【文章內(nèi)容簡介】 要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來說，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。 （ 4）按內(nèi)容劃分 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數(shù)字圖像（如商標(biāo)圖像）或數(shù)字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。有意義水印的優(yōu)勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認(rèn)是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng)計(jì)決策來確定信號中是否含有水印。 （ 5）按用途劃分 不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。按水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分 為票證防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。 票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據(jù)圖像進(jìn)行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票證防偽的數(shù)字水法不能太復(fù)雜。 版權(quán)標(biāo)識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對數(shù)據(jù)量的要求相對較小。 篡改提示水 印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識原文件信號的完整性和真實(shí)性。 隱蔽標(biāo)識水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來，限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。 （ 6）按水印隱藏的位置劃分 按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(shí)（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí) /頻域數(shù)字水印和時(shí)間 /尺度域數(shù)字水印。時(shí)（空）域數(shù)字水印是直接 10 在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時(shí) /頻域數(shù)字水印和時(shí)間 /尺度域數(shù)字水印則分別是在 DCT 變換域、時(shí) / 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。 隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置 也不再局限于上述四種。應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印 ???。 數(shù)字水印典型算法（針對圖像領(lǐng)域） （ 1）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(jī)選擇的圖像點(diǎn)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(jì)特征將信息嵌入像素的亮度值中。 （ 2） Patchwork 算法方法是 隨機(jī)選擇Ｎ對像素點(diǎn) (ai， bi)， 然后將每個 ai點(diǎn)的亮度值加 1， 每個 bi 點(diǎn)的亮度值減 1， 這樣整個圖像的平均亮度保持不變。適當(dāng)?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(jìn)行嵌入操作。 （ 3）變換域算法 該類算法中， 大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信 (spread spectrum munication)技術(shù)。算法實(shí)現(xiàn)過程為： 先計(jì)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(jī)實(shí)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(qiáng)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(jì)算原始圖像 I和水印圖像 I39。 的離散余弦變換，并提取嵌入的水印 W39。 ，再做相關(guān)檢驗(yàn)以確定水印的存在與否。該方法即使當(dāng)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(jìn)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) 11 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(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類型，對其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)，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(yīng)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(yīng)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(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強(qiáng)，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。 （ 4）壓縮域算法 是 基于 JPEG、 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)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(shí)用價(jià)值。相應(yīng)地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。下面介紹一種針對 MPEG2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。雖然 MPEG2 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(shù)，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)可以簡單地從數(shù)據(jù)流中去掉，同時(shí)，在 MPEG2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(yīng)用，所以關(guān)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 MPEG2 數(shù)據(jù)流而言，它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動向量 (用于運(yùn)動補(bǔ)償 )和 DCT 編碼信號塊 3部分，在方案中只有 MPEG2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?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(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個DCT系數(shù) 。其次，把相應(yīng)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(jìn)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(jìn)行比較，只在 n1 不大于 n0的時(shí)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(yùn)動補(bǔ)償?shù)木幋a方案會將一個誤差擴(kuò)散和累積起來，為解決此問題，該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨?來抵消因水印信號的引入所引起的視覺變形 ???。 （ 5） NEC 算法是 由 NEC 實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯 N(0， 1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)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(jī)高斯序列來調(diào)制 (疊加 )該圖象除直流 (DC)分量外的 12 1000 個最大的 DCT 系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)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(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即 水印信號應(yīng)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(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布N(0， 1)的特征。 （ 6）生理模型算法 是 人的生理模型包括人類視 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(dǎo)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(qiáng)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(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插入水印。這一方法同時(shí)具有好的透明性和強(qiáng)健性。 數(shù)字水印的魯棒性問題和攻擊行為 數(shù)字水印必須很難（希望不可能）被清除。當(dāng)然從理論上講，只要具有足夠的知識，任何水印都可以去掉。但是如果只能得到部分信息，如水印在圖像中的精確位置未知，那么破壞水印將導(dǎo)致圖像質(zhì)量的嚴(yán)重下降。特別的，一個實(shí)用的水印算法應(yīng)該對信號處理、通常的幾何變形（圖像或視頻數(shù)據(jù)），以及惡意攻擊具有魯棒性。它們通常包括： (1)圖像壓縮：圖像壓縮算法是去掉圖像信息中的冗余量。水印的不可見 性要求水印信息駐留于圖像不重要的視覺信息中，通常為圖像的高頻分量。而一般圖像的主要能量均集中于低頻分量上。經(jīng)過圖像壓縮后，高頻分量被當(dāng)作冗余信息清除掉，因此有的文獻(xiàn)將水印嵌入圖像的最顯著的低頻分量中或使用帶低通特性的水印，雖然這可能會降低圖像的質(zhì)量。目前的一些水印算法對現(xiàn)有的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)（如 JPEG 、 MPEG ）具有較好的魯棒性，但對今后有更高壓縮比的壓縮算法則不能保證也具有同樣好的魯棒性。 (2)濾波：圖像中的水印應(yīng)該具有低通特性，即低通濾波（如均值濾波和中值濾波）應(yīng)該無法刪掉圖像中的水印，事實(shí)上當(dāng)前很 多針對水印的攻擊行為是用濾波完成的。 (3)圖像量化與圖像增強(qiáng)：一些常規(guī)的圖像操作，如圖像在不同灰度級上的量 13 化、亮度與對比度的變化、直方圖修正與均衡，均不應(yīng)對水印的提取和檢測有嚴(yán)重影響。 (4)幾何失真：幾何失真包括圖像尺寸大小變化、圖像旋轉(zhuǎn)、裁剪、刪除或增加圖像線條以及反射等等。很多水印算法對這些幾何操作都非常脆弱，容易被去掉。因此研究水印在圖像幾何失真的魯棒性也是人們所關(guān)注的 ????。 與魯棒性問題密切相關(guān)的一個方面就是水印的攻擊行為。水印攻擊與魯棒性可以說是一對矛和盾，目前的文獻(xiàn)已經(jīng)陸續(xù)描述了很多水 印攻擊方法。我們在這里將水印攻擊方法歸為四大類。在將水印分類的過程中，我們只考慮那些并不嚴(yán)重導(dǎo)致圖像失真的方法。因?yàn)槿绻麤]有這個假設(shè)，那么總是可以尋找到某種成功的攻擊方法，包括完全刪除水印圖像。 (1)簡單攻擊：（也可稱為波形攻擊或噪聲攻擊）即只是通過對水印圖像進(jìn)行某種操作，削弱或刪除嵌入的水印，而不是試圖識別水印或分離水印。這些攻擊方法包括線性或非線性濾波、基于波形的圖像壓縮（ JPEG 、 MPEG ）、添加噪聲、圖像裁減、圖像量化、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換及圖像的鉢矯正等。 (2)同步攻擊：（也稱檢測失效攻擊）即試圖 使水印的相關(guān)檢測失效或使恢復(fù)嵌入的水印成為不可能。這種攻擊一般是通過圖像的集合操作完成的，如圖像仿射變換、圖像放大、空間位移、旋轉(zhuǎn)、圖像修剪、圖像裁減、象素交換、重采樣、象素的插入和抽取以及一些幾何變換等等。這類攻擊的一個特點(diǎn)是水印實(shí)際上還存在于圖像中，但水印檢測函數(shù)已不能提取水印或不能檢測水印的存在。 (3)迷惑攻擊：即試圖通過偽造原始圖像和原始水印來迷惑版權(quán)保護(hù)，由于最早由 IBM 的 Craver 等人提出，又稱 IBM 攻擊。這種攻擊實(shí)際上使數(shù)字水印的版權(quán)保護(hù)功能受到了挑戰(zhàn)，如何有效地解決這個問題正引起研 究人員的極大興趣。 (4)刪除攻擊：即針對某些水印方法通過分析水印數(shù)據(jù)，估計(jì)圖像中的水印，然后將水印從圖像中分離出來并使水印檢測失效。 數(shù)字水印應(yīng)用領(lǐng)域 隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識、認(rèn)證和安全不可見通信。 14 當(dāng)數(shù)字水印應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)時(shí)，潛在的應(yīng)用市場在于電子商務(wù)、在線或離線地分發(fā)多媒體內(nèi)容以及大規(guī)模的廣播服務(wù)。數(shù)字水印用于隱藏標(biāo)識時(shí)，可在醫(yī)學(xué)、制圖、數(shù)字成像、數(shù)字圖像監(jiān)控、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字水印的認(rèn)證 方面主要 ID 卡、信用卡、 ATM 卡等上面數(shù)字水印的安全不可見通信將在國防和情報(bào)部門得到廣泛的應(yīng)用。多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和 Inter的普及帶來了一系列政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和文化問題，產(chǎn)生了許多新的研究熱點(diǎn)，以下幾個引起普遍關(guān)注的問題構(gòu)成了數(shù)字水印的研究背景。 (1)數(shù)字作品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù) 數(shù)字作品（如電腦美術(shù)、掃描圖像、數(shù)字音樂、視頻、三維動畫）的版權(quán)保護(hù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。由于數(shù)字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創(chuàng)者不得不采用一些嚴(yán)重?fù)p害作品質(zhì)量的辦法來加上版權(quán)標(biāo)志，而這種明顯可見 的標(biāo)志很容易被篡改。 “數(shù)字水印”利用數(shù)據(jù)隱藏原理使版權(quán)標(biāo)志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達(dá)到了版權(quán)保護(hù)的目的。目前，用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了初步實(shí)用化階段， IBM 公司在其“數(shù)字圖書館”軟件中就提供了數(shù)字水印功能，Adobe 公司也在其著名的 Photoshop 軟件中集成了 Digimarc 公司的數(shù)字水印插件。然而實(shí)事求是地說，目前市場上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實(shí)用還有很長的路要走。 (2)商務(wù)交易中的票據(jù)防偽 隨著高質(zhì)量圖像輸入輸出設(shè)備的發(fā)展，特別是精度 超過 1200dpi 的彩色噴墨、激光打印機(jī)和高精度彩色復(fù)印機(jī)的出現(xiàn)，使得貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變得更加容易。 另一方面，在從傳統(tǒng)商務(wù)向電子商務(wù)轉(zhuǎn)化的過程中，會出現(xiàn)大量過度性的電子文件，如各種紙質(zhì)票據(jù)的掃描圖像等。即使在網(wǎng)絡(luò)安全技