【正文】 法，隱藏在載體，即數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書(shū)、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，用以證明創(chuàng)作者對(duì)其作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)。數(shù)字水印的研究涉及信息論、編碼理論、通信原理、信號(hào)處理、信息安全等多學(xué)科多門(mén)類(lèi)。 本文研究的目的及意義 數(shù)字水印技術(shù)作為一個(gè)跨多領(lǐng)域、多學(xué)科 (數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、模式識(shí)別、數(shù)字通信、多媒體技術(shù)、密碼學(xué)、語(yǔ)音處理等 )的技術(shù)體系，由于它與具體的應(yīng)用密切相關(guān)，因此每個(gè)研究人員介入的角度、采用的研究方法和設(shè)計(jì)策略也各不相同，但都是圍繞著實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的各種基本特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也決定了數(shù)字水印技術(shù)研究成果的多樣性以及數(shù)字水印技術(shù)研究的不完善性，仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。另外，數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展到今天，還是沒(méi)有形成完整的理論體系，因而對(duì)相關(guān)研究人員來(lái)說(shuō)這是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。然而，標(biāo)準(zhǔn)的算法必須有其優(yōu)越性、通用性和有效性，并要得到世界各國(guó)的認(rèn)同，所以形成標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。 數(shù)字水 印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，數(shù)字作品得以有效的存儲(chǔ)和發(fā)布，同時(shí)數(shù)字作品又極易被非法拷貝、偽造或篡改，使得很多版權(quán)所有者不愿利用網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)其作品，從而阻礙其自身發(fā)展。版權(quán)保護(hù)信息必須與被保護(hù)的數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，同時(shí)版權(quán)保護(hù)信息的鑒別過(guò)程必須具有抗各種干擾的能力，比如噪聲、壓縮等。數(shù)字水印技術(shù)的出現(xiàn)是 Schyndel 在 ICIP39。這是第一篇發(fā)表于重要會(huì)議的關(guān)于數(shù)，水印技術(shù)的文章開(kāi)始的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章數(shù)量在 1992 年、 1993 年、 1994 年和 1995 年分別 為 2 篇、 2 篇、 4 篇和 13 篇，1996 年第一屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)后，發(fā)表的文章數(shù)量劇增， 1998 年發(fā)表的文章數(shù)量達(dá)到了 103 篇， 1999 年達(dá) 200 多篇， 2020 年和 2020 年分別達(dá) 250 多篇．另外，許多信息安全、密碼學(xué)和信號(hào)處理領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議和學(xué)術(shù)期刊如 IEEE , ACM 等都有關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的專題。此外歐洲、北美以及其他的一些關(guān)于圖像、多媒體研究方面的國(guó)際會(huì)議都有專門(mén)的數(shù)字水印討論組。 在 1997 年， 一個(gè)名為 VIVA 的歐洲工程開(kāi)始發(fā)展廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。美國(guó)、日本以及荷蘭開(kāi)始研究用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)。各項(xiàng)研究取得了豐 碩的成果，但是，目前市場(chǎng)上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)上還很不成熟，距離真正的推廣使用還有很大的距離。 1999 年 12 月，由北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所組織，何德全、周仲義、蔡吉 人院士與有關(guān)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)， 此后 2020 年、 2020 年、 2020 年、 2020 年召開(kāi)了 4 屆全國(guó)信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。同時(shí)，國(guó)家， “ 863 計(jì)劃”、“ 973 項(xiàng)目”、國(guó)家自然科學(xué)基金等都對(duì)數(shù)字水印的研究提供專項(xiàng)資金支持。從目前的研究發(fā) 展來(lái)看，我國(guó)數(shù)字水印學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究正在蓬勃開(kāi)展，而且形成了自己獨(dú)特的研究思路，相信隨著國(guó)內(nèi)信息化程度的提高、電子政務(wù)的推廣和電子商務(wù)的普及，作為數(shù)字作品版權(quán)管理核心技術(shù)的數(shù)字水印技術(shù)將會(huì)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間 ???。通過(guò)這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息， 可以確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買(mǎi)者，或者驗(yàn)證內(nèi)容是否真實(shí)完整。 數(shù)字水印的基本特征 （ 1）安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù) 字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有有強(qiáng)的抵抗性。 （ 3）魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無(wú)意或有意的信號(hào)處理過(guò)程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印屬于魯棒性數(shù)字水?。?Robust Watermarking），而易損水印（ Fragile Watermarking），主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù) 據(jù)中嵌入不可見(jiàn)的信息。 （ 4）水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購(gòu)買(mǎi)者的序列號(hào)，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。 數(shù)字水印的基本原理 水印的基本原理是嵌入某些標(biāo)志數(shù)據(jù)到宿主數(shù)字中作為水印，使得水印在宿主數(shù)據(jù)中不可感知和足夠安全。水印算法要結(jié)合加密方法以提供其安全性，通過(guò)的水印算法包含兩個(gè)基本方面：水印的嵌入和水印的提取。 數(shù)字水印的嵌入過(guò)程如圖所示： 圖 數(shù)字水印嵌入過(guò)程 頻域法加入數(shù)字水印的原理是首先將原始信號(hào)（語(yǔ)音一維信號(hào)、圖像二維信號(hào)）變換到頻域，常用的變換一般有 DWT、 DCT、 DFT、 WP和分形。 數(shù)字水印的檢測(cè)過(guò)程如圖所示 ： 圖 頻域法檢測(cè)水印的原理是將原始信號(hào)與待檢測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行變換域變換，比較兩者的區(qū)別，進(jìn)行嵌入水印的逆運(yùn)算，得出水印信息。 下面介紹一種基于小波變換的數(shù)字水印方法。采用函數(shù)： )(KAN ： ??????39。yx =???k1 ????11k ??????yx mod N 其中 k 是一個(gè)控制參數(shù)， N 是矩陣的大小，（ x,y）和（ x39。 ）表示像素點(diǎn)在變換前后的位置。 （ 2）第二步，對(duì)圖像 作小波變換，對(duì)于變換后得到的小波系數(shù)，選出一個(gè)起始位置在（ p1,p2），大小為 N? N的 系數(shù)矩陣。 （ 3）第三 步，在選出的系數(shù)矩陣中嵌入水印信息，即將兩個(gè) N? N的矩陣進(jìn)行信息疊加，其中含有水印信息的矩陣元素為 0 或 1。 記： A—— 水印信息進(jìn)行時(shí)域變換后得到的大小為 N? N 的矩陣； U—— 在矩陣 A中含有水印信息的位置的集合； B—— 圖象經(jīng)過(guò)小波變換后得到的系數(shù)矩陣（ N? N）； S—— 模； C—— B 和 U 的交集； ),( ji? —— ),( ji? =c(i,j)modS。則 c(i,j)=c(i,j) ),( ji? +T1 。則 c(i,j)=c(i,j) ),( ji? +T2 。則 c(i,j)=c(i,j)+ ),( ji? T1 。則 c(i,j)=c(i,j)+ ),( ji? T2 。 水印的提取過(guò)程如下： 8 假設(shè) y是從小波變換域抽取的一個(gè) N? N的系 數(shù)矩陣，起始位置為（ p1 ,p2 ）；),( ji? 滿足： ),( ji? =Y（ i,j） modS, D 是一個(gè) N? N的矩陣。 如果 )(),( 21 TTji ??? /2，則 D（ i， j） =1。 數(shù)字水印的分類(lèi) （ 1）按特性劃分 按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和易損數(shù)字水印兩類(lèi)。在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)，創(chuàng)建者或所有者的信息用于標(biāo)示數(shù)據(jù)的版權(quán)所有者，而序列號(hào)用于追蹤違反協(xié)議而為盜版提供多媒體數(shù)據(jù)的用戶。 易損水?。?Fragile Watermarking），與魯棒水印的要求相反，易損數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見(jiàn)的信息。易損水印應(yīng)對(duì)一般圖象處理（如：濾波、加噪聲、替換、壓縮等）有較強(qiáng)的免疫能力（魯棒性），同時(shí)又要求有較強(qiáng)的敏感性，即：既允許一定程度的失真，又要能將失真情況探測(cè)出來(lái)。 （ 2）按水印所附載的媒體劃分 按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。 （ 3）按檢測(cè)過(guò)程劃分 9 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。一般來(lái)說(shuō)，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制。 （ 4）按內(nèi)容劃分 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(wú)意義水印。有意義水印的優(yōu)勢(shì)在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)觀察確認(rèn)是否有水印。 （ 5）按用途劃分 不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。 票證防偽水印是一類(lèi)比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測(cè)的要求，用于票證防偽的數(shù)字水法不能太復(fù)雜。數(shù)字作品既是商品又是知識(shí)作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識(shí)水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對(duì)數(shù)據(jù)量的要求相對(duì)較小。 隱蔽標(biāo)識(shí)水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來(lái)，限制非法用戶對(duì)保密數(shù)據(jù)的使用。時(shí)（空）域數(shù)字水印是直接 10 在信號(hào)空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時(shí) /頻域數(shù)字水印和時(shí)間 /尺度域數(shù)字水印則分別是在 DCT 變換域、時(shí) / 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。應(yīng)該說(shuō)，只要構(gòu)成一種信號(hào)變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印 ???。但是由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。 （ 2） Patchwork 算法方法是 隨機(jī)選擇Ｎ對(duì)像素點(diǎn) (ai， bi)， 然后將每個(gè) ai點(diǎn)的亮度值加 1， 每個(gè) bi 點(diǎn)的亮度值減 1， 這樣整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對(duì)每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為： 先計(jì)算圖像的離散余弦變換 (DCT)，然后將水印疊加到 DCT 域中幅值最大的前ｋ系數(shù)上 (不包括直流分量 )，通常為圖像的低頻分量。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像 I。 的離散余弦變換，并提取嵌入的水印 W39。該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過(guò)一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能 夠提取出一個(gè)可信賴的水印拷貝。另外，還可以將數(shù)字圖象的空間域數(shù) 11 據(jù)通過(guò)離散傅里葉變換 (DFT)或離散小波變換 (DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類(lèi)型，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)，選擇某些類(lèi)型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù)字圖象的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。 （ 4）壓縮域算法 是 基于 JPEG、 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過(guò)程，而且在數(shù)字電視廣播及 VOD(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。下面介紹一種針對(duì) MPEG2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。對(duì)于輸入的 MPEG2 數(shù)據(jù)流而言，它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量 (用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 )和 DCT 編碼信號(hào)塊 3部分，在方案中只有 MPEG2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對(duì) DCT 編碼數(shù)據(jù)塊中每 一輸入的 Huffman 碼進(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個(gè)DCT系數(shù) 。該方法有一個(gè)問(wèn)題值得考慮，即水印信號(hào)的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號(hào)，而基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來(lái)，為解決此問(wèn)題，該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨?來(lái)抵消因水印信號(hào)的引入所引起的視覺(jué)變形 ???。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。 （ 6）生理模型算法 是 人的生理模型包括人類(lèi)視 HVS(HumanVisualSystem)和人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng) HAS。利用視覺(jué)模型的基本思想均是利用從視覺(jué)模型導(dǎo)出的 JND(Just Noticeable Difference)描述來(lái)確定在圖象的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而能避免破壞視覺(jué)質(zhì)量。這一方法同時(shí)具有好的透明性和強(qiáng)健性。當(dāng)然從理論上講，只要具有足夠的知識(shí)，任何水印都可以去掉。特別的，一個(gè)實(shí)用的水印算法應(yīng)該對(duì)信號(hào)處理、通常的幾何變形（圖像或視頻數(shù)據(jù)），以及惡意攻擊具有魯棒性。水印的不可見(jiàn) 性要求水印信息駐留于圖像不重要的視覺(jué)信息中，通常為圖像的高頻分量。經(jīng)過(guò)圖像壓縮后，高頻分量被當(dāng)作冗余信息清除掉，因此有的文獻(xiàn)將水印嵌入圖像的最顯著的低頻分量中或使用帶低通特性的水印，雖然這可能會(huì)降低圖像的質(zhì)量。 (2)濾波：圖像中的水印應(yīng)該具有低通特性，即低通濾波（如均值濾波和中值濾波）應(yīng)該無(wú)法刪掉圖像中的水印，事實(shí)上當(dāng)前很 多針對(duì)水印的攻擊行為是用濾波完成的。 (4)幾何失真：幾何失真包括圖像尺寸大小變化、圖像旋轉(zhuǎn)、裁剪、刪除或增加圖像線條以及反射等等。因此研究水印在圖像幾何失真的魯棒性也是人們所關(guān)注的 ????。水印攻擊與魯棒性可以說(shuō)是一對(duì)矛和盾，目前的文獻(xiàn)已經(jīng)陸續(xù)描述了很多水 印攻擊方法。在將水印分類(lèi)的過(guò)程中，我們只考慮那些并不嚴(yán)重導(dǎo)致圖像失真的方法。 (1)簡(jiǎn)單攻擊：（也可稱為波形攻擊或噪聲攻擊）即只是通過(guò)對(duì)水印圖像進(jìn)行某種操作，削弱或刪除嵌入的水印，而不是試圖識(shí)別水印或分離水印。 (2)同步攻擊：（也稱檢測(cè)失效攻擊）即試圖 使水印的相關(guān)檢測(cè)失效或使恢復(fù)嵌入的水印成為不可能。這類(lèi)攻擊的一個(gè)特點(diǎn)是水印實(shí)際上還存在于圖像中，但水印檢測(cè)函數(shù)已不能提取水印或不能檢測(cè)水印的存在。這種攻擊實(shí)際上使數(shù)字水印的版權(quán)保護(hù)功能受到了挑戰(zhàn)，如何有效地解決這個(gè)問(wèn)題正引起研 究人員的極大興趣。 數(shù)字水印應(yīng)用領(lǐng)域 隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識(shí)、認(rèn)證和安全不可見(jiàn)通信。數(shù)字水印用于隱藏標(biāo)識(shí)時(shí)，可在醫(yī)學(xué)、制圖、數(shù)字成像、數(shù)字圖像監(jiān)控、多