【文章內(nèi)容簡介】 能夠提供完全沒有爭議的版權(quán)證明 [5]。 數(shù)字水印在各領(lǐng)域的應(yīng)用 數(shù)字水印技術(shù)的研究是與數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)緊密相關(guān)的，目前數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，概括起來主要包括以下幾個方面： 媒體所有權(quán)的認(rèn)定和版權(quán)保護(hù) 數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布他的水印版權(quán)作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，所有者即可以利用水印的檢測或提取方法從盜版作品和水印版作品中獲取水印信息作為依據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán) 益。對這種應(yīng)用領(lǐng)域來說，水印技術(shù)必須有較好的魯棒性，同時也必須能防止被偽造。 跟蹤非法傳播 這是使用購買者的信息（如不同用戶 ID 或序列號等）作為水印嵌入產(chǎn)品中，這些水印信息就如同人的指紋或 DNA 基因一樣，可以準(zhǔn)確地區(qū)分每一個不同的用戶個體，因此又叫 “ 指紋 ” 。當(dāng)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝時，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來確定它的來源，以追究非法傳播者的責(zé)任。對于這種水印，除應(yīng)具有用于版權(quán)保護(hù)水印的特性以外，還應(yīng)該能夠防止串謀攻擊，就是防止兩個以上的用戶聯(lián)合起來，通過對比消除加入的水印。 標(biāo)題與注釋 利用水印 技術(shù)將媒體的相關(guān)注釋或標(biāo)題等信息加入其中，以便自己或他人使用。比如，在圖片或照片中加入制作或拍攝時間、地點(diǎn)、圖像名稱、內(nèi)容簡介、創(chuàng)作者等；在 CD 音樂中隱藏樂典的簡介、作曲、定購信息、訪問鏈接等；在數(shù) 10 字視頻中嵌入各種語言構(gòu)成多語言電影系統(tǒng)，以適應(yīng)不同用戶的需要等。這種隱式注釋不需要增加額外的帶寬，且不容易丟失，因此是一種比較理想的注解方式。 篡改提示 當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)時，常需確定它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實(shí)現(xiàn)該目的，通常可將原始圖像分成多個獨(dú)立塊，再將每個塊加入不同的 水印。同時可通過檢測每個數(shù)據(jù)塊中的水印信號，來確定作品的完整性。與其它水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。 使用控制 在一個封閉的系統(tǒng)中，多媒體內(nèi)容需要特殊的硬件來拷貝和觀看使用，插入水印來標(biāo)識允許的拷貝數(shù)，每拷貝一份，進(jìn)行拷貝的硬件會修改水印的內(nèi)容，將允許的拷貝數(shù)減一，以防止大規(guī)模的盜版，這種應(yīng)用的一個典型的例子是 DVD防拷貝系統(tǒng)，即將水印信息加入 DVD 數(shù)據(jù)中，這樣 DVD 播放機(jī)即可通過檢測DVD 數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護(hù)制造商的商業(yè)利益。 內(nèi)容保護(hù) 在一些特定應(yīng)用中，數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容的所有者可能會希望要賣的多媒體內(nèi)容能公開自由地預(yù)覽，以盡可能地多招來潛在的顧客，但也需要防止這些預(yù)覽的內(nèi)容不被其它人用于商業(yè)目的。因此，這些預(yù)覽內(nèi)容被自動加上可見的但難除去的水印。 數(shù)字水印技術(shù)憑借其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)引起了眾多應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注，但是數(shù)字水印技術(shù)本身目前還不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用在安全性、可用性等方面的要求。然而現(xiàn)代密碼學(xué)的研究和發(fā)展為數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代密碼學(xué)提供的各種保密性、認(rèn)證性、完整性和不可抵賴性機(jī)制，可以設(shè)計(jì)安全的數(shù)字水印服務(wù) 于不同的應(yīng)用。 數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印的分類方法多種多樣，從不同的角度可以如下進(jìn)行分類： 按水印的可見性劃分 按嵌入水印后數(shù)字產(chǎn)品中水印是否可見可將數(shù)字水印分為可見水印和不可 11 見水印?？梢娝≈饕糜诋?dāng)場聲明數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)歸屬，對盜版者起到即時威懾和約束作用，也可用于在因特網(wǎng)上在線分發(fā)帶有可見水印的數(shù)字產(chǎn)品，對數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行廣告宣傳。不可見水印不能夠阻止盜版者對數(shù)字產(chǎn)品的非法復(fù)制，但可用來證明數(shù)字產(chǎn)品所有權(quán)，以及作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)。 按水印的魯棒性劃分 按水印的魯棒性可以將數(shù)字水印 分為脆弱數(shù)字水印和魯棒數(shù)字水印兩種。脆弱水印對多媒體的任何變換或處理都非常敏感；魯棒水印對常見的各種處理操作和攻擊均有較強(qiáng)的魯棒性，好的魯棒水印算法甚至可以從質(zhì)量已被破壞的數(shù)字作品中提取出水??；魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識著作權(quán)信息，如作者、作品序號等。脆弱數(shù)字水印主要用于完整性認(rèn)證和內(nèi)容保護(hù)。人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過，實(shí)現(xiàn)對多媒體的被破壞情況的跟蹤和定位。 按水印所附載的媒體劃分 按水印所附載的載體數(shù)據(jù)，可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印等等。隨 著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會有更多類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。 按水印的檢測過程劃分 按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為非盲水?。?Nonblind watermark）、半盲水?。?seminonblind watermark）和盲水?。?Blind watermark）。非盲水印在檢測過程中需要原始數(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)，但需要原始水印來進(jìn)行檢測；盲水印的檢測只需要密鑰，既不需要原始數(shù)據(jù)，也不需要原始水印。一般說來，非盲水印的穩(wěn)健性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。目 前研究的數(shù)字水印大多數(shù)是半盲水印或者盲水印。 按水印的內(nèi)容劃分 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將數(shù)字水印分為有意義的水印和無意義水印。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)字音頻片斷的編碼；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它原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺覺察確認(rèn)是否有水印。但對無意義的水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng) 12 計(jì)決策來確定信息中是否含有水印。 按水印嵌入的空間劃分 按水印嵌入的空間劃分可將數(shù)字水印分為空 域水印和頻域水印。空間域水印的嵌入和提取是通過修改圖像像素點(diǎn)的強(qiáng)度或灰度值來實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算簡單，效率較高，但難以抵抗常見圖像處理的攻擊及噪聲干擾的影響，穩(wěn)健性較差。頻域方法是將水印添加到原始圖像的某種變換系數(shù)中，更容易與人的感知系統(tǒng)的某些掩蔽特性相結(jié)合，與數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如 JPEG 等兼容。因此，頻域水印算法對諸如壓縮和某些圖像處理等的攻擊的魯棒性更強(qiáng)。 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，可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱藏標(biāo)識水印。票據(jù)防偽水印加在紙 質(zhì)票據(jù)的數(shù)字生成過程中，歷經(jīng)印刷、打印、掃描過程后能將水印檢測出來，需要防止的是復(fù)制后水印將不再存在。隱蔽標(biāo)識水印是在圖像中加入注釋信息，對圖像進(jìn)行說明和作者介紹等，不占用帶寬，需要隱藏的數(shù)據(jù)量較大 [6]。 核心數(shù)字水印技術(shù) 數(shù)字水印技術(shù)多種多樣，下面將介紹幾種核心的數(shù)字水印技術(shù)之一的小波域水印算法。 基于小波 域 算法的數(shù)字水印生成與隱藏算法 小波域水印算法往往把水印嵌入到圖像小波變換后的低頻子帶或高頻子帶。圖像的低頻子帶攜帶了圖像的大部分信息，因此可以嵌入更多的水印信息，使水印更加魯 棒，但同時也產(chǎn)生了問題，即圖像低頻子帶的變化容易導(dǎo)致較大的圖像失真。相反，高頻子帶攜帶的圖像的邊緣和紋理信息，人眼對這部分信息不敏感，因此，在這部分嵌入水印，可以避免引起圖像的失真，但同時水印容易遭到破壞。因此，一個有效的水印算法在魯棒性和圖像的失真度之間取得平衡。下面介紹兩種典型的水印算法 [7]。 基于高斯序列的擴(kuò)頻水印算法 在 1997 年， Cox 提出了一種基于擴(kuò)展頻譜的水印算法。在此方案中，水印的嵌入過程就是在原圖像中加入偽隨機(jī)序列。在水印檢測時，通過計(jì)算偽隨機(jī)序列和提取水印序列的相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)頻數(shù) 字水印方案的基本思想是在改變不引 13 人注目的地方擴(kuò)大標(biāo)記，并且將它嵌入到感知上重要的信號部分中。它有頻域所固有的抗幾何變換的能力，但它的一個最顯著的缺點(diǎn)是必須有原始圖像才能檢驗(yàn)水印是否存大。 Wolfgang 等提出了一種基于小波變換的擴(kuò)頻水印算法，此算法在擴(kuò)頻水印算法中很具有代表性。在此算法中選用偽隨機(jī)實(shí)數(shù)組成的高斯序列作為水印。序列長度由視覺模型確定。小波基采用如雙正交小波。嵌入算法是將圖像進(jìn)行四級小波變換，在整個頻帶內(nèi)選擇大于閾值的小波系數(shù)來嵌入水印。水印的提取需要原始圖像。 Wolfgang 的方法源于 Cox，但他在嵌入算法中加了一個權(quán)值因子調(diào)整嵌入水印能量與圖像失真的大小。保證了水印的不可感知性，又使算法具有一定魯棒性。 基于量化的數(shù)字水印算法 在量化水印算法中，所用的水印通常是二值圖像或二值序列，根據(jù)一種量化方案把原數(shù)據(jù)替換成另一種量化值來嵌入水印。一種簡單的量化水印稱為奇偶嵌入水印，若嵌入位為 “ 0” ，則宿主信號被量化為與之最近的偶數(shù)；若嵌入位為“ 1” 則量化為與之最近的奇數(shù)。 Kundur 提出了一種量化的脆弱水印算法，先對圖像進(jìn)行 L 級分解，利用密鑰控制需嵌入水印的小波系數(shù)，將這些小波系數(shù)用預(yù)定的量化步長進(jìn) 行奇偶性量化后與水印信息比較，若不等，利用量化步長調(diào)整小波系數(shù)。提取時間首先將待測圖像 L 級分解后，對相應(yīng)位置的小波系數(shù)量化，判斷量化系數(shù)的奇偶性，嵌入相應(yīng)值，然后將提取結(jié)果與原始水印比較得到檢測結(jié)果。該方案可以檢測不同分辨率下的水印篡改圖并能夠?qū)崿F(xiàn)對篡改的定位，并可通過調(diào)節(jié)門限來降低虛警率。 Lu 提出一種中值量化的脆弱水印方法。首先將圖像小波變換后，根據(jù)人類視覺系統(tǒng)（ HVS）應(yīng)用特定的量化步長，對獨(dú)立頻域內(nèi)的小波系數(shù)用密鑰選取后求和取平均，通過量化步長計(jì)算出量化噪聲，然后，結(jié)合水印信息和小波平均系數(shù)進(jìn)行量化 ，得到的結(jié)果再與各個小波系數(shù)相加，即為量化后的小波系數(shù)，重構(gòu)后得到含水印的圖像。通過選取適當(dāng)?shù)臋z測門限進(jìn)行認(rèn)證檢測。該算法改善了文獻(xiàn)的性能，在加大篡改檢測效果的同時，極大的降低了虛警率 [8]。 關(guān)于數(shù)字水印的技術(shù)還有很多，這里不再一一介紹 14 數(shù)字水印典型算法 空間域數(shù)字水印 較早的數(shù)字水印算法都是空間域上的，空域水印處理使用各種各樣的方法直接修改圖像的象素，將數(shù)字水印直接加載在數(shù)據(jù)上，現(xiàn)已提出了如下幾種較典型的空域數(shù)字水印方法。 最低有效位方法 這是一種典 型的空間域數(shù)據(jù)隱藏方法， L. F. Turner 與 R. G. Van Schyndel 等先后利用此方法將特定的標(biāo)記隱藏于數(shù)字音頻和數(shù)字圖像內(nèi)。對圖像數(shù)據(jù)而言，是根據(jù)圖像最低位的改變影響到的圖像質(zhì)量很少，從而用水印信息改變載體圖像的最低位來達(dá)到嵌入水印的目的 [9]。 在進(jìn)行數(shù)字圖像處理后，圖像的低位非常容易改變，攻擊者只需通過簡單地刪除圖像低位數(shù)據(jù)或者對數(shù)字圖像進(jìn)行某種簡單數(shù)學(xué)變換就可將空域 LSB 方法加入的水印信息濾除或破壞掉，因此同變換域的方法相比，這種水印算法的魯棒性非常弱。 Patchwork 方法 Patchwork 方法是一種基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印嵌入方法，在 Patchwork 算法中，一個密鑰用來初始化一個偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，而這個偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器將產(chǎn)生載體中放置水印的位置。 Patchwork 算法的基本思想是： 在嵌入過程中，版權(quán)所有者根據(jù)密鑰 K 偽隨機(jī)地選擇 n 個象素對，然后通過下面的兩個公式更改這 n 個象素對的亮度值 ),( ii ba ： 1~ ?? ii aa 公式（ 31）1~ ?? ii bb 公式（ 32） 這樣，版權(quán)所有者就對所有的 ia 加 1 和對所有的 ib 減 1。在提取的過程中，也使用同樣的密鑰 K 將在編碼過程中賦予水印的 n 個象素對提取出來，并計(jì)算這樣一個和： )~~(1 ini i baS ???? 公式（ 33） 15 如果這個載體確實(shí)包含了一個水印，就可以預(yù)計(jì)這個和為 n2 ，否則它將近似為零。這種提法是基于下面的統(tǒng)計(jì)假設(shè)的，如果在一個圖像里隨機(jī)地選取一些象素對，并且假設(shè)它們是獨(dú)立同分布的，那么有： ? ? ? ?)()( 1 ini i bEaESE ?? ?? 公式 (34) 因此，只有知道這些修改 位置的版權(quán)所有者才能夠得到一個近似值 nS 2? 。 Patchwork 方法隱蔽性好，并且對 JPEG 壓縮、 FIR 濾波以及圖像剪切操作有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限 [10]。 文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)方法 Brassil 等人提出了三種在通用文檔圖像中隱藏特定二進(jìn)制信息的技術(shù)，他們利用文檔的特點(diǎn)，將數(shù)字信息通過輕微調(diào)整文檔中的以下結(jié)構(gòu)來完成編碼，包括：垂直移動行距、水平調(diào)整字距、調(diào)整文字特性（如字體）。該算法可以抵抗一些標(biāo)準(zhǔn)的文檔操作，如照相復(fù)印和掃描復(fù)印，但該 技術(shù)也極易被經(jīng)驗(yàn)豐富的攻擊者破壞，比如，只要攻擊者任意改變其文檔的行距或者字間距，就可能破壞水印。一般來說，在文檔中加水印是很困難的，當(dāng)文檔再次掃描輸入時，掃描設(shè)備采用的光學(xué)字符技術(shù)在理論上能夠消除噪聲，導(dǎo)致嵌入水印信息失效 [11]。 空間域水印算法的最大優(yōu)點(diǎn)就是具有較好的抗幾何攻擊能力，最大弱點(diǎn)就在于抗信號處理的能力較差。 變換域數(shù)字水印 基于變換域的數(shù)字水印技術(shù)往往采用類似于擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來隱藏水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換（基于局部或是全局的變換），這些變換包括離散小波變換 （ DWT）、離散余弦變換 (DCT)、傅氏變換（ DFT）、傅里葉－梅林（ FourieMellin）變換等等。 DWT 變換域方法 DWT 是