【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 BM研究中心、 NEC美國(guó)研究所、麻省理工學(xué)院以及 Microsoft, ATamp。T, Philips等公司都對(duì)水印做了廣泛、大量而又深入的研究。國(guó)內(nèi)的清 華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、北方工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防工業(yè)大學(xué)等也都開(kāi)展了深入的研究。隨著對(duì)水印理論和技術(shù)的研究深入化，產(chǎn)業(yè)界對(duì)水印應(yīng)用的重視也在不斷提高。 IBM在其數(shù)字圖書(shū)館 (digital library)研究計(jì)劃中采用了可見(jiàn)水印技術(shù)，該計(jì)劃的研究成果已為美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館等著名圖書(shū)館所采用。 NEC公司則研究如何把水印技術(shù)應(yīng)用于 DVD系統(tǒng)的拷貝保護(hù)機(jī)制中。與此同時(shí)，一些公司已逐步推出了有關(guān)水印技術(shù)的商用軟件系統(tǒng) (如 DICE的專(zhuān)利技術(shù) 、南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 Digimarc Corporation的 igimarc Tools、 MediaSec的 SysCOP113 Signafy Owner Mark、 Signum Technologies的 Sure Sign、劍橋大學(xué)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(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 1作也開(kāi)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(gè)保護(hù)數(shù)字視頻 和數(shù)字電影的水印標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，標(biāo)志著水印標(biāo)準(zhǔn)化已 逐步邁向正軌。 我國(guó)學(xué)術(shù)界 對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非常快，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(lái)。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(kāi)了我國(guó)第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。 2021 年 1 月，由國(guó)家 “863” 智能機(jī)專(zhuān)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(kāi)了數(shù)字水印學(xué)術(shù)研討會(huì)，來(lái)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(zhuān)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。 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(quán)保護(hù)的標(biāo)志。針對(duì)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(duì)靜止圖像的數(shù)字水印技術(shù)，這類(lèi)水印技術(shù)也被稱(chēng) 為數(shù)字圖像水印 (Digital Image Watermark)技術(shù)。此類(lèi)水印技術(shù)相對(duì)較為簡(jiǎn)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(jìn)行改進(jìn)以使其適用于不同類(lèi)型的原始數(shù)據(jù)信息以及特征的基礎(chǔ)。因此，本章主要詳細(xì)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(jiàn)的識(shí)別碼或標(biāo)記，具有難以去除和破壞等特點(diǎn)，可以用來(lái)跟蹤和保護(hù)數(shù)字圖像的版權(quán)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(lèi)。當(dāng)水印方案中選取數(shù)字形式時(shí)，一般以具有偽隨機(jī)性的數(shù)字序列作為水印。由數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)所有者向分發(fā)給每個(gè)用戶的拷貝中引入一個(gè)唯一的序列，并保存售出拷貝中對(duì)應(yīng)序列與用戶身份的數(shù)據(jù)庫(kù)，那么如果將來(lái)發(fā)現(xiàn)被非法再分發(fā)的數(shù)字產(chǎn)品時(shí)，發(fā)行者可以通過(guò)檢測(cè)其中的序列來(lái)跟蹤該數(shù)字產(chǎn)品的原始購(gòu)買(mǎi)者，這與刑偵案件調(diào)查中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的指紋來(lái)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(chēng)為數(shù)字指紋 (Digital Fingerprinting) 。當(dāng)水印為圖像形式時(shí)，可以是二值圖像也可以是灰度圖像。一般是通過(guò)提取出的具有一定分辨率的圖像 作為被保護(hù)數(shù)據(jù)的版權(quán)標(biāo)志，因此通常情況下會(huì)選取數(shù)字產(chǎn)品所有者或發(fā)行商的商標(biāo)圖案作為水印，這類(lèi)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(lèi)信息，即達(dá)到人眼可辨識(shí)的程度，就可以達(dá)到所有權(quán)認(rèn)證的目的。相對(duì)于序列水印而言，這類(lèi)圖像水印具有直觀性的特點(diǎn)，更易為人們所接受與認(rèn)同，是水印研究的熱點(diǎn)之一。當(dāng)水印為文字形式時(shí)，一般將文字轉(zhuǎn)為 ASCII碼后，嵌入到被保護(hù)的原始圖像之中 。相應(yīng)的，提取時(shí)必須將所得的數(shù)字仍然通過(guò) ASCII碼譯碼轉(zhuǎn)為文字。因此與前兩類(lèi)水印形式相比，這類(lèi)水印必須嚴(yán)格保證水印在傳輸使用過(guò)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(zhì)，數(shù)字圖像水印的分類(lèi)也有很多方式。根據(jù)水印是否可見(jiàn)，可以將其分為可見(jiàn)水印 (Visible Digital Watermark)和不可見(jiàn)水印 (Invisible Digital Watermark)。顧名思義，前者不需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，通過(guò)人眼即可看到水印存在，就像插入或者覆蓋的標(biāo)識(shí)，一般為半透明的圖標(biāo)或者是墻紙形式，可用于保護(hù)圖像、視頻和文本文件。最常見(jiàn)的例子是有線電視頻道上所特有的半透明標(biāo)識(shí)，其主要目的在于明確標(biāo)識(shí)版權(quán)，防止非法使用，雖然降低 了資料的商業(yè)價(jià)值，卻無(wú)損于所有者的使用。 IBM南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 水印也是此類(lèi)水印的典型代表。而不可見(jiàn)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(jué)看來(lái)沒(méi)有差別，即使用者單憑自己的眼睛無(wú)法判斷數(shù)字產(chǎn)品中是否存在水印。在需要水印進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)操作將水印提取出來(lái)。這類(lèi)水印保證了被保護(hù)圖像的視覺(jué)完整性，不損害其畫(huà)面質(zhì)量與美觀，在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的需求。狹義上的數(shù)字水印即為不可見(jiàn)水印。根據(jù)水印的性質(zhì)，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(diǎn)在于嵌入了此類(lèi)水印后得到的水印化圖像在經(jīng)過(guò)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(lái)越多的普通人可以方便熟練的對(duì)圖像進(jìn)行各種處理以滿足自己的要求，因此魯棒水印對(duì)于圖像的版權(quán)保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)的意義。而易損水印也需要對(duì)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(lèi)水印所注重的是能夠反應(yīng)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(cè)出水印化圖像的信號(hào)變化。由于不可見(jiàn)魯棒水印對(duì)于數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)的意義，因此成為近年來(lái)水印研究的熱點(diǎn)。 就數(shù)字水印的方案設(shè)計(jì)不同，數(shù)字圖像水印還可以根據(jù)檢測(cè)時(shí)是否需要原始數(shù)據(jù)分為非盲水印和盲 (blind)水印 (又被稱(chēng)為私有 (private) 水印和公開(kāi) (public or oblivious)水印 )，不需要原始數(shù)據(jù)的即被稱(chēng)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(cè)過(guò)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(gè)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(cè)過(guò)程中采用不同的密鑰，由所有者用一個(gè)只有其本人知道的密鑰嵌入水印，而任何知道公開(kāi)密鑰的人都可以進(jìn)行數(shù)字水印的提取或者檢測(cè)，這種公開(kāi)數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)是具有相當(dāng)難度的。 數(shù)字圖像水印技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架 數(shù)字圖像水印技術(shù)發(fā)展近二十年，對(duì)于其理論和算法研究逐漸深入，雖然對(duì)其定義并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的概述，但是對(duì)數(shù)字圖像水印技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架卻有一個(gè)通用的模型，其示意圖如 圖 ： 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 數(shù)字水印技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖 由結(jié)構(gòu)框架可知，數(shù)字圖像水印技術(shù)大致分為三個(gè)部分 :水印的生成、水印的嵌入和水印的提取。根據(jù)這個(gè)流程圖，下文中將對(duì)這三個(gè)部分作 個(gè) 簡(jiǎn)單介紹。 數(shù)字圖像水印的生成 水印的構(gòu)成一般包括兩部分 :一是水印所含的具體信息，如版權(quán)所有者、使用者等信息，二是序列、圖像等標(biāo)識(shí)水印。大多數(shù)數(shù)字水印方案的水印結(jié)構(gòu)僅包括其中之一，這個(gè)是與數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)方法及使用場(chǎng)合有關(guān)。針對(duì)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(gè)極為重要的步驟。當(dāng)選用的水印為序列形式時(shí)，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(gòu)買(mǎi)者的必要條件，因此編碼的碼距、碼字矩陣的秩、碼字的個(gè)數(shù)以及抗聯(lián)合攻擊能力等方面的問(wèn)題都需要被一一考慮周全 .當(dāng)選用的水印是圖像形式時(shí)，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(biāo)記的作用，含有充分形狀信息的二值圖像更具有實(shí)用性，并可以通過(guò)水印提取后的后處理過(guò)程使其更為清晰，因此，在方案設(shè)計(jì)中，可以選用二值圖像簡(jiǎn)化算法。再次，當(dāng)選用的圖像為文字形式時(shí)，在生成過(guò)程中，需 要將其通過(guò) ASCII碼轉(zhuǎn)為數(shù)字序列，完成水印嵌入前的預(yù)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(duì)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(shè)計(jì)中為了保持不可見(jiàn)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(qiáng)度嵌入水印，這必然會(huì)降低水印的魯棒性。而在生成階段利用密鑰和置亂技術(shù)將具有明顯輪廓的圖像打亂重新排列成類(lèi)似于隨南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 機(jī)噪聲的圖像嵌入到原始圖像之中，則可以提高了不可見(jiàn)性的能力的同時(shí)增強(qiáng)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(hù)的圖像之中需要考慮到魯棒性和不可見(jiàn)性這兩個(gè)基本要求。這就需要嵌入?yún)^(qū)間的選取恰當(dāng)合適，嵌入強(qiáng)度的確定也是至關(guān)重要的，這兩個(gè)選取必須使得在滿足不可見(jiàn)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(shè)計(jì)中，是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。 從上圖 還可以看出，嵌入過(guò)程中也可以引入密鑰機(jī)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(guò)密鑰選取嵌入?yún)^(qū)間，這樣使得具有惡意的非法攻擊者對(duì)水印的存在位置一無(wú)所知，如果試圖消除水印，可能會(huì)降低水印 化圖像的整幅圖像質(zhì)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(shuō)來(lái) ，水印的提取分為兩類(lèi) :檢測(cè)和提取。當(dāng)水印為序列形式時(shí)，一般通過(guò)檢測(cè)提取出的水印與原始水印或者原始圖像的相關(guān)性判定提取出的水印是否為代表版權(quán)標(biāo)記的水印。當(dāng)計(jì)算的相關(guān)性值大于某一 閾 值時(shí)，就判定含有既定水印 。反之，則無(wú)。而當(dāng)水印為圖像或者文字形式時(shí)，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(guò)人眼即可判定識(shí)別，具有直觀性。需要注意的是 :一般會(huì)將提取出的圖像水印做一些圖像處理增強(qiáng)可辨性 。而對(duì)于文字水印 ，則在提取過(guò)程中可以利用糾錯(cuò)碼技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，以加強(qiáng)準(zhǔn)確性，然后再用 ASCII碼譯碼成相應(yīng)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(shí)是否需要原始圖像，提取的算法設(shè)計(jì)原理也不相同。當(dāng)提取時(shí)需要原始圖像時(shí)，即非盲水印方案中，是通過(guò)原始圖像與水印化圖像的比較來(lái)獲取嵌入的水印 。而提取時(shí)不需要原始圖像時(shí)，即盲水印方案中，則需要利用統(tǒng)計(jì)信息或者其他方面的信息來(lái)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(dāng)然，盲水印方案 在 近些年也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 數(shù)字水印的具體檢測(cè)方法相對(duì)較少且簡(jiǎn)單，通常都采用直接檢測(cè)或相關(guān)檢測(cè)方法，因此水印算法的性能相當(dāng)程度上取決于所采用的嵌入算法。 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 典型數(shù)字水印算法 近幾年來(lái) ， 數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步 。 本節(jié)對(duì)一些典型的算法進(jìn)行分析 ,正像數(shù)字水印有很多分類(lèi)方法一樣 ,數(shù)字水印算法也有很多分類(lèi)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(shí)域算法 、 頻域算法 、 壓縮域算法 、 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)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(guò)程及其間的一些典型算法 。 其中大部分算法針對(duì)的源 數(shù)據(jù)是圖像 ， 這主要是因?yàn)閳D像水印工作開(kāi)展得最為全面徹底 ， 除 非 特別指明這些算法主要針對(duì)圖像數(shù)據(jù)。 空域算法 該類(lèi)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(rèn)為是一篇具有歷史價(jià)值的文獻(xiàn)文中闡明了一些關(guān)于水印的重要概念和魯棒水印檢測(cè)的通用方法 相關(guān)性檢測(cè)方法，此算法首先把一個(gè)密鑰輸入一個(gè)m 序列（ maximumlength random sequence） 發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生水印信號(hào)然后此 m序列被重新排列成 2 維水印信號(hào)并按 像素 點(diǎn)逐一插入到原始圖像 像素 值的最低位由于水印信號(hào)被安排在了最低位上 ， 它是不可見(jiàn)的 ， 基于同樣的原因 ， 它可以輕易地被移去 ， 因此也是不強(qiáng)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(guò)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(lái)嵌入水印 。 一般來(lái)說(shuō)文本數(shù)據(jù)很難通過(guò)基于疊加噪聲的水印方法來(lái)嵌入信息 。 因?yàn)?OCR(optical character technolo