【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出不同的描述。水印的嵌入在數(shù)字信號(hào)處理中可以看作是信號(hào)的疊加操作，相對(duì)而言，水印信息是弱信號(hào)，載體信息是強(qiáng)信號(hào)。從通信原理方面分析，載體相當(dāng)于一個(gè)寬帶信道，而水印則是一個(gè)窄帶信號(hào)，嵌入過(guò)程就是信號(hào)在信道傳輸?shù)倪^(guò)程 [8]。但粗略說(shuō)來(lái)，數(shù)字水印的基本流程主要由水印的嵌入、提取和檢測(cè)三部分組成 [9]。 （ 2）數(shù)字水印的基本特性 數(shù)字水印有很多特性，但不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)字水印的要求是不完全一樣的，一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)該具 有下面的特性。 ① 不可感知性 不可感知性也可稱作透明性，是衡量信號(hào)在被處理前后的相似性。從水印是否可感知的角度來(lái)分，可以分為可見水印和不可見水印兩類，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)水印可見性的要求也不一樣，需要根據(jù)具體情況作出選擇。對(duì)魯棒的或易損的不可見性水印來(lái)說(shuō)，這是最基本的要求。不可感知包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：首先從感官角度來(lái)看應(yīng)該不可感知，是指水印嵌入會(huì)對(duì)宿主數(shù)據(jù)造成改變，但人光憑聽覺或視覺是不會(huì)覺察出這種變化的，只是對(duì)于人的主觀感受而言的。只要不使人的視覺、聽覺等器官感受發(fā)生變化，就是不可感知的；另一個(gè)是指統(tǒng)計(jì)上的 不可感知，即：對(duì)于使用相同方法嵌入的不同作品而言，即使采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行處理，也找不到可以判定作品中是否含水印的山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 共性。 ② 魯棒性 數(shù)字水印的魯棒性主要是指含水印的數(shù)據(jù)在接受了一些無(wú)意或者刻意的處理后，包含的水印依舊保持完整且可以被準(zhǔn)確識(shí)別，換句話說(shuō)就是具有魯棒性的水印是不能被輕易刪除活著修改的。 數(shù)字水印的魯棒性可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :首先，數(shù)字水印應(yīng)該具有抵抗一般信號(hào)處理（如壓縮、剪切、濾波與平滑等）的魯棒性；第二，數(shù)字產(chǎn)品中嵌入的水印可以抵抗幾何變換攻擊，目前很多算法都是基于小波變換或離散余弦變換提 出的，這些算法的不足就是抵抗幾何攻擊的能力非常弱；第三，數(shù)字水印能夠抵抗刪除、篡改等惡意攻擊，事實(shí)上攻擊者比較容易得到含水印的數(shù)據(jù)，但在不破壞原始數(shù)據(jù)的前提下完全刪除水印信息或偽造新的含水印的數(shù)據(jù)是非常困難的。 對(duì)于數(shù)字水印魯棒性要求的強(qiáng)弱程度是因需求而異的，在很多情況下，數(shù)字水印只需要對(duì)于可能存在的處理操作保持有穩(wěn)健性就可以了。比如 當(dāng)希望產(chǎn)生脆弱水印時(shí)，甚至都不要求魯棒性的。 ③ 確定性 數(shù)字水印所攜帶的信息必須能夠被唯一確定的鑒別，且提取應(yīng)該是容易的，即使遭到一定破壞，水印仍然能被鑒別，以判定數(shù)字作品的 真正所有者。解釋攻擊就是對(duì)數(shù)字水印的確定性攻擊的一個(gè)例子。 ④ 安全性 安全性是指數(shù)字水印的信息要難以被篡改或偽造。對(duì)于有目的的攻擊，要具有抵抗力，使非授權(quán)用戶無(wú)法檢測(cè)和破壞水印。 ⑤ 容量 水印容量是指在載體不發(fā)生形變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)或一個(gè)作品中最多可以嵌入水印信息的量。對(duì)于一個(gè)水印算法而言，必須可以提供足夠的水印容量，才可以滿足較多的需求。 其中，不可感知性、魯棒性和容量三者是互相制約的，到目前為止，沒有哪種算法能夠使三者都達(dá)到最優(yōu)，現(xiàn)在的水印嵌入算法都是根據(jù)具體問(wèn)題的需要在這三者中進(jìn)行折中。 （ 3）數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印的分類可以從不同的角度進(jìn)行，比較常見的有以下幾種： 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 ① 按水印的感知特性劃分 對(duì)視頻或靜態(tài)圖像而言，感知性也就是可見性，水印的可見性決定它是可見水印還是不可見水印。不可見水印是最為常用的水印技術(shù)，它是通過(guò)利用人類視覺系統(tǒng)（ HVS）的特點(diǎn)，將水印隱藏在數(shù)據(jù)中，使得人們無(wú)法通過(guò)肉眼分辨出來(lái)。可見水印則是因?yàn)榍度氲乃?qiáng)度足夠大，能夠通過(guò)肉眼直接觀察出來(lái)的水印。當(dāng)然也可以用于音頻中，即可聽或不可聽水印。 ② 按水印的穩(wěn)健性劃分 不同水印在抵抗攻擊時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)健性是不同的，因此水印可 以分為脆弱水印、半脆弱水印及穩(wěn)健水印。脆弱水印對(duì)任何變換或處理操作都非常敏感，主要用于完整性認(rèn)證等應(yīng)用中。半脆弱水印是對(duì)某些特定的處理操作有魯棒性，但對(duì)其他的處理卻不具備魯棒性，主要應(yīng)用于內(nèi)容認(rèn)證等應(yīng)用中。穩(wěn)健水印對(duì)常見的各種處理操作都具備魯棒性，相比前兩種水印而言，它的應(yīng)用更廣泛，主要應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)等應(yīng)用中。 ③ 按水印的檢測(cè)劃分 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與；半盲水印則不需要原始數(shù)據(jù)，但需要原始水印來(lái)進(jìn)行只需要密鑰，既不需要原始 數(shù)據(jù)，也不需要原始水印。一般來(lái)說(shuō)，非盲水印的魯棒性，到存儲(chǔ)成本的限制，而盲水印技術(shù)更有實(shí)用性，尤其是面對(duì)大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻信息，盲水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更具有商業(yè)價(jià)值。 ④ 按水印的嵌入位置劃分 目前已有的算法中，水印可以嵌入在空間域或變換域中，對(duì)應(yīng)的水印成為空間域水印和變換域水印。在數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，出現(xiàn)較早的水印算法多是空間域的，是通過(guò)修改空間域中采樣點(diǎn)的幅度值來(lái)嵌入水印信息的，比如：最低有效位（ LSB）方法、拼湊（ Patchwork）方法等。變換域水印主要是利用變換域系數(shù)的改變來(lái)隱藏水印信息的 ，較為常見的有 DCT 變換、小波變換、傅里葉變換等，相對(duì)空間域水印而言，變換域水印的優(yōu)點(diǎn)在于擁有更大的水印容量和更好的不感知性。 ⑤ 按水印的載體劃分 作為數(shù)字水印載體的數(shù)字產(chǎn)品可以是任何一種多媒體類型，根據(jù)水印所附載的媒體的類型，可以把水印分為靜止圖像水印、視頻水印、音頻水印、軟件水印、文檔水印等。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型 一個(gè)完整的數(shù)字水印系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是水印的嵌入，另一部分是水印的提取。但在水印嵌入之前，為了提高系統(tǒng)的魯棒性、保密性和自適應(yīng)性，一般會(huì)對(duì)原始水印先進(jìn)行預(yù)處理，即通過(guò) 適當(dāng)?shù)淖儞Q后才作為待嵌入水印信號(hào)，其一般模型如圖 所示。水印的嵌入和提取一般過(guò)程則如圖 所示，其中虛線框內(nèi)“原始載體數(shù)據(jù)”體現(xiàn)了盲檢測(cè)和非盲檢測(cè)的區(qū)別。 原 始 水 印 水 印 生 成 算 法 待 嵌 入 水 印生 成 密 鑰 圖 水印生成的一般模型 水 印 嵌 入算 法嵌 入 密 鑰待 嵌 入 水 印載 體 作 品含 水 印 載 體 作品水 印 檢 測(cè)算 法水 印 信 息密 鑰原 始 載 體圖 像 圖 水印的嵌入和提取過(guò)程 數(shù)字水印的攻擊方法 數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證的重要手段，必然會(huì)受到各種形式的攻擊，對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊主要可分為以下幾類： （ 1） 穩(wěn)健性攻 擊 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 這類攻擊以減少或去除數(shù)字水印的存在為目的。最普通的一種稱為基本攻擊，如在圖像水印技術(shù)中，通過(guò)采用常規(guī)的圖像處理手段來(lái)對(duì)水印圖像進(jìn)行某些操作，降低圖像質(zhì)量，從而削弱或刪除其中所嵌入的水印。這種攻擊對(duì)加有水印的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體操作而并不是將水印區(qū)分和隔離出來(lái)。攻擊方法包括濾波、壓縮、添加噪聲、圖像量化等。基本攻擊易于實(shí)現(xiàn)．有大量的圖像處理工具可供攻擊者使用。另一種穩(wěn)健性攻擊是在加有水印的數(shù)據(jù)中簡(jiǎn)單地加入另一個(gè)水印，利用第二個(gè)水印覆蓋的方法來(lái)消除第一個(gè)水印，這種操作幾乎不會(huì)使原始數(shù)據(jù)降低品質(zhì)。 穩(wěn) 健性攻擊中常見的另一種攻擊稱為合謀攻擊，這種攻擊方法利用同一數(shù)字產(chǎn)品的幾個(gè)帶有不同水印信號(hào)的版本，采用統(tǒng)計(jì)平均等方法生成一個(gè)近似的集合，以此來(lái)逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生出一個(gè)檢測(cè)不出水印信號(hào)的數(shù)字產(chǎn)品。 （ 2） 表示攻擊 表示攻擊對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行修改，使水印的相關(guān)檢測(cè)失效或使得水印檢測(cè)者不能對(duì)水印信號(hào)進(jìn)行提取及恢復(fù)，這類攻擊的特點(diǎn)是水印盡管還存在于原始數(shù)據(jù)中，但水印檢測(cè)過(guò)程已不能將其恢復(fù)或檢測(cè)到其存在。最為典型的兩種表示攻擊是幾何變形攻擊和馬賽克攻擊。 幾何變形攻擊采用縮放、旋轉(zhuǎn)、裁剪、重采樣 手段對(duì)數(shù)據(jù) (主要針對(duì)圖像及視頻 )進(jìn)行最低的幾乎無(wú)法察覺的幾何扭曲，使數(shù)據(jù)被輕微的拉伸、平移、裁剪或旋轉(zhuǎn)，本質(zhì)上并沒有去除數(shù)據(jù)中所含的水印，但卻使得水印嵌入位置和水印檢測(cè)位置不再相符，水印檢測(cè)者不知道水印嵌入的確切位置就無(wú)法檢測(cè)出水印。 （ 3） 解釋攻擊 解釋攻擊中攻擊者設(shè)計(jì)出一種情況以阻止對(duì)所有權(quán)的斷言。此類攻擊通常通過(guò)偽造水印來(lái)產(chǎn)生假的原始數(shù)據(jù)或假的水印數(shù)據(jù)，從而制造混亂，使得最早嵌入的原始水印不能和偽造的水印被清楚地區(qū)分開來(lái)，引起對(duì)水印權(quán)限的懷疑。抵御解釋攻擊可以采用時(shí)間戳、不可逆水印等方法。 （ 4） 合法性攻擊 合法性攻擊是指攻擊者利用法律條款中的一些漏洞以達(dá)到其攻擊目的。前面介紹了對(duì)數(shù)字水印的四類攻擊，但它們之間的界限有時(shí)是很模糊的，對(duì)有些攻擊方法并不能明確地將其歸于哪一類。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評(píng)估 傳統(tǒng)的圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法一般可以分為兩種：主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)的方法是召集一批實(shí)驗(yàn)觀察者，讓觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評(píng)價(jià)尺度或者自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)試圖像按視覺效果提出質(zhì)量判斷，并給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按所有觀察者給出的分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均，所得的結(jié)果即為圖像的主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。因?yàn)閳D像的雖終 信宿是人，所以這種評(píng)價(jià)方法似乎更為可靠。但由于操作要求過(guò)于復(fù)雜，且存在不確定性，如受人的心情、疲勞程度的影響等，在實(shí)際應(yīng)用中受到嚴(yán)重限制，甚至根本不適合于某些應(yīng)用場(chǎng)合。客觀評(píng)價(jià)方法是用被測(cè)圖像偏離原始圖像的誤差來(lái)衡量被測(cè)圖像的質(zhì)量，其思想來(lái)源于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中均方信噪比的思想 度量指標(biāo)中比較經(jīng)典的指標(biāo)是基于誤差的，表 列出了一些常用的基于誤差的失真度量方法，包括了均方差（ MSE)、信噪比（ SNR)、峰值信噪比（ PSNR）、圖像保真度（ IF）、歸一化系數(shù)（ NC）。其中最常用的評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的指標(biāo)是信噪比和峰值信噪比，公式中 nmI, 和 39。,nmI 分別表示原始圖像和測(cè)試圖像的像素。 表 基于誤差的失真度量方法 均方差 MNIIM S E nmnm nm /)39。( 2, , ?? ? 信噪比 ))39。(/lg (10 2., , ,2 nmnm nmnm nm IIIS NR ?? ?? 峰值信噪比 ))39。(/m a xl g (10 2, ,2, nmnm nmnmnm IIIMNP S NR ?? ? 圖像保真度 ?? ??? nm nmnmnm nm IIIIF , ,22, , /)39。(1 歸一化系數(shù) ??? nm nmnmnm nm IIINC , ,2, , /39。 醫(yī)學(xué)數(shù)字水印的概念 隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療的日益普及，醫(yī)學(xué)圖像在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸也變得非常方便，但這里就存在一個(gè)重要問(wèn)題，即如何保護(hù)病人的個(gè)人隱私不被泄露。利用數(shù)字水印的不可 見山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 性和魯棒性，將病人的個(gè)人信息當(dāng)作水印信息來(lái)處理，將其隱藏在二維或者三維醫(yī)學(xué)圖像中，這樣就可以保證其在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸時(shí)，個(gè)人的隱私不被泄露。這是醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字水印的基本應(yīng)用和初始的想法。 醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn) 如果水印技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像上，提取水印信息后不能獲得原始圖像，這在法律上是會(huì)產(chǎn)生糾紛的。因此，水印技術(shù)要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像上，必須先解決由于嵌入水印引起的失真問(wèn)題。 醫(yī)學(xué)圖像是醫(yī)生對(duì)患者的生理疾病信息獲取及診斷病情的一個(gè)重要依據(jù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)上對(duì)于用于診斷的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，往往不允許對(duì)醫(yī) 學(xué)數(shù)據(jù)作任何改動(dòng)。這反映在醫(yī)生對(duì)待用于醫(yī)學(xué)圖像的有損壓縮算法的態(tài)度上。盡管從一般意義上不難看出，圖像的有損壓縮可以大量節(jié)省圖像的存儲(chǔ)空間，且解壓后的圖像與原始圖像從視覺上看不出有什么差別，但是由于目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量圖像質(zhì)量的損失對(duì)于醫(yī)生判別圖像的影響，一旦出現(xiàn)誤診，很容易引起法律糾紛。另外，醫(yī)學(xué)圖像的獲取往往代價(jià)相當(dāng)高，臨床上普通的一次 CT、 MRI、 PET 的檢查都要不菲的費(fèi)用，這些設(shè)備的成本都十分昂貴。這與普通的數(shù)碼相機(jī)獲取的數(shù)字圖像所需的代價(jià)形成迥然的對(duì)比。由此不難看出，無(wú)論從法律上還是從經(jīng)濟(jì) 成本上考慮，任何可能對(duì)醫(yī)學(xué)圖像造成損失的操作都是不可取的。 數(shù)字水印技術(shù)是把水印信息（如認(rèn)證信息或其他任意信息）直接嵌入在圖像（或其他信號(hào)）中，在水印信號(hào)嵌入過(guò)程中，不可避免的會(huì)引起原始圖像的失真。這種失真對(duì)于用于診斷用的醫(yī)學(xué)圖像是不可接受的。 下面介紹幾個(gè)在醫(yī)學(xué)水印常見的名詞 : （ 1）病灶區(qū) 病灶區(qū)指的是醫(yī)學(xué)圖像中包含了最重要病理信息的感興趣區(qū)域（ ROI）。在實(shí)際醫(yī)療活動(dòng)中，病灶區(qū)直接決定了醫(yī)生對(duì)病情的判斷。所以只要在加入水印的時(shí)候不改變病灶區(qū)的內(nèi)容，將傳統(tǒng)有損數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像就成為可能 。 （ 2）數(shù)字醫(yī)學(xué)成像及通信標(biāo)準(zhǔn) 在 1993 年，美國(guó)放射學(xué)會(huì)和美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)在 ACRNEMA 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上聯(lián)合推出了醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信標(biāo)準(zhǔn) [10]，簡(jiǎn)稱 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)。就當(dāng)前而言， DICOM是醫(yī)學(xué)圖像及其相關(guān)信息在計(jì)算機(jī)間傳輸?shù)膰?guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 遠(yuǎn)程醫(yī)療是通過(guò)信息處理和通信技術(shù)提供異地間的信息儲(chǔ)存和處理手段以及傳送山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 聲音、圖像、數(shù)據(jù)、圖片等醫(yī)療活動(dòng)。目前在許多國(guó)家尤其是國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)已廣泛用于心臟、腦外、放射、精神病 、眼科、等多種醫(yī)學(xué)專科的診斷治療和疑難重病的專家會(huì)診。醫(yī)學(xué)圖像通 信系統(tǒng)是其中重要的組成部分。 醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通訊標(biāo)準(zhǔn) DICOM