数字水印技术的研究

本栏目责任编辑:李桂瑾.......人工智能及识别技术●数字水印技术的研究蓝岚(湖南农业大学信息科学技术学院,湖南长沙410128)摘要:当今时代,作为计算机领域的研究热点,数字水印技术得到了广泛的应用。本文介绍了数字水印技术的基本原理、数字水印的特征及其分类,并对典型的水印算法及其应用领域进行了阐述。最后,分析指出了数字水印技术的研究现状与发展前景。关键词:数字水印;水印嵌入;水印算法;版衩保护中图分类号:TP309文献标识码:A文章编号:1009- -3044(2007)10- -21091-01Research on Digital Watermarking TechnologyLAN Lan(School of Information Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract:As one of hot research topics in the area of computer, digital watermarking technology has gained wide applications nowadays.This paper makes an introduction of the basic working principle, characteristics and casifications of digtal watermark technology, makes discus-sion and analysis of typical algorithm and is application. Finally， it gives the recent research circs and the prospect of digital watermarking tech-nology.Key'words.digtal watermarking; watermark embedment; watermark algoithm; copyright protection.1引言了作品发布及使用后,仍保有水印本身原始的信息不变。因此,数信息时代的两大重要特征是多媒体信息的数字化和计算机字水印对正常的数字作品操作应该具有免疫能力。面向不同的应网络的广泛应用。前者提高了信息表达的效率和准确度,为信息用要求,数字水印一般具备以下基本特征[3]:的存取提供了极大便利;后者特别是Intermet的飞速发展,则使数附加数据输入水印提取字作品的发布及传输有了更方便、快捷的途径。开放的互联网络环境、数字化的多样信息让人们极大感受到信息资源共享的惬意,然而一系列亟待解决的信息安全问题也随之产生,典型的有水印.作晶L作品侵权问题、非法复制及传播问题、信息篡改及数据泄密问题原始作晶嵌入原始作品等,这都使得信息安全技术越来越成为人们关注的焦点。传统的圈1数字水印系 统模型加密技术将数据加密后传输，使没有密钥的人难以获取机密数(1)鲁棒性,这是数字水印最重要的特征。它又称稳健性,即指据;但这显然限制了数据信息的交流,而数据一旦被解密,就完全嵌入水印后的数字作品在经过各种有意或无意的处理或攻击之被解密人掌握,其保护作用由此消失。数字水印技术则与之不同,后,仍能成功检测出其水印的能力。从数字水印技术诞生的应用背它使一些不可见或不可察的信息与数据结合,但能保留数据的原最来看,数字水印信息至少应该难以(最好是不可能)被除去。始形式，且不妨碍用户使用、检验或操作数据。其目的不在于限制(2)确定性,即水印所携带的所有者等信息能够被唯- -地鉴正常数据的存取,而在于保证隐藏数据不被侵犯或发现,从而较别确定,即使在遭到攻击时,对确认水印信息的精度不会有大的好解决了信息共享与版权保护之间的矛盾。影响。2数字水印技术(3)透明性,即指水印信息植入到原始作品的数据中后,不会破坏原有数字产品的质量,而用户在视觉或听觉上感觉不到水印2.1数字水印的基本原理数字水印(Digital Watermarking)技术是在数字多媒体技术及的存在。互联网技术迅猛发展的背景下应运而生的一种信息安全技术。它.水印信息。(4)易提取性.即指数字作品的所有者应能很容易地提取出利用人类感觉器官的不敏感以及数字信号本身存在的冗余,将具.(5)安全性,这要求水印信息隐藏的位置以及内容不能被非有特定意义的标志性信息，通过数字嵌入的技术隐藏在文本、图法用户检测识别。像、音频、视频等数字产品中[I],水印信息可以是作者的序列号、公司标志或有特殊意义的文本等,并能够抵抗一些攻击而生存下2.3数字水印的分类数字水印技术已开始应用到诸多领域，其分类方法也众多，来。同加密技术相比,数字水印技术不改变数字产品的基本特性典型的划分原则有:和使用价值,也并不能阻止盗版活动的发生。但它可以判别对象(1)按水印的载体划分将数字水印划分为图像水印、音频水是否受到了保护,能监视被保护数据的传播情况完成真伪鉴别、印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等;随限制非法拷贝、甚至能用于解决版权纠纷等法律问题。数字水印系统的处理过程一般包含水印嵌人和水印提取两部着更多种类的数字媒体出现,相应的水印也会出现。分,其基本模型如图I所示。其中,水印嵌入系统利用私有密钥或(2)按水印的特性划分,可以将数字水印分为鲁棒数字水印公开密钥把水印信息嵌人到原始载体信息中,得到隐秘载体;而水和脆弱数字水印。前者主要用于在数字作品中标识著作权信息,印提取系统则通过专用的检测器或阅读器、利用相应的密钥从隐如作者、作品序号等,它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编蔽载体中检测或恢复出水印2]。没有解密密钥时,攻击者一般很难辑处理。后考主要用干宗整件保护与鲁棒水印的要求相反,脆弱从隐秘载体中发现或修改水印，从而保证了嵌人的相关特殊信息水印;中国煤化工据脆弱水印的状态就可以保持原有形态,使具有标志意义的数据能更安全的保存下来。判断HCcNM HGR划分为时(空)坡数字术2.2数字水印的典型特征数字水印作为嵌人到数字产品原始数据中的特殊信息,不仅印.频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时(下转第1095 页)要保证被隐藏后不被侵犯或发现,更重要的是应该保证其在经历收稿日期:2007-03-231091本栏目责任编辑:李桂瑾......人工智能及识别技术●Communications (TCC.03), 2003Int. Workshop VLSI Design & Video Tech. Suzhou, China, May 28-[10]. Fu Y, Shen R, Shen L. A novel asynmetie watermarking30,2005.260-263scheme. Proceedings of the Third Intemational Conference on Ma-[12] Tzeng J, Hwang W L, and Chem 1 L, An asymmetrie sub-chine learming and Cybemetics, Shanghai, August 2004.26-29space watermarking method for copyright protection， IEEE Trans.[] Guo-fu Gui, Ling -ge Jjang and Chen He. General con-Signal Process, 2005,53(2): 784-792struction of asymmetric watermarking based on permutation. IEEE(上接第1091页换得到水印图像|*,解码函数则分别计算原始图像[和水印图像(空)域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字]*的离散余弦变换,并提取嵌人的水印W*,再做相关检验以确定水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过-些通用的几何变变換域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。形和信号处理操作而产生比较明显的变形后,仍然能够提取出可(4)按水印的内容特性划分,分为有意义水印和无意义水印。信赖的水印拷贝.因此具有较强鲁棒性。在隐藏和提取信息的操前者本身可能正是数字图像或数宇音频片段的编码内容,但后者作方面,此算法稍显复杂,隐藏信息量仍不能很大;但由于其抗攻本身则只是-一个序列号。击能力强,所以在数字作品版权保护方面得到较广泛应用。(5)按 检测过程划分,将数字水印划分为明文水印和盲水印。(4)Cox算法明文水印在检测过程中需要原始数据,而盲水印的检测只需要密该算法因其提出人而得名,因其实用价值高而使其在数字水钥,不需要原始数据。印算法中占有重要地位。实现思想是:先以密钥为种子来产生伪(6)按用途划分,将数字水印划分为票据防伪水印版权保护随机序列,该序列具有高斯分布的特征,密钥一般由作者的标识水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印等。它们都以隐藏某些难以复码和图像的哈希值组成;然后,对图像做DCT变换,最后用伪随机制的标志信息为手段,为限制对数字产品的非法操作提供了可能。高斯序列来调制(叠加)该图像除直流分量外的1000个最大的2.4数字水印技术的常用算法DCT系数。Cox算法提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要理论上,数字水印将对保护各种形式的数字产品起到重要作原则,即:水印信号应该嵌人源数据中对人感觉最重要的部分,这用。但目前学术界对其研究多半仍集中于静止图像的水印上,许种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该多讨论依然围绕着数字水印系统的框架构建等基础问题;相比之具有高斯分布的特征。所以,该算法具有较强的鲁棒性、安全性以下,对音频水印、视频水印的研究尚属少数。尽管如此,对下述几及透明性等,由于采用了特殊的密钥形式,因此还可以有效防止种典型的数字图像水印算法(某些算法也适用于视频和音频数IBM攻击(最具典型性的水印攻击)。据)的分析,仍可以了解到数字水印算法的基本思路和实现方法。3结束语(1)空间域算法随着对数字水印技术研究的深人,其在版权保护、票据防伪、这类算法中典型的处理思想是将信息嵌人到随机选择的图内容认证和完整性检验.内容标识与注释.操作跟踪、拷贝保护、像点中最不重要的象素位(ISB,Least Significant Bits)上,这就能隐藏通信及其对抗、指纹识别以及使用控制等方面的应用将更加保证嵌人的水印是不可见的。但其算法的鲁棒性差,水印信息很广泛。其中最具代表意义的正是数字产品版权保护。信息时代,盗容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。另一种思路是利用版已成为对数字化产业最大的威胁。据有关资料显示,美国每年象素的统计特征将信息嵌人其亮度值中。例如,随机选择N对象有超过50万人因盗版数字产品遭遇纠纷，直接或间接经济损失索点(ai,b),然后将每个a点的亮度值加1,每个b点的亮度值臧达数亿美元。世界上许多国家和地区也都遭遇到类似问题,这在1,这样整个图像的平均亮度可保持不变。适当调整参数的情况相当程度上阻碍了全球数字化的进程。对数字多媒体信息的版权下,这种方法能对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵所有者而言,反盗维权的要求迫在眉睫;作为近年来国际学术界.抗力,但其嵌入的信息量却是有限的。的一个前沿研究领域,数字水印技术同信息安全、数据加密、数据这类基于JPEGMPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省(2)压缩域算法隐藏等计算机技术关联甚密,已逐渐成为数字作品版权保护的利了大量的完全解码和重新编码过程,而且在数字电视广播及VOD器。在网络技术迅猛发展的今天,数字水印的研究更具现实意义;(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地,水印检测与提随着信息与计算机网络技术的不断发展，数字水印已经在电子信取也可直接在压缩域数据中进行。这类算法的关键在于如何把水息安全等领域有了成功的应用,其研究与应用必将拥有更加广阏印信号加到数据信号中,即加入到表示视频帧的数据流中。其原的发展前景。参考文献:理是,首先对DCT编码数据块中每-输人的Hufman码进行解码[I] Cox I J, Miller M L Bloom J A.Digital W aermarking[M],北和逆量化,以得到当前数据块的一个DCT系数;然后把相应水印京:电子工业出版社, 2003:63-66.信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数,再[2] Kutter M, Bbattackarjee S K, Ebrahimi T.Towards Sel :ond重新进行量化和Huffman编码，最后对新的Hufman码字的位数Generation W atermarking Schemes[J].ProcInt Conf Image Processing,nl与原来的无水印系数的码字n0 进行比较。在n0不大于nl的情1999 ,1(1):25-28.况下才传输水印码字.否则传输原码字,从而保证了不增加视频[3] Eggers J, Buml P, Girod B.A communications approach to数据流位率[4]。image steganography[C].SanJose, USA: Proceedings of SPIE: Elec-(3)变换域算法这类算法中,大部分都采用了扩展频谱通信(Spread Spectrumtronic Imaging, Security and W atermarking of Multimedia ContentsIV, 2002.26-37.Communication, 简称扩频)技术。算法实现过程为:先计算图像的中国煤化工体数字水印技术小通信学离散余弦变换(DCT),然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前k系数上(不包括直流分量)。若DCT系数的前k个最大分量表示fHC NM HG算机工程与设计206.22为D=(di),i=1 ,2,. ,k;水印是服从高斯分布的随机实数序列W=(1):46-50.(i),i=1,2,.. ,k。那么水印的嵌人算法为di=di(1+awi),其中常数a为尺度因子,控制水印添加的强度[5- -6]。然后用新的系数做反变[6]蒋华,股肖川.数字水印技术的研究[J.现代电子技术，2004, 181(14):84- -86,90.1095