数字水印技术

26福建电脑2005年第10期数字水印技术刘云冰(武汉科技大学理学院，潮北武汊430081)[摘要]数字水印是近几年来出现的数字产品版权保护技术,是当前国际学术界的研究热点。文中论述了如下几个问题:(1)数字水印的典型算法;(2)数宇水印的分类;(3)数字水印的主要应用领城;(4)数字水印的研究现状;(5)数字水印的发展方向。[关键词]数字水印;版权保护 ;算法1数宇水印技术概述o'=o+ax;(2)随着计算机和网络技术的飞速发展,信息媒体的数字化使v'=(1+ax; )u;信息的准确获取、存储、传输、复制变成了一个简单的过程,人们o'=o, (e=)(4借助于计算机扫描仪、打印机等电子设备,可以方便快捷地将注意式(2)是可逆的,而式(3)和(4)仅当o≠0时才可逆。数字信息传达到世界各地。如何防止数字化信息被非法侵权、盗Cox方案植入的水印是不可见的、鲁棒的,在提取水印时需版和恶意篡改, e成为一个迫在眉睫地现实问题。近几年国际上要 原始图像。此外,在判断水印是否存在时需要原始水印(或者提出了数字信息产品版权保护和数据安全维护的新型技术一是 原始水印的随机数序列生成时所使用的种子),依靠判断其相数字水印技术。它可以标识作者、所有者、发行者、使用者等,并近程度来得到答案。携带有版权保护信息和认证信息，目的是鉴定出非法复制和盗2.2 Pitas方法叫用的产品,作为密码学的加密或置乱技术的补充，保护数字产品核心算法:假设- -个大小为NxM的图像1,加人水印s之后的合法拷贝和传播。变换成为图像Is,图像I如下定义:2数字水印技术的典型算法1ly .(1,.41, 00,-1,且x .(.01,._1]1 (5)数字水印方案包含三个基本要素:数字水印本身的结构、加其中L-1为像素的最大灰度载(插入)数字水印的地方或者说加载数字水印的策略和数字水水印S如下定义:印的检测。水印的结构一般包括两部分,一是水印所含的具体信S=lσm ,ne 1,.,-1, (1,-M-1LIs_ e(0,1}(6)息,如版权所有者使用者等信息,二是伪随机序列或类噪声序其中s中元素为0的数目与元素为I的数目相等。列以标识水印的存在与否。大多数数字水印方案的水印结构仅把1分成2部分: A=[xmelsn=1)(7)包括其中之一,这和数字水印的实现方法及使用场合有关。而数B=(xm∈l,$ =0}(8)字水印的具体检测方法相对较少且简单,通常都采用直接检测给 A中的每个元素加一一个正整数因子k,得到:或相关检测方法,也有采用最大后验概率检测的数字水印方案。C:C={x. .el,xomeA }(9)数字水印算法的性能相当程度上取决于所采用的加裁(插人)策则得到加入水印的图像l: I=CUB(10)略及方法,目前数字水印技术的研究主要集中在这一-领域。用a6,c,表示集合A,B,C中元素的平均值,用sgSus.表示样2.1 Cox方法购本方差。Cox方法是IngemerJCox于1995年提出的发散谱(spread3数字水印技术分类网spectum)算法,是变换域(也叫频率域)水印算法的代表。其原理3.1 从数字水印的实现算法(即加载方法)分类,数字水印可分为是通过时频分析,在数字图像的频率域上做修改,使修改后的系空 间城数字水印和变换域数字水印两大类。数隐含数字水印的信息。这类方法较好地利用了人类视觉系统较早的数字水印算法从本质上来说都是空间城上的,数字水的特性，水印信息经过一定的调制过程隐藏于数字图像感知比印直接加裁在数据 上。基于变换域的技术可以嵌人大量比特数较重要的频谱部分，从而可以抵抗有损压缩和其他数字图像处据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像的技术来理操作。隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图像变换,基于局在Cox方法中,提倡水印应该是独立的、均匀分布的Gauss部或是全部的变换,这些变换包括离散余弦变换([CT).小波变随机数序列,并将之植人类发散谱方式中的最有意义的谱部分。换(wT). 付氏变换(FT或FFTD)以 及哈达马变换(Hadamard trans-这里所讨论的水印植人策略对信号处理操作(如有损压缩、滤form)等等。 其中基于分块的DCT是最常用的变换之- ,现在所波、D-A和A-D转换.重量化等)和通用的几何变换(如裁剪、采用的静止图像压缩标淮JPEG也是基于分块DCT的。放缩、平移和旋转等)是鲁棒的,其算法需要提供原始图像和原3.2 从外观上分类,数字水印可分为两大类,即可见数字水印和始水印sGauss噪音的引人,提高了算法针对多文档、共谋和攻击不可 见数字水印。更淮确地说应是可察觉数字水印和不可察觉的有效性。数字水印,这是对图像而言,通常,我们采用上述提法来概括所水印植人过程的描述:从文档D中提取-些值序列V=加s有媒体 上的数字水印。.选揮一个水印Xx=x"x。按照X修改V得到V'=o' o'可见数字水印，最常见的例子是有线电视频道上所特有的...,",将之放回到文档D中得到D'。攻击者修改D'得到D',由半透明标识(logo),其主要目的在于明确标识版权,防止非法的D°和D' ,依照提取检测水印算法,可能提取出一个修改后的水使用中国煤化工现觉上不可见，目的是为印x",把它和X做比较,判断水印的正确性:了将二号,以增加起诉非法使用sim(Xr,X)=- X-x(1)者的感YHCN M H G权。不可见数字水印根Vx.X据稳健性可再细分为稳健的不叮见数字水印(invisible--robust若sim(X',X)接近1,说明有水印。digital walermark)和脆弱 的不可见数字水印inisibe-rgile dig在植入X到V中生成V'的过程中，定义- -个比例因子a，ital watemmark)。通常取值范围为[0.1 ,0.2]。可以选用如下3种方法计算V':3.3从加载方法是否可逆上分类,大致可分为可逆数字水印、半2005年第10期福建电脑27可逆数字水印、非可逆数字水印三类。目前国内最主要根据不同的算法给出相应的图像水印技3.4从检测方法上分类,可分为秘密和公开数字水印、私钥和公术,其中包括基于神经网络分类的数字水印算法、基于离散余弦钥数字水印方案。变换的数字水印算法、基于维纳滤波的数字水印算法、基于离散3.5按载体分类,可分为静止图像水印、视频数字水印声音数字小波 变换域的图象水印技术等等,尤其集中在小波变换居多,并水印、文档数字水印等等。且大多采用多变换的组合,例如:基于小波与余弦变换的组合、4数字水印技术的应用与研究现状基于多小波等等。4.1主要应用领域5数字水印技术的发展方向(1)版权认定与保护即数字作 品的所有者可用密钥产生一由于数字水印技术是近几年国际学术界才兴起的一个前沿个水印，并将其嵌人原始数据,然后公开发布他的水印版本作研究领 城,处于发展的初级阶段,并迅速发展着,因此掌握其发品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品展方向对 于指导数字水印的研究有着重要的现实意义。或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权5.1 算法分析益。对这种应用领域来说,水印技术必须有较好的鲁棒性、安全通过对现有数字水印算法的鲁棒性安全性、抗攻击性等特性透明性和水印嵌人的不可逆性。性的研究,并结合数字信号处理技术,寻找出它们之间的关系,(2)加指纹为避免未经授权的拷贝制作和发行.出晶人可从而发现更加好的数字水印技术。以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印(指纹)嵌人作品的5.2 基于特征的数字水印技术合法拷贝中,一且发现未经授权的拷贝,就可以根据此拷贝所恢因基于统计特征的数字水印技术容易受到非线性等变换方复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领城来说,水印技术除法的攻击， 而基于特征的数字水印技术如基于边界信息的数字具有版权保护应用中的特性外,还必须具有防止串谋攻击(多拷水印技术等则具有较好鲁棒性,因此可能成为今后的研究重点。贝攻击)等功能。5.3公钥数字水印系统(3)标题与注释即将作品 的标题注释等内容(如,一幅照即使用一个专有的密钥来叠加水印信号,而任何人均可通片的拍摄时间和地点等)以水印形式嵌人该作品中,这种隐式注过一个公开的密钥来检测出水印信号，但是用公开的密钥来推释不需要额外的带宽,且不易丢失。导专有密钥和用公开的密钥来去除水印信号这两个过程都非常(4)篡改提示当数字作品被用于法庭 、医学、新闻及商业困难。目前,该领域还未取得突破性进展。时,常需确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实5.4数字水印代理(Agent)现该目的,通常可将原始图像分成多个独立块,再将每个块加入其核心思想是将数字水印技术与TSA (Trusted spting a不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号,来确定gen)相结合 。这种数字水印代理在网络上的服务器之间漫游,扮作品的完整性。与其他水印不同的是.这类水印必须是脆弱的，演着 基于数字水印检测、验证和追踪非法拷贝的侦探角色。并且检测水印信号时,不需要原始数据。6结语(5) 使用控制这种应用的一 -个典型的例子是DVD防拷贝数字水印技术是一种横跨图像处理、信号处理、声音处理、系统,即将水印信息加入DVD数据中,这样DVD播放机即可通 数字通信、密码学计算机网络等多学科的新兴技术,具有很大过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性.从的潜 在商业和军事价值,因此对它的研究具有重要的学术和经而保护制造商的商业利益。济价值。4.2国内研究现状参考文献[1] Ingemar J CoxJoe Kilin,F Thomson Leighton,Talal Shamoon. Secure spread spectum watermarking for mulimediaOIEE Trans on Inge Procesing,1997.612):1673-1687.(2] Ingemar J CoxJean-Paul M G Linat. Some general methods for tampering with watemrksJ.IEEE Journal on Selcced Areas in Communicaions,198.164):587-593.3] Pias LA method for signaure casing on digal imgC].Proc. of ICIP' 961996.3.215-218.4 Voyatis G,Pias 1. Embedding robust watermarks by chaotic mixngD].Proc. Of IEEE DSP" 97,1997,213-216.5] Jonnis Pias.A mechod for watermark casing on digtal imgsOJ.IEEB Trans on Circuis and Systcms for Video Techology1998.867;775-780.6] Voyazis G,Pitas I. Chaoic watermarks for embedding in the spaial digial image domain[jProc. Of EE,99pp:432-436.团张立和,杨义先,软件水印嫁述D.软件学报捐2003,14(2):269-276.8]崔晓瑜,程乾生,非对称敖宇水印0).北京大学学摄(自然科学0201.75)618-622.2中国煤化工MYHCNMHG