【文章內(nèi)容簡介】 BM研究中心、 NEC美國研究所、麻省理工學院以及 Microsoft, ATamp。T, Philips等公司都對水印做了廣泛、大量而又深入的研究。國內(nèi)的清 華大學、北京大學、北京郵電大學、中科院自動化所、北方工業(yè)大學、浙江大學、國防工業(yè)大學等也都開展了深入的研究。隨著對水印理論和技術的研究深入化，產(chǎn)業(yè)界對水印應用的重視也在不斷提高。 IBM在其數(shù)字圖書館 (digital library)研究計劃中采用了可見水印技術，該計劃的研究成果已為美國國會圖書館等著名圖書館所采用。 NEC公司則研究如何把水印技術應用于 DVD系統(tǒng)的拷貝保護機制中。與此同時，一些公司已逐步推出了有關水印技術的商用軟件系統(tǒng) (如 DICE的專利技術 、南湖學院 畢業(yè)設計 6 Digimarc Corporation的 igimarc Tools、 MediaSec的 SysCOP113 Signafy Owner Mark、 Signum Technologies的 Sure Sign、劍橋大學的 Stir mark等 )，這些程序通常被用作瀏覽器插件和流行的圖像編輯程序如 Adobe Photoshop。而水印技術的標準化 1作也開始受到重視。 IBM、 Sony、 Hitachi、 NEC和 Pioneer等五家大公司在 1999年 2月聯(lián)合宣布了一個保護數(shù)字視頻 和數(shù)字電影的水印標準協(xié)議，標志著水印標準化已 逐步邁向正軌。 我國學術界 對數(shù)字水印技術的反應也非?？欤呀?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。為了促進數(shù)字水印及其他信息隱藏技術的研究和應用， 1999年 12 月，我國信息安全領域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關應用研究單位聯(lián)合發(fā)起召開了我國第一屆信息隱藏學術研討會。 2021 年 1 月，由國家 “863” 智能機專家組和中科院自動化所模式識別國家重點實驗室組織召開了數(shù)字水印學術研討會，來自國家自然科學基金委員會、國家信息安全測評認證中心、中國科學院、北京郵電大學、國防科技大學、清華大學、北方工業(yè)大學、上海交通大學、 天津大學、中國科技大學、北京大學、北京理工大學、中山大學、北京電子技術應用研究所等單位的專家學者和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關鍵技術，報告了各自的研究成果。從這次會議反應的情況上看，我國相關學術領域的研究與世界水平相差不遠，而且有自己獨特的研究思路。 南湖學院 畢業(yè)設計 7 第二章 數(shù)字 圖像 水印的基本概念和經(jīng)典算法 數(shù)字水印可以嵌入音頻、視頻、靜止圖像和文本等原始數(shù)據(jù)之中作為版權保護的標志。針對不同的原始數(shù)據(jù)，水印的嵌入方案有所不同，然而目前研究最多的是針對靜止圖像的數(shù)字水印技術，這類水印技術也被稱 為數(shù)字圖像水印 (Digital Image Watermark)技術。此類水印技術相對較為簡單，也較為成熟，形成了比較經(jīng)典的算法。而這些經(jīng)典算法正是我們進行改進以使其適用于不同類型的原始數(shù)據(jù)信息以及特征的基礎。因此，本章主要詳細介紹數(shù)字圖像水印的基本概念和經(jīng)典算法。 數(shù)字圖像水印的基本概念 數(shù)字圖像水印是嵌入并存在于圖像數(shù)據(jù)中的不可見的識別碼或標記，具有難以去除和破壞等特點，可以用來跟蹤和保護數(shù)字圖像的版權以及其他信息。 數(shù)字圖像水印的形式多種多樣，大致可分為數(shù)字、圖像、文字三大類。當水印方案中選取數(shù)字形式時，一般以具有偽隨機性的數(shù)字序列作為水印。由數(shù)字產(chǎn)品的版權所有者向分發(fā)給每個用戶的拷貝中引入一個唯一的序列，并保存售出拷貝中對應序列與用戶身份的數(shù)據(jù)庫，那么如果將來發(fā)現(xiàn)被非法再分發(fā)的數(shù)字產(chǎn)品時，發(fā)行者可以通過檢測其中的序列來跟蹤該數(shù)字產(chǎn)品的原始購買者，這與刑偵案件調(diào)查中通過現(xiàn)場采集的指紋來追查犯罪嫌疑人相似，因此這種用途的序列形式數(shù)字水印又被稱為數(shù)字指紋 (Digital Fingerprinting) 。當水印為圖像形式時，可以是二值圖像也可以是灰度圖像。一般是通過提取出的具有一定分辨率的圖像 作為被保護數(shù)據(jù)的版權標志，因此通常情況下會選取數(shù)字產(chǎn)品所有者或發(fā)行商的商標圖案作為水印，這類圖案大多具有特定的形狀信息，水印被提取出后只要能夠保留這類信息，即達到人眼可辨識的程度，就可以達到所有權認證的目的。相對于序列水印而言，這類圖像水印具有直觀性的特點，更易為人們所接受與認同，是水印研究的熱點之一。當水印為文字形式時，一般將文字轉為 ASCII碼后，嵌入到被保護的原始圖像之中 。相應的，提取時必須將所得的數(shù)字仍然通過 ASCII碼譯碼轉為文字。因此與前兩類水印形式相比，這類水印必須嚴格保證水印在傳輸使用過程中的完整性，一般多用于保密通信之中。 根據(jù)不同的表現(xiàn)形式和性質，數(shù)字圖像水印的分類也有很多方式。根據(jù)水印是否可見，可以將其分為可見水印 (Visible Digital Watermark)和不可見水印 (Invisible Digital Watermark)。顧名思義，前者不需要計算機進行操作，通過人眼即可看到水印存在，就像插入或者覆蓋的標識，一般為半透明的圖標或者是墻紙形式，可用于保護圖像、視頻和文本文件。最常見的例子是有線電視頻道上所特有的半透明標識，其主要目的在于明確標識版權，防止非法使用，雖然降低 了資料的商業(yè)價值，卻無損于所有者的使用。 IBM南湖學院 畢業(yè)設計 8 水印也是此類水印的典型代表。而不可見水印則使得原始圖像與嵌入水印后所得的水印化圖像就人眼視覺看來沒有差別，即使用者單憑自己的眼睛無法判斷數(shù)字產(chǎn)品中是否存在水印。在需要水印進行驗證時，必須通過計算機操作將水印提取出來。這類水印保證了被保護圖像的視覺完整性，不損害其畫面質量與美觀，在實際應用中具有更大的需求。狹義上的數(shù)字水印即為不可見水印。根據(jù)水印的性質，可以將其分為魯棒水印(InvisibleRobust Watermark)和易損水印 (InvisibleFragile Watermark).魯棒水印的特點在于嵌入了此類水印后得到的水印化圖像在經(jīng)過一些通常的圖像處理和某些惡意攻擊之后仍然可以從中提取出有效的水印。由于現(xiàn)有的圖像處理軟件的普及，越來越多的普通人可以方便熟練的對圖像進行各種處理以滿足自己的要求，因此魯棒水印對于圖像的版權保護具有現(xiàn)實的意義。而易損水印也需要對圖像操作具有一定的抵抗性，但是與魯棒水印不同的是 :魯棒水印需要盡可能的保留原始水印的信息，而易損水印則只需要一定程度的保留水印的原始信息。此類水印所注重的是能夠反應失真程度的能力，因此它需要保留操 作所引起的水印信息損失的“痕跡”，即能夠檢測出水印化圖像的信號變化。由于不可見魯棒水印對于數(shù)字作品的版權保護具有現(xiàn)實的意義，因此成為近年來水印研究的熱點。 就數(shù)字水印的方案設計不同，數(shù)字圖像水印還可以根據(jù)檢測時是否需要原始數(shù)據(jù)分為非盲水印和盲 (blind)水印 (又被稱為私有 (private) 水印和公開 (public or oblivious)水印 )，不需要原始數(shù)據(jù)的即被稱為盲水印，反之，則為非盲水印。而根據(jù)所采用的用戶密鑰的不同又可以分為私鑰 (secretkey)水印和公鑰 (publickey)水印 。前者在水印的嵌入和檢測過程中采用同一密鑰，因此需要在發(fā)送和接收雙方中間有一個安全通信通道以確保密鑰的安全傳送。而后者則在水印的嵌入和檢測過程中采用不同的密鑰，由所有者用一個只有其本人知道的密鑰嵌入水印，而任何知道公開密鑰的人都可以進行數(shù)字水印的提取或者檢測，這種公開數(shù)字水印的實現(xiàn)是具有相當難度的。 數(shù)字圖像水印技術的結構框架 數(shù)字圖像水印技術發(fā)展近二十年，對于其理論和算法研究逐漸深入，雖然對其定義并沒有一個統(tǒng)一的概述，但是對數(shù)字圖像水印技術的結構框架卻有一個通用的模型，其示意圖如 圖 ： 南湖學院 畢業(yè)設計 9 圖 數(shù)字水印技術結構框圖 由結構框架可知，數(shù)字圖像水印技術大致分為三個部分 :水印的生成、水印的嵌入和水印的提取。根據(jù)這個流程圖，下文中將對這三個部分作 個 簡單介紹。 數(shù)字圖像水印的生成 水印的構成一般包括兩部分 :一是水印所含的具體信息，如版權所有者、使用者等信息，二是序列、圖像等標識水印。大多數(shù)數(shù)字水印方案的水印結構僅包括其中之一，這個是與數(shù)字水印的實現(xiàn)方法及使用場合有關。針對不同的使用環(huán)境，選用的數(shù)字圖像水印各不相同。因此，水印 的生成是一個極為重要的步驟。當選用的水印為序列形式時，編碼方式是水印系統(tǒng)能夠正確跟蹤到非法再分發(fā)數(shù)據(jù)拷貝的原始購買者的必要條件，因此編碼的碼距、碼字矩陣的秩、碼字的個數(shù)以及抗聯(lián)合攻擊能力等方面的問題都需要被一一考慮周全 .當選用的水印是圖像形式時，可以采用二值圖像也可以采用灰度圖像，雖然灰度圖像的信息更加豐富，然而考慮其標記的作用，含有充分形狀信息的二值圖像更具有實用性，并可以通過水印提取后的后處理過程使其更為清晰，因此，在方案設計中，可以選用二值圖像簡化算法。再次，當選用的圖像為文字形式時，在生成過程中，需 要將其通過 ASCII碼轉為數(shù)字序列，完成水印嵌入前的預處理。 從圖 1可以看出，密鑰可以在水印生成這一步驟中引入。尤其針對水印為圖像的形式，由于圖像所特有的輪廓特征，使得算法設計中為了保持不可見性的要求，可能需要選用比序列和文字形式的水印算法中小的多的強度嵌入水印，這必然會降低水印的魯棒性。而在生成階段利用密鑰和置亂技術將具有明顯輪廓的圖像打亂重新排列成類似于隨南湖學院 畢業(yè)設計 10 機噪聲的圖像嵌入到原始圖像之中，則可以提高了不可見性的能力的同時增強了算法的安全性。 數(shù)字圖像水印的嵌入 將生成的數(shù)字水印嵌入到所需 保護的圖像之中需要考慮到魯棒性和不可見性這兩個基本要求。這就需要嵌入?yún)^(qū)間的選取恰當合適，嵌入強度的確定也是至關重要的，這兩個選取必須使得在滿足不可見性的條件下以最大的能量嵌入水印，使其具有最大的魯棒性。另外，一幅圖像所能容納的水印能量也是有限的，在水印嵌入的算法選擇與設計中，是一個值得注意的問題。 從上圖 還可以看出，嵌入過程中也可以引入密鑰機制，密鑰的引入，是水印方案安全性的有力保證。大多數(shù)算法中是通過密鑰選取嵌入?yún)^(qū)間，這樣使得具有惡意的非法攻擊者對水印的存在位置一無所知，如果試圖消除水印，可能會降低水印 化圖像的整幅圖像質量，甚至將其毀壞，使其得不償失。 數(shù)字圖像水印的提取 具體說來 ，水印的提取分為兩類 :檢測和提取。當水印為序列形式時，一般通過檢測提取出的水印與原始水印或者原始圖像的相關性判定提取出的水印是否為代表版權標記的水印。當計算的相關性值大于某一 閾 值時，就判定含有既定水印 。反之，則無。而當水印為圖像或者文字形式時，根據(jù)提取出具有一定分辨率的圖像或者是確切的數(shù)字序列，直接通過人眼即可判定識別，具有直觀性。需要注意的是 :一般會將提取出的圖像水印做一些圖像處理增強可辨性 。而對于文字水印 ，則在提取過程中可以利用糾錯碼技術進行補充，以加強準確性，然后再用 ASCII碼譯碼成相應的文字。從圖中可以看出原始圖像的需要是不定的。根據(jù)水印提取時是否需要原始圖像，提取的算法設計原理也不相同。當提取時需要原始圖像時，即非盲水印方案中，是通過原始圖像與水印化圖像的比較來獲取嵌入的水印 。而提取時不需要原始圖像時，即盲水印方案中，則需要利用統(tǒng)計信息或者其他方面的信息來提取出數(shù)字水印?，F(xiàn)有的很多經(jīng)典算法都是用于非盲水印方案，因此下節(jié)中的經(jīng)典算法介紹中大部分即為非盲水印，當然，盲水印方案 在 近些年也得到了長足的發(fā)展。 數(shù)字水印的具體檢測方法相對較少且簡單，通常都采用直接檢測或相關檢測方法，因此水印算法的性能相當程度上取決于所采用的嵌入算法。 南湖學院 畢業(yè)設計 11 典型數(shù)字水印算法 近幾年來 ， 數(shù)字水印技術研究取得了很大的進步 。 本節(jié)對一些典型的算法進行分析 ,正像數(shù)字水印有很多分類方法一樣 ,數(shù)字水印算法也有很多分類方法 ,我們按最主要的特征將目前的數(shù)字水印算法分為空域 /時域算法 、 頻域算法 、 壓縮域算法 、 基于統(tǒng)計學的算法 、 基于生理模型的算法等 ， 在這里 ， 我們給出近幾年數(shù)字水印算法的發(fā)展演變過程及其間的一些典型算法 。 其中大部分算法針對的源 數(shù)據(jù)是圖像 ， 這主要是因為圖像水印工作開展得最為全面徹底 ， 除 非 特別指明這些算法主要針對圖像數(shù)據(jù)。 空域算法 該類算法包括文本水印算法 Schyndel 算法， Patchwork 算法和紋理塊映射編碼法等。其中 Schyndel 算法被認為是一篇具有歷史價值的文獻文中闡明了一些關于水印的重要概念和魯棒水印檢測的通用方法 相關性檢測方法，此算法首先把一個密鑰輸入一個m 序列（ maximumlength random sequence） 發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號然后此 m序列被重新排列成 2 維水印信號并按 像素 點逐一插入到原始圖像 像素 值的最低位由于水印信號被安排在了最低位上 ， 它是不可見的 ， 基于同樣的原因 ， 它可以輕易地被移去 ， 因此也是不強壯的。 Bender Brassil 等描述了幾種文本數(shù)據(jù)的水印方法 ， 它們主要是通過輕微改變字符間距 、 行間距或是增加 、 刪除字符特征如底紋線等方法來嵌入水印 。 一般來說文本數(shù)據(jù)很難通過基于疊加噪聲的水印方法來嵌入信息 。 因為 OCR(optical character technolo