为脆弱水印是一种当 作品发生任何形式的改变后变得不可测的标志。如 果从作品中检测到一个非常脆弱的水印，那么说明 作品没有被修改，至少没有被意外地修改。该类水 印还可以对数字作品被篡改的地方进行定位，甚至 有的算法还能够将被篡改的内容进行部分恢复或 全部还原。 （ (）标题与注释：数据的标识信息有时比数据 本身更具有价值，如遥感图像的拍摄日期、经)纬度 等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直 接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。将 作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品 中，于是标识信息在原始文件上是看不到的，只有 通过特殊的阅读程序才可以读取。 （ *） 操作跟踪：在此应用中，水印记录了带水 印作品在复制过程中发生过的一步或更多步操作。 为了防止非授权的拷贝制作和发行，出品人可在每 个 合 法 拷 贝 中 加 入 不 同 的 +, 或 序 列 号 即 数 字 指 纹。一旦发现非授权的拷贝，就可根据此拷贝所恢 复出来的指纹来确定它的来源。对这种应用领域来 说，水印不仅需要很强的鲁棒性，而且还要能抵抗 共谋攻击。 （ -）拷 贝 保 护 ：这 种 应 用 的 一 个 典 型 例 子 是 ,., 系统，在该系统中，数据中的水印含有拷贝信 息。一个符合要求的 ,., 播放器不允许重放或拷 相关的标准或协议，这些都妨碍了数字水印技术的进一步推广和被广泛的人们所理解。但是，鉴于水印技术的重要的应用价值，已经吸引了许多一流的研究者对该领域进行了广泛的研究。未来值得关注的研究领域有以下几个方面： （ \"）基本理论和算法研究：数字水印技术的基本理论和算法研究一直都是研究的重点，但目前数字水印技术的研究中的模型和理论尚处于雏形阶段，还未像密码学那样有一套完整的理论体系。将来需要继续修改和完善的研究有：信息容量、安全快速嵌入水印算法、快速检测及提取水印算法、特别是适合网络环境的安全快速水印嵌入与检测算法、水印攻击方法极其对策、水印性能评估和水印标准或水印协议研究。 （ !） 分级水印研究：根据不同的数字产品内容分等级插入水印，即对较重要的内容和对安全性要求高的内容插入强度大，安全性好的水印，而对不太重要的内容和对安全性要求不高的内容插入强度小安全性一般的水印，以适应实际应用的要 求，这种分安全等级的水印方案有助于提高效率，也间接增强了水印的安全。 （ ’）动态水印研究：研制出动态水印或具有交 互性质的数字水印，可以修改水印内容或者通过水 印来实现某些控制如：读取、拷贝等操作权限控制。这种水印中有可执行内容，在网络环境中可以通过 在水印中加入 2343 应用小程序或含有特定 567 等 方法来实现。 !\"# 如图 ! 所示： 阿坝师范高等专科学校学报 ONNX 年 图 ! 的形式化工具表达需求，无论是对于分析者、设计 者还是用户，都将比文字描述更容易让人理解，也 就更能达到准确表述需求的目的。 当然，结构化的方法也在这个系统的分析过程 中暴露出了一些弱点，比如，这个系统中有频繁的 人机交互活动，对桌球台的灯的开关控制、对营业 信息的查询、对相关信息的修改等，这些都是时常 发生的人机交互活动，它们的输入命令、操作方式、 输出格式等都是用户需求的重要方面，而用数据流 图不适合描述这种需求，因此对该方法我们还应该 有相应地补充，在这里就是通过设计相关的人机界 面来进行说明的（ 如图 !）。 总之，软件开发的方法多种多样，如何在实践 中快速地找到一种适合开发当前系统的方法，这是 每个软件开发者面临的强大挑战。 M9小结 采用结构化的分析方法完成了该系统初步的 需求分析，在整个过程中体会到了该方法“ 抽象” 和“ 分解” 的基本思想对系统分析的有利指导意 义。首先，通过对娱乐城这个现实世界所涉及的问 题进行抽象，我们就能很快得到当前系统的一个逻 辑模型，有了这个模型基础，就能把握住待分析问 题的关键，接下来就能有重点、有步骤地进行分解， 逐步完成细节的添加。其次该方法采用了图形这样 参考文献F 刘海岩、陆丽娜编9 软件工程,4.9西安：西安 ,-.邓良松、电子科技大学出版社，ONNN9 谭庆平、宁洪9软件工程,4.9北京：高 等 教 ,O.齐治昌、育 出版社，ONNX9 （第二版）,M.刘炳文9 ;7K’58 Y5K7E 程序设计教程9,4.9北 京：清华大学出版社3ONNM9 （上接第 !\" 页）#$% 技术、数字认证、数字签名或者 数字信封等技术一起使用，才能构造综合的数据安 全体系，才能抵抗各种攻击。 （ &）第二代水印：$’(()* 将空域、频域和其 它 变换域水印算法统称为第一代水印，指出第一代水 印的缺点在于没有将水印信号直接嵌入在视觉重 要成分中。并首次提出第二代水印的概念，即在水 印处理过程中利用重要的数据特征。如图像的边 缘、边角点和纹理区域等。 （ +）与其它领域的先进技术相结合：随着水印 研究的不断深入，其它领域的先进思想和技术必然 会被引入到水印领域。例如：混沌理论、神经网络理 论、粗糙集理论、模糊集理论和分形理论。非多媒体 数字水印技术研究：除了研究适应一类数字媒体的 水印算法与同时适应多种数字媒体的水印技术，使 其应用在混合多媒体文档外，还可以研究其它非多 媒体数字水印技术，如关系数据库的非数值属性数 字水印技术等。 参考文献： ,-./01 %2345(( 6 4788)*9: *);7)< 0= <5()*>5*?7@A 5@B (C) 7>D0*(5@E) 0= D)*E)D(’58 >0B)87@A9%@FG#%H #*0E))B7@A 0@ I’>5@ J7K70@ 5@B H8)E(*0@7E %>5A7@A3 -!!L3 MN-+F !OP!!9 ,O.%929/01329$7875@3Q96)7AC(0@35@B Q9GC5>00@3G)E’*) GD*)5B GD)E(*’> R5()*>5*?7@A =0* 4’8(7>)B753SH/ T)K)5*EC %@K(7(’()3Q)EC@7E58 T)D0*( !&U-N9 ,M.张春田3苏育停3管晓康9 多媒体数字水印技术9 通信 学报3 O-V!WFX+U&O3 ONNN9 陈琦等，数字水印技术，西安电子科 技 出 版 ,X.王炳锡，社，ONNM 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容