【文章內(nèi)容簡介】 為信息隱藏技術的一個重要分支 ,數(shù)字水印技術可以說是信息時代特有的產(chǎn)物 ,正是由于數(shù)字 作品的知識產(chǎn)權保護及其他一系列需求促使 了數(shù)字水印的出現(xiàn)。 數(shù)字水印技術被認為是解決 網(wǎng)絡化和 數(shù)字化時代數(shù)字作品版權保護的一種有效方法 。 數(shù)字水印技術 是將具有一定意義的標 識信息嵌入原始的媒體數(shù)據(jù)中 ，這些信息 就是水印信息，它與原始數(shù)據(jù)緊密結合，且隨之一起被傳輸。在接收端，水印信息 被提取出來，可用于廣播監(jiān) 視、數(shù)字簽名、數(shù)字指紋、內(nèi)容認證和秘密通信等。因而數(shù)字水印被認為是 抵抗多媒體盜版的“最后一道防線” [2]。 在我國，現(xiàn)行的稅務發(fā)票、增值稅發(fā)票、偽造制假造成稅款大量的流失 。長期來，猖獗的偽造發(fā)票現(xiàn)象給國家造成了數(shù)目巨大的稅款流失。 因而從數(shù)字水印技術自身來 講 ，它具有 巨大的經(jīng)濟價值和 廣泛的應用前景， 已經(jīng)成為了多媒體信號處理中的一個研究熱點 。 研究現(xiàn)狀 數(shù)字 水印技術是 當前多媒 體信息安全研究領域發(fā)展較快的熱點技術之一 ， 它涉及了不同學科領域的理論和思想，如信號處理、 編碼理論和數(shù)字通信、算法設計等技術，還包括法律和公共策略等問題， 有著良好的應用前景 [3]。 從 1993 年 Caronni 正式提出數(shù)字水印到現(xiàn)在的十幾年時間里 ，它已經(jīng)引起國內(nèi)外很多公司 、研究機構 等的極大關注。 在國外 方面， 《 IEEE 會報》、 《 IEEE 圖像處理》、《 IEEE 消費電子學》 、《 IEEE 通信選題》 等 很 多國際 著名的 期刊都組織了數(shù)字水印的 專題新聞報道 或 技術專刊 。 在 1999 年第三屆信息隱藏國際學術研討會上，數(shù)字水印成為主要 焦點 ，全部 33 篇文章中有 18 篇是關于數(shù)字水印的研究 。 以 麻省理工學院媒體實驗室 為代表的 一批 美國 研究機構 及 企業(yè)已經(jīng)申請了數(shù)字水印方面的專利。 美國版權保護技術組織（ CPTWG） 也 成立了專門的數(shù)據(jù)隱藏小組（ DHSG） 用于 制定版權保護水印的技術標準。 目前，已支持或開展數(shù)字水印 技術 研究的機構 不僅 有政府部門，也有 知名企業(yè)和 大學，它們包括美國財政部、 美國空軍研究院 、 美國版權工作組、 美國陸軍研究實驗室 、 德國國家信息技術研究中心、日本NTT 信息與通信系統(tǒng)研究中心、麻省理工學院、 西班牙 Vigo 大學、 劍橋大學、瑞士洛桑聯(lián)邦工學院、朗訊公司貝爾實驗室、 IBM 公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、 CA 公司、 Sony 公司、 NEC研究所以及荷蘭菲利浦公司等。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國際會議也 相繼 開辟了 很多 相關的專題 [4]。 國內(nèi)方面， 隨著信息技術 交流的加快和水印技術的迅速發(fā)展 ，已經(jīng)有相當一批有實力的科研機構投入到這一領域的研究中來。 1999 年 12 月，我國第一屆信息隱藏學術研討會 由國內(nèi) 信息安全領 4 域的何 德全院士、 蔡吉人院士、 周仲義院士 及 有關應用研究單位聯(lián)合發(fā)起召開 。 2022 年 1 月， 中科院自動化所模式識別國家重點實驗室和 國家 “863 ” 智能機專家組組織召開了數(shù)字水印學術研討會，來自 中國科學院、 國家信息安全測評認證中心、 國家自然科學基金委員會、 清華大學、 北京郵電大學、國防科技大學、 中國科技大學、 北京電 子技術應用研究所 、上海交通大學、天津大學、北京大學、中山大學、 北方工業(yè)大學 等單位的專家學者和研究人員深入 探討 了數(shù)字水印的關鍵技術，報告了各自的研究成果 ， 很大程度地推動了國內(nèi)數(shù)字水印技術的研究與發(fā)展 。從 會 議反應的情況 可以 看出 ，我國 數(shù)字水印學術 領域的研究與世界水平相差 不大 ，而且有自己獨特的研究思路 [14]。 國家對信息安全產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也非常 重視， 在 2022 年的《科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金若干重點項目指南》中，明確指出了對于“數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權保護（基于數(shù)字水印、信息隱藏、或者網(wǎng)絡認證等先進技術）”和“個性化產(chǎn)品（證件）的防偽 （基于水印、編碼、或挑戰(zhàn)應答等技術）”等多項防盜版和防偽技術給予重點支持。現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了不少 生產(chǎn)水印產(chǎn)品的公司，其中比較有代表性的是由中科院自動化研究所的劉瑞禎、譚鐵牛等人于 2022 年在上海創(chuàng)辦了的一家專門從事數(shù)字水印、多媒體信息和網(wǎng)絡安全、防偽技術等軟硬件開發(fā)的公司 —— 上海阿須數(shù)碼技術有限公司，公司現(xiàn)從事數(shù)字證件、數(shù)字印章、 PDF 文本、分塊離散圖像、視頻、網(wǎng)絡安全等多方面數(shù)字水印技術的研究。雖然數(shù)字水印在國內(nèi)的應用還處 在 初級 發(fā)展 階段，但水印公司的創(chuàng)辦使得數(shù)字水印技術在國內(nèi)不僅僅只停留在理論研究的層面上，而是走上了實用化和商業(yè)化的道路，推動 了國內(nèi)水印技術的蓬勃發(fā)展，為國內(nèi)的信息安全產(chǎn)業(yè)提供有效 、安全的保障。 研究意義 數(shù)字水印 技術 作為 一種有效的 多媒體作品版權保護和數(shù)據(jù)安全維護技術，它把 具有特定意義 的水印信號，利用數(shù)字嵌入的方法隱藏在數(shù)字作品的空域或頻域中，用來 證明創(chuàng)作者對其作品的所有權，并作為鑒定、起訴非法侵權的證據(jù) ； 同時通過對 水印的檢測和分析可以 保證數(shù)字信息的完整可靠性 。因而 ，數(shù)字水印技術被認為是知識產(chǎn)權保護和 多媒體 數(shù)字作品 防偽的有效手段 ， 它將促進隱蔽通信技術和 信息安全技術的提高 。 目前提出的數(shù)字水印的嵌入方式 大致可以分為空間域數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印兩大類。 空域算法主要采用 各種方法直接修改數(shù)字圖像的像素 , 典型的 一種 算法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的 像素 位 (LSB)上，這可保證 嵌入的水印是不可見的。但 是由于 它 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 因圖像量化、 濾波、幾何變形的操作 而被 破壞。 變換域水印算法首先對圖像進行變換 ， 將空域數(shù)據(jù)變換到頻域中 ,然后嵌入水印 ,如離散傅里葉變換 (DFT) 、 離散小波變換 (DWT) 、 離散余弦變換 (DCT)等 ,其優(yōu)點是嵌入 的水印信息量大 ,嵌入效果比較好 ， 魯棒性 較空域算法高 [5]。 變換域數(shù)字水印算法的研究使得水印能有效地抵抗剪切和旋轉等 幾何攻擊，具有較強的魯棒性 。本設計 在小波變換理論的基礎上 提出一種算法，實現(xiàn) 圖像 數(shù)字水印的嵌入和提取。并 進行一些抗攻擊性能的實驗，以判斷該算法的魯棒性 。 5 第 二 章 數(shù)字水印技術簡介 數(shù)字水印的概念 數(shù)字水?。?digital watermark） ， 是 指 通過一定的算法 嵌入在數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字 信息 ，它可以是圖像、聲音、文字、符號、數(shù)字等 所有 可以作為標記、標識的信息 。 它的存在 不會 破壞原 始 數(shù)據(jù)的 使用價值 和 欣賞價值 。 被嵌入的標識信息通常不容易被人的視覺或聽覺系統(tǒng)察覺到 ，但是通過一些計算操作可以 將這些信息檢測并提取出來 。水印與原始 數(shù)據(jù) 緊密結合且 隱藏 在 其中，成為原始 數(shù)據(jù) 中 不可分離的 一部分，并可以經(jīng)歷一些不 破壞原始 數(shù)據(jù)使用價值或商用價值的操作而留存 下來。通過這些隱藏在 多媒體內(nèi)容中的信息， 人們可以 確認內(nèi)容創(chuàng)建者、 購買者 的信息 或 者判斷內(nèi)容是否真實完整的 。水印系統(tǒng)所隱藏的 信息是與該產(chǎn)品相關的版權標志、購買者或其他相關信息 [6]。 因而，數(shù)字水印是實現(xiàn)版權保護的有效 手段 ，是 信息隱藏技術 研究領域的重要分支。 數(shù)字水印的特點 數(shù)字水印不僅 要實現(xiàn)有效的版權保護，而且嵌入 水印后的 圖像必須與 原始圖像具有同樣的應用價值，也就是說數(shù)字產(chǎn)品不會因為嵌 入水印而變得不可用。因此，數(shù)字水印主要有以下特點 [7]： 安全性： 安全性表現(xiàn)為水印能夠抵抗惡意攻擊的能力，惡意攻擊主要指任何意在破壞水印價值的行為。 數(shù)字 水印 信息應 該 是安全的，難以 偽造 或 篡改 ，同時，應當有較低的誤檢測率，當 原始數(shù)據(jù) 發(fā)生變化時，數(shù)字水印應當發(fā)生變化，從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更； 此外， 數(shù)字水印同樣對重復添加有很強 的抵抗性 。 不可見性 ：數(shù)字 水印應是不可知覺的，而且應不影響被保護數(shù)據(jù)的 使用 價值 。加有水印后 的圖像不能有視覺質(zhì)量的下降，與原始圖像對比，很難發(fā)現(xiàn)兩 者的差別。 魯棒性： 也稱穩(wěn)健性， 是指在 經(jīng)過常規(guī)信號處理 操作后，數(shù)字水印仍可以保持部分完整性并且被準確檢測出來的能力 。 針對圖像的常規(guī)操作主要包括：空間濾波、有損壓縮、打印與復印、幾何形變（平移、縮放、旋轉及其他）等。 水印 容量 ：是指載 體 數(shù)據(jù) 在不發(fā)生形變的前提下可 以 嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必須足 夠 表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標志信息，或購買者的序列號 等信息 ，這樣有 助 于解決版權糾紛 問題 ，保護數(shù)字 作品的 產(chǎn)權合法擁有者的利益。 特別 是隱蔽通信領域的特殊性，對水印的容量需求很大 [17]。 數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印技 術根據(jù)不同的根據(jù)有不同的分類方法，一般有以下幾種 分類 [8]： (1)按水印 的 內(nèi)容 劃分 :可 以 將水印分為無意義水印和有意義水印。無意義水印 是指嵌入的水印信息沒有實際的含義， 它可以是 偽隨機二值序列 、 偽隨機實數(shù)序列 和混沌序列等。 有意義水印指嵌入的水印信息具有一定的意義，可以較為 直觀地表示 出 數(shù)字作品的信息， 它可以是 數(shù)字圖像、數(shù)字音頻和文字等。目前 在實際應用中絕大部分 水印 采用 有意義水印 ，它能 夠 更有效地保護數(shù)字作品的版權。 (2)按水印的可見性劃分 :這種 劃分 依據(jù) 主要 適用于數(shù)字圖像作品中。根據(jù)人類視覺系統(tǒng)的特性 ，按照數(shù)字水印在數(shù)字圖像作品中是否可見 將數(shù)字水印 分為可見水印和不可見水印?？梢娝≈杆≡跀?shù)字圖像中 可以看得出來。不可見水印指將水印信息 嵌入到數(shù)字 視頻 、音頻或 圖像 當 中，從表面上很難察覺到 水印的存在以及數(shù)字作品的變化 ，但 是 當發(fā)生版權糾 紛時，可以從這些數(shù)字作品中提取出 水印，來證明數(shù)字作品的版權 歸屬 ，它比可見水印應用更加廣泛。 (3) 按水印的特性劃 分 ： 可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱水印兩種。前一種要求嵌入的水印對常用的編輯處理或惡意攻擊有一定的抵抗性；而后一種則要求對信息的改動有很強的敏感性。 6 (4)按水印所依附的載體形式劃分 :可 以 將水印劃分為 文本水印 、 圖像水印、音頻水印、視頻水印 以及用于三維 網(wǎng)格 模型的 網(wǎng)格水印等 。 (5)按水 印嵌入 的位置劃分 :可 以 將水 印劃分為空域數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印。 空 域水印的嵌入和提取是通過修改圖像像素點的灰度值或強度 來實現(xiàn)的 ，但 它對 常見圖像處理的攻擊及噪聲干擾的 魯棒性較差 。 變換域數(shù)字水印 是將水印添加到 原始圖像的某種變換系數(shù)中，更容易與人 類 感知系統(tǒng)的某些掩蔽特性相結合。 變換域數(shù)字水印 對壓縮和某些圖像處理等 攻擊的魯棒性更強 。 (6)按水印檢測過程劃分 :可將水印分為非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印在檢測數(shù)字水印的過 程中，需要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與。半盲水印不需要原始數(shù)據(jù)，只 需要原 始水印來進行檢測。盲水印在檢測數(shù)字水印的過程中只需要密鑰， 而 不需要原始數(shù)據(jù) 和 原始水印 的參與 。 (7)按水印的用途 劃分： 可以將數(shù)字水印劃分為 版權保護水印、 票證防偽水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印 等 [15]。 數(shù)字水印系統(tǒng) 一個完整的數(shù)字水印系統(tǒng)通常包括水印的嵌入、提取和檢測三個部分。 (1)水印嵌入：將水印信息進行預處理后加入到載體中的過程，稱為 水印的 嵌入。 水印的嵌入過程如圖 21 所示。 圖 21 水印嵌入框圖 (2)水印提?。?從含水印的數(shù)據(jù)中提 取出水印信息的過程，稱為水印的提取 。水印的 提取 過程如圖22 所示。 圖 22 水印提取框圖 (3)水印檢測： 判斷待測 數(shù)據(jù) 中是否存在水印 信息 的過程， 稱為水印的檢測。 水印的 檢測一般需要原始數(shù)據(jù) 的參與， 如果沒有原始數(shù)據(jù) ，則檢測將比較困難。 水印的檢測過程如圖 23 所示 。 圖 23 水印檢測框圖