【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的文獻(xiàn)看，國(guó)際上在數(shù)字水印方面的研究剛開始不久，但由于有大公司的介入和美國(guó)軍方及財(cái)政部的支持，該技術(shù)研究的發(fā)展速度非 ?？?。 1998 年以來，《 IEEE圖像處理》、《 IEEE 會(huì)報(bào)》、《 IEEE 通信選題》、《 IEEE 消費(fèi)電子學(xué)》等許多國(guó)際重要期刊都組織了數(shù)字水印的技術(shù)?？?qū)ｎ}新聞報(bào)道。 在美國(guó)，以麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室為代表的一批研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)申請(qǐng)了數(shù)字水印方面的專利。 1998 年，美國(guó)政府報(bào)告中出現(xiàn)了第一份有關(guān)圖像數(shù)據(jù)隱藏的 AD 報(bào)告。目前，已支持或開展數(shù)字水印研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)，它們包括美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)空軍研究院、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心、日本 NTT 信息與通信 系統(tǒng)研究中心、麻省理工學(xué)院、伊利諾斯大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、西班牙 Vigo 大學(xué)、 IBM 公司 Watson研究中心、微軟公司劍橋研究院、朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室、 CA 公司、 Sony 公司、 NEC 研究所以及荷蘭菲利浦公司等 。 8 1996 年 5 月 30 日～ 6 月 1 日，在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，至今已舉辦了三屆。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國(guó)際會(huì)議也開辟了相關(guān)的專題。 我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非?？?，已經(jīng)有相當(dāng)一批有實(shí)力的科研機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來。為了促進(jìn)數(shù) 字水印及其他信息隱藏技術(shù)的研究和應(yīng)用， 1999年 12 月，我國(guó)信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起召開了我國(guó)第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。 2020 年 1 月，由國(guó)家 “863”智能機(jī)專家組和中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織召開了數(shù)字水印學(xué)術(shù)研討會(huì)，來自國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家信息安全測(cè)評(píng)認(rèn)證中心、中國(guó)科學(xué)院、北京郵電大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、中山大學(xué)、北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所等單位的專家學(xué)者 和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)，報(bào)告了各自的研究成果。從這次會(huì)議反應(yīng)的情況上看，我國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平相差不遠(yuǎn)，而且有自己獨(dú)特的研究思路。 9 2 數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn) 有很多文獻(xiàn)中都提到了各種圖象水印的嵌入的檢測(cè)算法 Hsu 和 Wu 等人提出了基于離散余弦變換（ Discrete Cosine Transform）的圖象水印的嵌入， Ruanaidh 等人提出了兩個(gè)離散傅立葉變換 (Discrete Fourier Transfrom)域的水印算法， Liu 等人還提出了基于 DWT域的數(shù)字 語(yǔ)音信號(hào)中加水印的方法等等 ,這些算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。本章提出的圖象水印算法是基于 DWT 域的圖象水印嵌入和提取算法，由于小波變換的優(yōu)點(diǎn)使得此算法得到的水印有很強(qiáng)的穩(wěn)健性和層次性的檢測(cè)。 [6] 圖象水印的原理 水印的基本信息 水印的信息即二值圖像，看上去就像傳統(tǒng)的棋盤（圖 ）。為了今后方便說明，圖像是由方形的像素組成，它可以由用戶版權(quán)秘密鑰匙推斷出。 圖 基本信息所利用的 例子 印記 為了利用視覺特性，基本信息被對(duì)應(yīng)于不同的頻率和方向的獨(dú)立元素所調(diào)制；此外，我們可用一個(gè)低通濾鏡（ LP）來濾過初始的棋盤，濾出的信號(hào)是帶限的。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗试S在一個(gè)通道上限制蒙版判據(jù)。這種調(diào)制的位置是隱蔽的，可以從用戶秘密鑰匙推斷。實(shí)際上，這種頻率平面圖被分為兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域與單個(gè)感覺單元相連，并定義了哪些基本信息可調(diào)制的耦合（ f,θ）群，只有一對(duì)耦合是為每個(gè)區(qū)域所選擇的（因?yàn)橥粎^(qū)域的耦合并不能激勵(lì)獨(dú)立單元）。從每個(gè)調(diào)制格柵的合成圖像稱為印記 S （ x,y）： S(x,y)=G(x,y)cos(f xj x+f yj y) 圖象水印處理一般分為水印嵌入和水印的檢測(cè)兩部分。從圖象處理的角度看，嵌入10 水印可以視為在強(qiáng)背景（原始圖象）下迭加一個(gè)弱信號(hào)（水印），由于人的視覺系統(tǒng)分辨率受到一定的限制，只要迭加信號(hào)的幅度低于對(duì)比度門限，就無法感覺到信號(hào)的存在，對(duì)比度門限受視覺系統(tǒng)的空間、時(shí)間和頻率特性的影響。因此，通過對(duì)原始圖象做一定的調(diào)整，有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。 [7] 另一方面，從數(shù)字通信的角度來看，水印編碼（嵌入）可理解為 在一個(gè)寬帶信道（原始圖象上）用擴(kuò)頻技術(shù)傳輸一個(gè)寬帶信號(hào)（水?。M管水印信號(hào)具有一定能量，但分布到信道中任何一頻率上的能量是難以檢測(cè)的，水印譯碼（檢測(cè)）則是一個(gè)有噪信道中弱信號(hào)的檢測(cè)問題。 背景 隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展，各種形式的多媒體數(shù)字作品（圖象、視頻、音頻等）紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表，其版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)迫切需要解決的問題。由于數(shù)字水印是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法，如今已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。該技術(shù)即是通過在原始數(shù)據(jù)中 嵌入秘密信息 —— 水印來證實(shí)該數(shù)據(jù) 的所有權(quán)。這種被嵌入的水印可以是一段文字、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等。水印通常是不可見或不可察的，它與原始數(shù)據(jù)（如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù)）緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而保存下來。 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。例如，從信息安全的保密角度而言，隱藏的信息如果被破壞掉，系統(tǒng)可以視為安全的，因?yàn)槊孛苄畔⒉⑽葱孤?；但是，在?shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失即意味著版權(quán)信息的丟失，從而失去了版權(quán)保護(hù)的功能，這一系統(tǒng)就是失 敗的。因此數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性和透明性。 典型數(shù)字水印系統(tǒng)模型 圖 為水印信號(hào)嵌入模型，其功能是完成將水印信號(hào)加入原始數(shù)據(jù)中；圖 為水印信號(hào)恢復(fù)模型，其負(fù)責(zé)從水印數(shù)據(jù)中提取出水印信號(hào)； 圖 是水印信號(hào)的檢測(cè)。 11 圖 水印信號(hào)嵌入 圖 水印信號(hào)恢復(fù) 圖 水印信號(hào)檢測(cè) 水印的具體實(shí)現(xiàn) 變換域的優(yōu)點(diǎn) 水印的嵌入對(duì)策即嵌入算法有很多，從實(shí)現(xiàn)角度看可分為兩類：空域方法和變換域的方法，這兩中方法分別通過改變主圖象某些象素的灰度和改變主圖象的某些變換系數(shù)來嵌入水印，與空域法相比，變換域法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 密匙 水印信息 載體數(shù)據(jù) 水印嵌入 算 法 水印載體數(shù)據(jù) 水印載體數(shù)據(jù) 密匙 原始載體數(shù)據(jù) 水印提取算法 水印信息 水印載體數(shù)據(jù) 密匙 原始水印 原始載體數(shù)據(jù) 水印檢測(cè)算法 水印是否存在 12 1 在變 換域中嵌入的水印信號(hào)能量可以分布到空域的所有象素上，有利于保證水印的不可見性。 2 在變換域中，視覺系統(tǒng)的某些特性（如視頻特性）可以更方便地結(jié)合到水印編碼過程中。 3 變換域的方法與國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而實(shí)現(xiàn)壓縮域內(nèi)的水印編碼。 因此，變換域的方法應(yīng)是水印算法未來的趨勢(shì)主流。 本文提出的在離散小波變換域的圖象水印技術(shù)，由于良好的空間 —— 頻率分解特性（更符合的特點(diǎn)）和即將成為新一代圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)的極大可能性而且有十分的研究?jī)r(jià)值。 水印的選擇 所構(gòu)成水印的序列應(yīng)該具有不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)性（ Unpredictable randomness）。由于人類視覺系統(tǒng)對(duì)紋理具有極高的敏感性，所以水印構(gòu)成紋理是不允許的，因此，所加入的水印應(yīng)該與有與躁聲相同的特性，目前一般取下述隨機(jī)序列作為水印加入到圖象數(shù)據(jù)中： ：是滿足均值為方差為零的正態(tài)分布。 ：具有類似白噪聲的性質(zhì)，但又具有周期性和規(guī)律性，可以認(rèn)為地加入以產(chǎn)生和復(fù)制由于以為寄存器的輸出是由初始狀態(tài)和反饋邏輯直接決定的，而且任取一段輸出不可能預(yù)測(cè)其它的輸出，可以選用 m一序列或 M 一序列作為水印信號(hào)。 ：通常是選取具有特定意義的字符串作為水印信號(hào)，把每個(gè)字符作為產(chǎn)生隨機(jī)序列的種子，最后對(duì)所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列按一定的操作（異或、與操作等）加入到圖象數(shù)據(jù)中。 實(shí)現(xiàn)過程 具體分三步： 1 小波變換 2 水印嵌入 其具體圖可表現(xiàn)為： 13 圖 水印嵌入 嵌入過程是將原圖和水印經(jīng)過某些處理后嵌入。這里的密鑰是嵌入者為了防止攻擊者截 獲、復(fù)制及篡改，對(duì)圖象的加密。 [8] 3 水印提取 其具體圖可表現(xiàn)為 ： 圖 水印提取 提取的過程是嵌入的逆過程，先用密鑰、原圖象、水印圖象三者結(jié)合，將其水印檢測(cè)出來。 在嵌入與提取中有三個(gè)主要理論問題： 小波變換 原始對(duì)象 密 鑰 水印信息 嵌入算法 水印對(duì)象 水印對(duì)象 密 鑰 檢測(cè)算法 有無水??？ 水印信息 原始對(duì)象 抽取的水印 14 在即將到來的圖象壓 縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG 中，小波正成為一種關(guān)鍵技術(shù)，小波變換作為一種變換域信號(hào)處理方法，近年來在計(jì)算機(jī)視覺和圖象處理研究領(lǐng)域，引起人們的極大興趣。小波變換在包括壓縮在內(nèi)的圖象處理與圖象分析領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。作為一種多分辨率的分析方法，由于小波變換具有很好的時(shí) — 頻局部性，特別適合按照人類視覺系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)圖象的編碼與分層傳輸。隨著小波技術(shù)在圖象領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于小波變換的水印技術(shù)也得到越來越多的關(guān)注。而小波本身的多分辨率思想對(duì)根據(jù)健壯性和視覺效應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)好的信息在載體的分布方式是很有用的。 [9] 本章提出了一 種基于離散小波變換的水印方法，通過對(duì)圖象的一級(jí)分解，提取出在細(xì)節(jié)子帶中的重要成分，通過這些成分代表著圖象的紋理區(qū)域，利用紋理的隱蔽特性 ，使得系統(tǒng)在保證健壯性的同時(shí)獲得很好的不可覺察性。主要介紹小波變換及其多分辨率分析在圖象中的應(yīng)用。 小波變換將圖象在獨(dú)立的頻帶和不同空間方向上進(jìn)行分解，它不僅具有良好的空間頻率分解特性，而且能更好地與人類視覺系統(tǒng)想結(jié)合，是一種很有潛力的方法。圖象經(jīng)過離散小波變換，即分解成 4 個(gè)四分之一大小的子圖：水平方向、垂直方向和對(duì)角線方向的中高頻細(xì)節(jié)子圖和低頻逼近子圖，每個(gè) 子圖通過間隔抽樣濾波得到。后繼分解時(shí)，逼近子圖以完全相同的方式再分解成在下一級(jí)分辨率更小的子圖。以后類推分解，圖象就被分解成不同分辨率級(jí)和不同方向上的多個(gè)子圖，這更加符合人眼的視覺機(jī)制。這種錐形結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)： 。 圖 3級(jí)小波變換分解圖 X3 X3 X2 X2 X2 X1 X1 X1 X3 X3 15 在頻率域中，高頻部分代表圖象的邊緣及紋理部分，在這些地方嵌入水印，人眼雖不易察覺，但這樣的水印容 易在圖象經(jīng)過有損壓縮等一些圖象處理后丟失，另一方面，因?yàn)榈皖l部分集中了圖象能量，所以在低頻部分嵌入水印不易丟失，然而低頻部分具有不同的特點(diǎn)，因此可進(jìn)行折中考慮，也就是首先將經(jīng)過 3 級(jí)小波變換的圖象分成與水印大小相同且互不重疊的圖象塊，然后將同一水印分別嵌入到每一圖象中。由于高頻部分所占的圖象面積較大，多被分為許多小圖象塊，因此嵌入的水印就多；而低頻部分由于只占圖象的較小部分，因此圖象塊數(shù)較少，自然所嵌入的水印就少。這樣就實(shí)現(xiàn)了在高頻部分嵌入較多的水印信息，而在低頻部分嵌入較少的水印信息的要求。由于是同一水印反 復(fù)嵌入到圖象的不同部分，因此很大程度上提高了水印的強(qiáng)壯性。 圖象小波系數(shù)的這種天然的塔式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為我們嵌入水印提供了一種新的思路。根據(jù)人們對(duì)人類識(shí)覺系統(tǒng)（ HVS）的分析研究，噪聲對(duì)圖象質(zhì)量的影響有如下特點(diǎn)： A 人眼對(duì)于在較高分辨率上的噪聲的敏感性較低 B 人眼對(duì)于在 45 度方向上的噪聲的敏感性低 因此，可以把一幅圖象作為要嵌入在原始圖象中的水印信息，當(dāng)然這幅水印圖象要小于原始圖象，它經(jīng)過小波分解后的系數(shù)顯然也具有上述的塔式結(jié)構(gòu)。設(shè)想把水印的小波系數(shù)的 LL 部分，也就是能 量大的部分嵌