【正文】 空域中對(duì)采樣點(diǎn)的幅度值作出改變，嵌入水印信息的稱為空域水??；對(duì)變換域中的系數(shù)進(jìn)行改變（傅里葉系數(shù)、 DCT 系數(shù)、小波系數(shù)等）以嵌入水印信息的稱為頻域水印。 而含有不可視水印的數(shù)據(jù)通常與原始數(shù)據(jù)緊密結(jié)合在一起，難以用肉眼觀察到。 相較于不可視水印，可視水印 [17,18]同樣具有極大研究價(jià)值，它應(yīng)滿足如下一些原則： （ A）水印自適應(yīng)地保持半透明，不 可對(duì)原圖像造成太大的視覺影響；（ B） 水印必須是不可或極難擦除的。而水印必須能夠在一定限度內(nèi)承受這種攻擊而存留下來，這樣才能實(shí)現(xiàn)有意義的版權(quán)保護(hù)。信息隱藏一般依賴于一個(gè)假設(shè)：秘密通信在可以信任的雙方之間發(fā)生，第三方并不知道存在這樣的秘密信道。通用性在某種程度上 意味著易用性。 數(shù)字水印技術(shù)起源于信息隱藏技術(shù)，這一點(diǎn)可從它的隱藏性要求得到證實(shí)。 （ 1）透明性（隱藏性）：經(jīng)過一系列隱藏處理，不會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)可感知的降質(zhì)現(xiàn)象，而隱藏的數(shù)據(jù)又無法人為地看見或聽見。電子票據(jù)的水印技術(shù)將在今后幾年得到更多的研究。 （ 5）電子商務(wù)中的網(wǎng)頁保護(hù)和防偽 近幾年來，各種各樣的網(wǎng)站如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，隨之而來的網(wǎng)頁內(nèi)容的篡改和非法盜用日益突出。這可用“易損水?。?Fragile Watermarking）”來實(shí)現(xiàn)圖像認(rèn)證，它對(duì)特定的修改（如壓縮）有弱的魯棒性，而其它的修改則是破壞性的。這 樣就將這種非法盤片的市場(chǎng)僅限制在那些擁有非標(biāo)準(zhǔn)播放設(shè)備的用戶中，而另一方面，這種設(shè)備卻不能播放合法的正版 DVD 光盤，以此增強(qiáng)防拷貝系統(tǒng)的抗破壞能打。 1997 年夏天， CPTWG 專門成立了數(shù)據(jù)隱藏子工作組（ DHSG）來評(píng)價(jià)當(dāng)前的水印技術(shù)應(yīng)用于防拷貝系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，希望引入數(shù)字水印技術(shù)。一個(gè)符合要求的 DVD 播放器不允許重放或拷貝帶有“禁止拷貝（ Copy Never）”水印信息的數(shù)據(jù)。數(shù)字指紋應(yīng)用也需要很高的健壯性，不僅能抵抗一些常見的信號(hào)處理操作 ，還要能抵抗惡意的攻擊。其目的是傳輸合法接收者的信息而不是數(shù)據(jù)來源者的信息，主要用于識(shí)別單個(gè)發(fā)行拷貝。其目的是嵌入數(shù)據(jù)的來源以及包含有版權(quán)所有者特征的信息，從而防止其它團(tuán)體對(duì)該數(shù)據(jù)宣稱擁有版權(quán)。在這種情況下，數(shù)字水印技術(shù)作為一種解決數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)問題的有效手段得到了廣泛關(guān) 注，引起眾多不同背景的研究人員的興趣，并逐漸成為了當(dāng)今國際 IT 學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn) [327,3655,71101]。目前，盜 版已成為數(shù)字化產(chǎn)業(yè)最大的威脅。人們的很多生產(chǎn)的成果都以數(shù)字的形式存儲(chǔ)和傳輸。基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的多媒體數(shù)字作品的使用、傳播提供了極為便利的途徑，多媒體信息的交流達(dá)到了前所未有的深度和廣度，其發(fā)布形式愈加豐富了。數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)問題迫在眉睫，如何既充分利用 Inter網(wǎng)的便利，又能有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已受到人們的高度重視。 數(shù)字水印應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)字水印雖然只是 90 年代以后才發(fā)展起來，但其應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹蔷薮蟮?，總的來說，數(shù)字水印技術(shù)有以下一些主要應(yīng)用領(lǐng)域 [4,5]： （ 1）版權(quán)保護(hù)（ Copyright Protection） 隨著互聯(lián)網(wǎng)和電子商務(wù)的迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上的多媒體信息急劇膨脹，數(shù)字化多媒體產(chǎn)品也可通過下載的方式從網(wǎng)上直接購買。這樣水印就可公正地用來解決所有權(quán)問題，這種應(yīng)用要求有非常高的魯棒性。它很類似于軟件產(chǎn)品的序列號(hào)，即在每個(gè)發(fā)行的拷貝中嵌入不同的水印。 （ 3）防止非法復(fù)制 要有效地保護(hù)版權(quán)，還應(yīng)該有有效的技術(shù)手段，以使非授權(quán)者不能對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行非法拷貝。對(duì)含有“允許拷貝一次（ Copy Once）”水印的數(shù)據(jù)只能拷貝一次，而不能多次拷貝。按照 DHSG 的約定，將有兩類應(yīng)用水印技術(shù)的模塊加入到 DVD 防拷貝系統(tǒng)中，分別是記錄控制與回放控制。現(xiàn)今世界各大知名 公司如 IBM、 NEC、 SONY、 PHILIPS 等， 都在 加速數(shù)字水印技術(shù)的研制和完善。此外，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用，相應(yīng)的魯棒性要求也有所不同。在網(wǎng)頁中加入合適的水印也將成為保護(hù)網(wǎng)頁，防止非法篡改的一個(gè)有效手段。 數(shù)字水印特點(diǎn)及分類 數(shù)字水印技術(shù)除應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還有著其固有的特點(diǎn)和研究方 法。 （ 2）魯棒性（免疫性）：指阻抗各種信號(hào)處理操作和惡意攻擊而不導(dǎo)致水 印信息丟失的能力。 （ 3）無歧義性：恢復(fù)出的水印或水印判決的結(jié)果應(yīng)該能夠確定地表明所有權(quán)，不會(huì)發(fā)生多重所有權(quán)的糾紛。 （ 6）計(jì)算效率：最后水印算法的效率也是應(yīng)考慮的因素之一，水印算法應(yīng)能用硬件或軟件有效地實(shí)現(xiàn)。所以，信息隱藏的強(qiáng)壯性要求可以相對(duì)降低，也就是說，在數(shù)據(jù)經(jīng)過改動(dòng)之后，允許隱藏信息的丟失。 數(shù)字水印的分類方法有很多種，分類的出發(fā)點(diǎn)不同導(dǎo)致了分類的不同，它們之間是既有聯(lián)系又有區(qū)別的。 再者，對(duì)于可視水印來說，不存在水印的提取問題，因?yàn)樗∈歉‖F(xiàn)在原始圖像上的，起的是一種直觀的版權(quán)信息告示，但同時(shí)又不能影響對(duì)原始圖像作品的欣賞。 （ 2）易損水印和魯棒水印：根據(jù)數(shù)字水印的魯棒性特征將其分為易損水印和魯棒水印。一般來說頻域算法可嵌入水印數(shù)據(jù)量大，透明性好，安全性高，但算法復(fù)雜度也高。一般來說，非盲水印比盲水印具有更好的魯棒性，但盲水印更符合所有權(quán)驗(yàn)證的需要，實(shí)用性更強(qiáng)，是水印算法發(fā)展的方向。 （ 6）按照水印嵌入的載體不同，可將數(shù)字水印分為靜態(tài)圖像水印 [3642,71101]、視頻水印 [4549]、音頻水印 [5355]和文本水印 [12,43,44]等 。 ⑴ 空域算法 [1215,3642] 該類算法包括 文本水印算法、 Schyndel 算法、 Patchwork 算法和紋理塊映射編碼法 等。正如作者指出的那樣，這些方法無法抵御攻擊。例如，可以用 big替換文本中的 large，不過這種方法仍然不能有效地抵御攻擊。但該算法嵌入量低，且對(duì)串謀攻擊抵抗力弱。該算法是通過對(duì)選定的 DCT系數(shù)進(jìn)行微小 變換以滿足特定的關(guān)系，來表示一個(gè)比特的信息。 ⑶ NEC 算法 NEC 實(shí)驗(yàn)室的 COX 等人提出的基于擴(kuò)展頻譜的水印算法在數(shù)字水印算法 中占有重要地位 [6163]。基于同樣的道理，一般的圖像處理技術(shù)也并不去改變這部分?jǐn)?shù)據(jù)。 由 (A)引出的問題是，如何在對(duì)人感覺最重要的部分加入水印并同時(shí)滿足不可察覺的特性要求。 擴(kuò)頻體 現(xiàn)在把水印信號(hào)擴(kuò)展到很多頻率段上，以使每一頻率段上的能量都小到不可檢測(cè)的程度。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)所利用，同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)所利用。也就是說，利用視覺模型來確定與圖像相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插入水印。難點(diǎn)是由于雖然數(shù)字水印技術(shù)近幾年得到長足發(fā)展，但方向主要是集中于靜止圖像的水印技術(shù) ，這得益于多年來眾多學(xué)者在視覺空間掩蓋效應(yīng)領(lǐng)域的研究成果。 數(shù)字水印性能度量指標(biāo) 數(shù)字水印的性能要求 一種 水印算法的優(yōu)劣需要有一些衡量的指標(biāo)。如果是為了隱蔽通信，數(shù)據(jù)量顯然是最重要的，由于通信方式極為隱蔽，遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小，因而對(duì)魯棒 性要求不高。 （ 2）魯棒性 所謂魯棒性是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號(hào)處理過程后，數(shù)字水印仍能保 持完整或仍能被準(zhǔn)確鑒別。 數(shù)字水印度量指標(biāo) 僅憑感性的認(rèn)識(shí)是不能夠作為科學(xué)評(píng)估的依據(jù)的，即使有的指標(biāo)只能采用主觀評(píng)測(cè)，也應(yīng)該建立一種近似客觀的機(jī)制來保 證評(píng)測(cè)的合理性。不可見水印的要求是水印不能夠影響原始的信息。 PSNR 定義為： ??????????????? ??),(22),()),(),((1),(m a x10l o g10),(nm wfnmnmfnmfNnmfwfP S N R （ 1－ 1） 單位是 dB 。對(duì)于魯棒性水印來說，應(yīng)盡量使 ? 達(dá)到最大。 （ 5）錯(cuò)誤否定概率和錯(cuò)誤肯定概率 在一些安全應(yīng)用中，人們經(jīng)常通過嵌入水印和恢復(fù)水印的對(duì)比來檢測(cè)水印內(nèi)容或者信息失真。 （ 6） 計(jì)算復(fù)雜性 根據(jù)不同的應(yīng)用和嵌入水印的媒體，計(jì)算復(fù)雜性可以成為決定水印方案可行性的一個(gè)重要因素。 2 灰度水印圖像的處理 灰度水印圖像的處理 由于圖像數(shù)據(jù)量大，若直接將其嵌入原始圖像中，這是不現(xiàn)實(shí)的。mB 中的 DCT系數(shù)進(jìn)行量化和調(diào)整 ,得到 )),(/),((39。mB 中的非零系數(shù)取出構(gòu)成 mW ,由 mW 構(gòu)成水印信號(hào) W ,即 ?? ?? 101,1,0, ?????? Mm mi WnixW (24) 經(jīng)過上述處理 ,我們得到的水印信號(hào) W 大大小于水印圖像的數(shù)據(jù)量。具體如下： 設(shè)水印圖像為 I ，我們將其每個(gè)象素減去 128，然后再將其分成互不覆蓋的 8?8塊，記為 ),( yxfB mm ? ， m =0,1,?,M 1（ M為水印圖像的塊數(shù)） ,然后按照上一節(jié)水印信號(hào)生成方法對(duì)每塊進(jìn)行二維 DCT變換，然后利用 JPEG 量化表 對(duì)其 DCT系數(shù)進(jìn)行量化，最后，取出每塊中的前十個(gè) DCT量化系數(shù)值，記為 mP ，構(gòu)成我們的初始水印信號(hào) P ，即： }3,03,2,1,0,{ 39。 經(jīng)過上述變換后，有以下特點(diǎn)： （ 1）水印圖像恢復(fù)時(shí)，不需原始水印圖像，簡化了系統(tǒng)處理的復(fù)雜度。根據(jù)檢測(cè)水印時(shí)是否需要原數(shù)字產(chǎn)品可以將其分為：私有水印技術(shù)、半私有水印技術(shù)和公開水印技術(shù) [12,15,3942]。 最經(jīng)典的就是 Van Schyndel等 [15]提出了最低有效位算法（ Least Significance Bit），算法將水印信號(hào)按象素點(diǎn)逐一插入到原圖像象素值的最低位。 ?????? ????????? ???0,1,nmnmnmnmsIxBsIxA 在子集 A中按如下方法添加水印 ?????? ??? AxkxA nmnm ,39。 BAabq ?? ??? 。 Kutter 等人 [37]提出了一種方法，專門針對(duì) RGB 顏色空間中藍(lán)色通道進(jìn)行處理，使得其在可見的非自然信號(hào)為最小時(shí)，水印的強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)要把嵌入的位恢復(fù)出來時(shí)，則通過對(duì)相鄰的對(duì)角形式的象素點(diǎn)進(jìn)行線性組合，計(jì)算出原始的未加入水印時(shí)的估計(jì)值 ?????? ??? ?? ?? ??? ? kjc ck kjic ck jkiji BBBcB , 241? 其中 c 是對(duì)角形式的相鄰點(diǎn)所取的范圍。張軍等基于領(lǐng)域中象素的相關(guān)性提出了一種空域公開水印技術(shù) [39]，通過調(diào)整選定象素與鄰域中其它象素的大小關(guān)系來隱藏水印信息。 Kankanhalli提出了一種基于內(nèi)容的圖像水印方法 [41]，較好地利用了 HVS 屏蔽特性，但其可感知噪聲閾值矩陣 JND 在 DCT 域內(nèi)計(jì)算，大大增加了空域水印算法的計(jì)算開銷。針對(duì)上述不足，本文在充分考慮人類視覺系統(tǒng)屏蔽特性的基礎(chǔ)上，首先給出了一種基于象素的可感知噪聲閾值 JND 定量計(jì)算法；進(jìn)而通過充分利用 Hilbert 掃描能較好地保持原圖像空間局部關(guān)系的特性，提出了一種新的圖像空域公開水印算法。隨著非線性和混沌理論的成熟，當(dāng)前對(duì)混沌的研究集中于應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在通信方面的應(yīng)用。而 ?: V?V是一個(gè)映射，將當(dāng)前狀態(tài) xk映射到下一個(gè)狀態(tài) xk+1。 如果 ?: V?V滿足以下三個(gè)條件： （ 1）對(duì)初始條件的敏感依賴性 （ 2）拓?fù)鋫鬟f的 （ 3）周期點(diǎn)在 V中稠密 則我們說對(duì)應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)在 V上是混沌的。 k=0,1,2,3…..} 是非周期的、不收斂的并對(duì)初始值非常敏感。其形式如下 : 21 1 kk xx ???? (34) 其中 ??[0, 2]。一般情況下，我們需要用數(shù)值方法求解 PerronFrobenious 方程來計(jì)算 ?(x)。這正是我們所需要的。 （ 2）初始條件的敏感性：一般不同的初始值，即使相當(dāng)接 近，迭代出來的軌跡都不相同，見圖 ；同時(shí)，混沌動(dòng)力系統(tǒng)具有確定性，給定相同的初始值，其相應(yīng)的軌跡肯定相同。 具備白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，可以用于需要噪聲調(diào)制的眾多應(yīng)用場(chǎng)合。 LFSR 實(shí)際是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，形式如圖 。如果 n 級(jí)線性反饋寄存器所產(chǎn)生的序列具有最大的周期 2n1, 則稱這個(gè)序列是 n 級(jí)最大周期線性反饋移位寄存器序列，簡稱 m 序列。 m 序列的偽隨機(jī)特性很好，滿足度量二元序列的隨機(jī)性的 Golomb39。在基于擴(kuò)展頻譜技術(shù)的數(shù)字水印系統(tǒng) [45,46]中， Hartung等使用了 m 序列來產(chǎn)生水印信號(hào)。 m 序列的另一缺點(diǎn)是具有良好相關(guān)特性的 m 序列的數(shù)量相對(duì)較少。所需序列即為 {bi(xk)； i=0,1,2,…L ； k=0,1,2,3…}. （ 4）四值混沌序列 [60]：這種混沌序列的生成與二值混沌序列的生成非常類似。 k=0,1,2,3…..} 就是所需的混沌序列。不過，二值混沌序列與混沌位序列同樣值得注意。 c0 c1 c2 ???????????? 1 圖 n級(jí)線性反饋移位寄存器 an1 an2 ?????????????? a1 a0 模 2 加 法器 圖 水印嵌