数字水印技术综述

刘涛

（郑州师范学院 信息技术系，河南 郑州 450044）

1 数字水印的研究背景及现状

当前的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础，无论是采用传统密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件通过某种加密技术加密成密文[1]，使非法用户不能解读。但随着计算机计算能力的提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。另外，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。近年来，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。

随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术跟踪转向深入地、系统地研究，各大研究所和高校纷纷投入到数字水印的研究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入到水印技术研究且取得较好成绩的科研人员。国家863、973等项目也都包含水印的研究项目，从而为国内的信息安全产业提供了有效的、可靠的保障。

目前数字水印技术已经成为一个非常活跃的研究领域。现有的数字水印技术包括空域数字水印算法、变换域数字水印算法、基于奇异值分解的算法及基于人眼视觉系统的水印算法等。空域数字水印算法中的最低有效位方法（LSB法）[2]，该方法利用源数据的最低几位来隐藏信息（具体多少位，以人的视觉，听觉系统无法察觉为原则）。Schyndel的文章是第一篇在重要国际会议上发表的关于数字水印的文章[3]，算法有较好的不可视性，不过可以轻易地移去水印，鲁棒性差。空域数字水印算法是比较早期的数字水印算法，这些方法抵抗JPEG压缩、噪声以及剪切等攻击能力较差。近期的研究主要集中在变换域，变换域算法中最具代表性的是Cox等人提出的扩展频谱算法[4]，首次明确提出了水印信息应该嵌入在图像的视觉敏感部分。奇异值分解的算法是一种新兴的数字水印算法，奇异值分解算法的主要思想是将原始图像进行奇异值分解[5]，然后将水印信息嵌入到较大的奇异值中。Christine I.Podilchuk等在DCT域和小波变换域内进行水印嵌入和提取时，利用JND模型控制了嵌入水印信号的最大强度，最大可能地避免了对图像视觉质量的破坏，这一方法显示出了很好的透明性和鲁棒性。付德胜、孙文静提出了一种基于人眼视觉特性和小波变换的彩色图像数字水印算法[6]，该算法采用YIQ色彩空间进行水印的嵌入，并通过计算JND阈值对小波系数进行量化，以获得更好的鲁棒性。

2 数字水印的概念和基本原理

数字水印就是指嵌入到被保护对象 (如静止图像、视频、音频等)中的某些能够证明其版权归属的数字信息，可以是作者的姓名、序列号、公司标志等等。数字水印是携带所有者版权信息的一组辨别数据。数字水印被永久地嵌入到多媒体数据中用于版权保护并检查数据是否被破坏。通常我们讨论的水印系统由水印嵌入系统和水印检测系统组成，其中嵌入系统有两个输入，一个是所要嵌入的水印信息，另一个是要嵌入水印的载体作品，输出为嵌入水印的水印作品。水印检测系统则检测出作品中是否嵌有水印或嵌入何种水印。

一般数字水印系统的通用模型包括嵌入和检测(提取)两个阶段。数字水印的嵌入阶段，嵌入算法的嵌入目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折衷点。检测(提取)阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测(提取)算法。检测算法一般是以基于统计原理的检验结果来判断水印存在与否，它的目标是使错判与漏判的概率尽量小。提取算法通过提取出水印(如字符串或图标等)并与原始水印进行比较以判断水印是否存在。并且，为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都在嵌入、检测(提取)时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。

2.1 水印嵌入系统

其功能是把水印信息嵌入到原始图像中，为了能成功地提取水印信号，算法必须使水印对故意或非故意的袭击和失真 (相当于信道噪声)具有鲁棒性。

图1为一般的水印嵌入过程，其输入为原图像I、水印W、密钥K(公钥或私钥)，输出为含水印的图像I'，则内嵌过程可定义为映射：I×K×W→I'。

图1 数字水印嵌入方案

2.2 水印的恢复系统

其功能是完成从待检测图像中提取出水印信号。图2描述了一般的水印恢复过程，其中置信度表明了所考察图像I'存在水印的可能性。

图2 数字水印恢复方案

3 数字水印的特性

不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特性：

3.1 安全性

水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。

3.2 透明性

透明性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载体数据的变化对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。

3.3 鲁棒性

鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的（如恶意攻击）或无意的（如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等等）。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。

3.4 保真性

保真性是指加入水印后，并不会损害原来的媒体内容价值。由于水印特性的要求对应用的依赖型很强，以上特性并非所有水印系统都必须满足，恰当的评价准则和具体的应用有关。

4 结束语

数字水印技术是目前研究的热点，随着网络和多媒体数字信息的发展，用于信息安全的数字水印技术得到了广泛的发展。本文详细地阐述了数字水印的研究背景、研究现状、基本概念、基本原理、特性等方面基本理论，务求对该技术有较全面的了解。

[1]吕欣，马智，冯登国.安全隐写系统的信息理论分析.计算机科学,2006，33(6)：140-142.

[2]A.Tirkel,G.A.Rankin,R.Van Schyndel.Electronic watermark.DigitalImage Computing Technology and Application－DICTA 93,Macquarie University,1993,666-673.

[3]R.G.Schyndel, V.A.Z.Tirkel, C.Fosborne. A digital watermark in proceedings.IEEE International Conference Image Processing,Piscataway:IEEE Press,1994,86-89.

[4]I.J.Cox,J.Kilian,T.Leighton,etal.Secure spread spectrum watermarking for images,audio and video.Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing,1996,243-246.

[5]易学良，石跃祥.基于图像加密和奇异值分解的数字水印算法.计算机工程与应用，2005，41(24)：100-102.

[6]付德胜，孙文静.一种基于人眼视觉特性和小波变换域的图像数字水印技术.计算机科学，2008，35(11)：203-206.