【文章內(nèi)容簡介】 但是，在數(shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失意味著版權(quán)信息的丟失，從而失去了版權(quán)保護的功能，這一系統(tǒng)就是失敗的。因此數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強的安全性、隱蔽性和魯棒性。本章介紹數(shù)字水印的基礎知識、數(shù)字水印基本原理，包括特性、分類等，并對典型數(shù)字水印算法進行了介紹、分析。 數(shù)字水印原理 數(shù)字水印基本特性數(shù)字水印的思想雖然簡單，但是要達到應用的目的，就必須滿足一定的性能指標，其中相對重要的特性包括：（1） 保真性：又常稱為不可感知性或透明性。指因水印嵌入導致宿主信號質(zhì)量變化的程度。鑒于宿主信號大多是供人們觀賞的多媒體數(shù)據(jù)，水印應具有很高的保真性，同時也增加了水印自身的安全性。不可感知性包含兩方面的意思，一方面指視覺上的不可見性，即嵌入水印后不能導致圖像質(zhì)量在視覺上發(fā)生明顯地變化；另一方面，用統(tǒng)計方法是不能恢復水印。（2） 魯棒性：指水印在媒體數(shù)據(jù)編輯、處理過程中的生存能力。媒體數(shù)據(jù)的各種操作會導致宿主信號信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、模糊、剪切、縮放等，也包括一些惡意的攻擊。（3） 信息容量：指在一定保真度下，水印信號可傳遞的信息量。實際應用要求水印可傳送多位信息。但這其實與保真度又是互相矛盾的。（4） 安全性：指水印能夠抵御未經(jīng)授權(quán)的人對水印進行攻擊的能力。這些攻擊指專門為了阻礙水印發(fā)揮作用的處理行為，主要的攻擊類型有三種：一類是未經(jīng)授權(quán)的刪除，指阻止檢測出作品中水印的攻擊；另一類是未經(jīng)授權(quán)的嵌入（偽造），指把不合法的水印嵌入到不應含有該水印的作品中的行為；第三類是未經(jīng)授權(quán)的檢測。（5） 錯警率：指在不含水印的宿主信號中，錯誤地檢測出水印的概率，其中也包括在含水印的宿主信號中，未檢測出水印的概率。很顯然，只有錯警率足夠低，系統(tǒng)才能安全可靠地使用。設計水印必須圍繞上述性能指標選擇合適的技術(shù)。有些特性之間是不相容的，如保真性、魯棒性和信息容量三者之間，必須做權(quán)衡的考慮。 數(shù)字水印分類數(shù)字水印技術(shù)可以從各種不同的角度進行分類。（1） 按特性分類按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類：魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標識著作權(quán)信息，脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護。（2） 按水印所附載的媒體分類按水印所附載的媒體，數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文檔水印、軟件水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應的水印技術(shù)。（3） 按檢測過程分類按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始資料，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始資料。（4） 按內(nèi)容分類按數(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?。幸饬x水印是指水印本身也是數(shù)字圖像或數(shù)字音頻。（5） 按用途分類不同的應用需求造就了不同的水印技術(shù)．按水印的用途，可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。（6） 水印隱藏的位置分類按數(shù)字水印的隱藏位置，可以將其劃分為時(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時／頻域數(shù)字水印等。（7） 從外觀上分類水印從外觀上可分為兩類：可見水印和不可見水印．或者也可以說成可察覺水印和不可察覺水印。 數(shù)字水印系統(tǒng)模型從圖像處理角度看，水印的嵌入可理解為在強背景（載體圖像）下疊加一個弱信號（水印信號），只要疊加的水印信號強度低于人類視覺系統(tǒng)（HVS）對比門限，人類視覺就無法感覺到信號的存在。從數(shù)字通信角度來看，水印的嵌入可理解為在一個寬帶信道（載體圖像）上通過擴頻通信，輸一個窄帶信號（水印信號）。水印的檢測是在一個有噪聲信道中檢測弱信號的問題。數(shù)字水印技術(shù)一般由兩部分組成：水印嵌入算法，它通過特定的算法把水印信號隱藏在載體數(shù)據(jù)中；水印提現(xiàn)檢測算法，它負責從載體數(shù)據(jù)中檢測并恢復水印信號。（1） 水印的嵌入設f為原始數(shù)據(jù)，W為數(shù)字水印，K為密鑰，那么嵌入水印后的數(shù)據(jù)fw可由函數(shù)F定義為： (21) 數(shù)字水印嵌入模型見圖21所示。水印信息原始數(shù)據(jù)密匙水印嵌入算法水印載體圖21 數(shù)字水印嵌入模型Cox等人提出了三種水印嵌入方法，即： （22） （23） （24） 其中λ為嵌入因子，又稱強度因子。為了使水印在不可感知性的前提下，提高水印的魯棒性，就要盡可能提高水印的嵌入強度，水印的嵌入強度必須考慮載體的性質(zhì)和人的視覺、聽覺特性。（2） 水印的提取/檢測水印提取/檢測是與水印嵌入相反的過程。如果已知原始載體f，含水印信號的載體fw，密鑰K，則水印的提取/檢測過程可表示為： (25)其中D為水印提取算法，W’為提取的水印數(shù)據(jù)，fw為含水印的數(shù)據(jù)，f為原始數(shù)據(jù)，K為密鑰。水印提取，檢測模型見圖22所示：密匙水印載體數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)水印提取算法水印提取或存在與否二值判定圖22 數(shù)字水印的提取/檢測模型在一些水印系統(tǒng)中，水印可以被精確檢測出來，這一過程稱為水印提取，比如在完整性論證應用中，必須能夠精確地提取出嵌入的水印，并且通過水印的完整性來確認數(shù)字媒體的完整性。對強壯水印，通常不可能精確地提取出嵌入的水印。因為一個應用如果需要強壯水印，則說明這個應用很可能遭受到各種惡意攻擊，水印經(jīng)過這些攻擊以后，提取的水印通常已經(jīng)面目全非，這時需要進行水印判斷?？梢钥闯?，水印的提取是從嵌入水印的數(shù)據(jù)中提取水印，而水印檢測是判斷是否存在指定的水印，檢測過程如下： 其中W’為提取出的水印，K為密鑰，函數(shù)C為相關(guān)性檢測，δ為閾值。當檢測的結(jié)果超過閾值時，則認為檢測到水??；否則，則認為沒有檢測到水印。 數(shù)字水印攻擊方法水印攻擊方法從不同方面可以分為以下幾種類型：魯棒性攻擊、表象性攻擊、解釋性攻擊、合法性攻擊。魯棒性攻擊：是指在不損害圖像使用價值的前提下減弱、移去或破壞水印。這種攻擊一般有兩種：信號處理操作和分析算法攻擊。信號處理操作：如壓縮、線性濾波、圖像剪切等，在有些情況下，它們不一定是惡意攻擊。分析算法攻擊：它是在明確的水印嵌入和檢測算法下，去掉和削弱水印的存在，同謀攻擊就屬于此類。表象性攻擊不同于魯棒性攻擊的地方是它不一定非要去掉水印，相反它只是改變數(shù)據(jù)信號，使得水印被檢測不到。旋轉(zhuǎn)和一般的仿射變換也屬于表象性攻擊。解釋性攻擊既不試圖擦除水印，也不試圖使水印檢測無效，而是使得檢測出的水印存在多個解釋。也就是一個攻擊者試圖在同一個嵌入了水印的載體中再次嵌入另一個水印，該水印有著與原所有者嵌入的水印相同的強度，由于一個載體中出現(xiàn)了兩個水印，所以，導致所有權(quán)的爭議。合法性攻擊與前三種攻擊完全不同。前三種是技術(shù)上的攻擊，而合法性攻擊涉及到目前和將來的版權(quán)法規(guī)。合法性攻擊可能包括現(xiàn)有的及將來的有關(guān)版權(quán)和有關(guān)數(shù)字信息所有權(quán)的法案，因為在不同的司法權(quán)中，這些法律有可能有不同的解釋。 數(shù)字水印性能評價對圖像數(shù)字水印系統(tǒng)建立標準統(tǒng)一的評估方法是數(shù)字水印研究的重要內(nèi)容之一。圖像水印系統(tǒng)的性能評估主要包括魯棒性分析和含水印圖像的失真度評估兩個方面。通常，需要在數(shù)字水印的魯棒性和不可見性之間進行折衷。水印不可感知性評價主要是主觀測試方法和客觀評價方法，主觀測試方法就是觀測者直接對含水印載體進行測試，實踐表明，經(jīng)驗不同的個體，在對含水印載體的主觀測試中做出的結(jié)果相差很大。主觀測試對最終的質(zhì)量評價和測試是有實用價值的，但因為存在著個體差異，還需要客觀的評價方法?？陀^評價方法就是使用理論上的評價方法，利用各學科的理論基礎對所處理的載體做出定量的評價。含水印的數(shù)字作品在日常的使用中可能會發(fā)生改變，很多應用要求能夠從這些改變的數(shù)字作品中正確地提取、檢測水印，這就涉及到水印的魯棒性。魯棒性與安全性不同，魯棒性指能經(jīng)受住常規(guī)的信號處理，而安全性則用于防止非授權(quán)者任何破壞水印的攻擊行為。水印可能經(jīng)受的常規(guī)處理主要發(fā)生在水印的嵌入和檢測過程之間，它包括：有損壓縮、濾波和加噪等。要想獲得較好的魯棒性，常會以犧牲一些計算花費和保真度等為代價。水印的魯棒性與很多方面有關(guān)：水印結(jié)構(gòu)、嵌入強度、重復嵌入、嵌入位置等。目前有關(guān)數(shù)字水印結(jié)構(gòu)的研究比較少，大部分的研究都運用Cox等人的水印結(jié)構(gòu)理論。Cox指出，符合正態(tài)分布的隨機序列構(gòu)成的水印具有最好的魯棒性，并能獲得較低的虛警率和漏警率。水印的嵌入強度是影響數(shù)字水印魯棒性的重要因素，水印嵌入強度越大，則水印的抗攻擊能力越強。在信號處理過程中，某種處理可能對一些系數(shù)的影響較強，而對一些系數(shù)的影響較弱，對另一些甚至毫無影響。采用將水印重復嵌入到不同系數(shù)中，即使其中某些系數(shù)在信號處理的過程中受到較大影響，導致檢測水印失敗，但仍然可能在其余的系數(shù)中檢測到水印信號的存在。對嵌入位置的確定也是影響水印系統(tǒng)性能的因素之一。數(shù)字作品的不同系數(shù)具有不同特性，選擇不同的系數(shù)嵌入水印影響水印的性能。密鑰不直接影響數(shù)字水印的魯棒性，但對數(shù)字水印系統(tǒng)的安全性起了重要的作用，因此可以間接地影響數(shù)字水印的魯棒性。當密鑰空間越大，窮舉搜索的次數(shù)越多，則系統(tǒng)的安全性越強。 數(shù)字水印系統(tǒng)應用模型數(shù)字水印系統(tǒng)最主要的應用是作為版權(quán)保護、防偽和認證等方面，這些應用都離不開網(wǎng)絡。數(shù)字水印應用模型見圖23所示。圖23 數(shù)字水印應用模型數(shù)字水印的應用過程是：供應商在原始產(chǎn)品中嵌入水印，并將含水印的產(chǎn)品通過網(wǎng)絡發(fā)給用戶。含水印產(chǎn)品在網(wǎng)絡傳輸過程中，可能受到盜版者的攻擊。盜版者將含水印產(chǎn)品進行處理后，作為自己的產(chǎn)品提供給用戶，由此就產(chǎn)生了版權(quán)爭議。為了證明版權(quán)，供應商通過水印的提取、檢測，確定了版權(quán)歸屬問題，保護了自己的利益。 典型數(shù)字水印算法分析數(shù)字水印技術(shù)是一門交叉學科，數(shù)字水印技術(shù)的學科特點在于它橫跨圖像處理和分析、多媒體技術(shù)、數(shù)字通信、密碼學、計算機網(wǎng)絡等多科領域，以這些領域的算法、思想和概念為基礎。各個領域的最新進展都可以為其所用，是一個真正快速發(fā)展的技術(shù)。學者們用各自學科的獨特視角來研究數(shù)字水印，相繼出現(xiàn)了多種數(shù)字水印算法，下面介紹數(shù)字水印系統(tǒng)的典型算法。 空間域算法空間域算法是使用各種各樣的方法直接修改圖像的像素值，將數(shù)字水印直接加載在載體數(shù)據(jù)上。這種方法嵌入的信息量大，具有較好的抗幾何失真能力，最大弱點就在于抗信號失真、圖像的幾何變形、噪聲和圖像壓縮的能力普遍較差。(1) 最低有效位算法（Least Significant Bits,LSB）LSB算法使用特定的密鑰通過m序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機信號，然后按一定的規(guī)則排列成二維水印信號，并逐一插入到原始圖像相應像素值的最低幾位。由于水印信號隱藏在圖像點中像素最不重要的最低位，相當于疊加了一個能量微弱的信號，因而在視覺和聽覺上很難察覺。LSB水印的檢測是通過待測圖像與水印圖像的相關(guān)運算和統(tǒng)計決策實現(xiàn)的。LSB算法雖然可以隱藏較多的信息，但由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易被濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞，無法滿足數(shù)字水印的魯棒性要求，因此現(xiàn)在的數(shù)字水印技術(shù)中己經(jīng)很少采用LSB算法了。不過，作為～種大數(shù)據(jù)量的信息隱藏方法，LSB在隱蔽通信中仍占據(jù)著相當重要的地位。(2) Patchwork算法和紋理塊映射方法Patchwork算法是基于統(tǒng)計理論，將具有特定統(tǒng)計特性的數(shù)字水印嵌入到原始數(shù)據(jù)中。它的方法是隨機選擇N對像素點（ai,bj），然后將每個ai 點的亮度值加l，每個bj 點的亮度值減l，這樣整個圖像的亮度保持不變。適當調(diào)整參數(shù)，它能有效地抵抗剪切、濾波和JPEG壓縮等攻擊，但對拷貝平均攻擊抵抗力較弱，而且該方法嵌入的信息量有限。(3) 紋理塊映射方法是將水印信息隱藏在圖像的隨機紋理區(qū)域中，利用紋理間的相似性掩蓋水印信息。該算法隱蔽性較好，對濾波、壓縮和扭轉(zhuǎn)等操作具有抵抗能力，但僅適用于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像，而且需要人工干預。(4) 文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)法由Brassil等人首先提出了幾種通用在文檔圖像中隱藏特定二進制信息的技術(shù)，數(shù)字水印信息通過微調(diào)整個文檔中的上、下結(jié)構(gòu)來完成編碼?；诖朔椒ǖ臄?shù)字水印能夠抵抗一些文檔操作。但是水印很容易被破壞，而且這種方法僅適用于文檔類圖像?？臻g域算法雖然具有嵌入信息量大的優(yōu)點，但是因為魯棒性很差，所以現(xiàn)在數(shù)字水印系統(tǒng)已經(jīng)很少使用了。而下面介紹的變換域算法是目前研究的熱點。 變換域算法變換域（頻域）方法是利用某種數(shù)學變換，將圖像用變換域表示。在變換域上嵌入水印，信號能量可以擴散到空間域的所有像素上，有利于保證水印的不可見性。變換域方法還可以更好的結(jié)合人類視覺系（Human Visual System,HVS）的一些特性，抗攻擊能力較好?，F(xiàn)在的研究中大多使用變換域方法。變換域水印指的就是通過修改圖像的變換域系數(shù)來代替直接修改圖像像素本身，這樣，一方面變換域系數(shù)是一個全局變換產(chǎn)生的量，個別像素的改變對其影響不大；另一方面，變換域某個系數(shù)的改變分布在整個空間圖像的每個像素上，使得每個像素的改變相對較小，使水印具有更好的不可察覺性。變換域方法可以有效減少個別像素受到破壞而導致水印失效，從這一點上來說，變換域水印算法的魯棒性是比較高的。變換域水印算法并不局限于傅立葉變換DFT、離散余弦變換DCT和離散小波變換DWT,只要某種信號變換形式能夠較好地隱藏數(shù)字水印信息，就可以運用到數(shù)字水印系統(tǒng)中。但就目前應用中這三種方法是使用最多的。（1） DFT變換傅立葉變換是一種經(jīng)典而有效的數(shù)學工具，也是圖像處理中經(jīng)常應用的工具。DFT域算法有利于實現(xiàn)水印的仿射不變性，而且可利用變換后的相位信息嵌入水印。算