数字水印技术及其在版权保护中的应用

厍 睿

（西安医学院 图书馆，陕西 西安 710024）

随着现代数字技术和互联网技术的迅猛发展，传统的信息交流方式有了很大的改变，多媒体数字信息凭借其方便和快捷的传播方式越来越普及。人们借助PC 终端、手机终端、云终端等电子设备可以从互联网轻而易举的的获得大量的数字化信息产品。而随之产生的版权问题也日益严重，由于缺乏合适的保护机制，数字信息很容易被复制，篡改和转发，侵害了版权所有人的合法利益，因而对于多媒体数字信息版权保护的研究越来越受到人们的重视。

1 数字水印的概念和分类

数字水印是信息隐藏中的重要技术之一。通常其定义可理解为：不被感知地在数字产品中嵌入信息的处理行为。数字水印技术和传统的密码学方法不同，它是依据信息隐藏的思想将重要的可认证的信息嵌入到图像、视频、音频及文本文件等数字多媒体的内容中，成为难于感知的部分，但从表面上并不影响产品的可视性，而一旦需要，则可以从加了水印的产品中检测出预先嵌入的信息，对产品的完整性以及版权进行认证和证明。

数字水印是嵌入在数字图像、音频以及视频等媒体中的信号，可以鉴别产品的真伪或者归属者。数字水印的分类方法有很多种，不同的角度会有不同的划分，它们之间既有联系又有区别。最常见的分类方法包括以下几种：

（1）按数字水印特性：可以划分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。

（2）按数字水印所附载的媒体：可以划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等。

（3）按数字水印检测过程：可以划分为明文水印和盲水印。

（4）按数字水印的用途：可以划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。

（5）按数字水印隐藏的位置：可以划分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时频域数字水印和时间/尺度域数字水印。

（6）按水印的可见程度：可以划分为可见水印和不可见水印两种。

2 数字水印的广泛应用

数字水印技术未来的应用领域将会更加广阔，该技术己经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。主要有以下5 个领域：

（1）版权保护：这是数字水印的主要用途。在多媒体数字产品中加入代表版权信息的数字水印，可以在该作品被盗版或出现版权纠纷时，从中获取水印信号证实版权所有者，检举和起诉盗版者，从而保护所有者的权益。

（2）内容认证：用来认证被保护作品内容的真实性、完整性，其主要应用领域有医学图像、指纹数据库等。

（3）广播监控：通过识别嵌入的水印信息，记录广告作品是何时何地被广播的，以用来保护广告商和广播商之间的利益。

（4）交易跟踪：控制未授权的产品复制。

（5）设备控制：应用水印技术的设备能够检测出待处理作品的水印信息，并做出相应操作。

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点：

（1）可证明性：数字水印算法应该能把所有者的相关信息完整的嵌入进去，水印能为产品的归属提供可靠地依据。在需要的时候能够完整的提取出水印信息。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。这实际上也是发展水印技术的基本功能。

（2）不可感知性：数字水印的存在不应明显干扰被保护的数据，不影响被保护数据的正常使用的情况下应该在视觉和听觉或者其它感官上不被感知，同时要求用统计方法也不能恢复水印。

（3）鲁棒性：指经过常规信号处理操作后能够检测出所嵌水印的能力。以图像为例，常规操作包括滤波、有损压缩、几何形变等等，在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印并证明水印的存在。

3 数字水印典型算法

在过去10 多年的时间里，出现了很多数字水印算法，主要可以分为时/空间域方法和频域算法。

时/空间域方法算法简单，实时性比较强。早期的空间域方法主要是修改图像的最低有效位(LSB)，也称“最不显著位”，最简单的做法是通过修改最低的两个有效位来嵌入水印，随后很多学者对该算法进行了改进，最典型算法是对载体数据区分奇数和偶数行，对奇数行和偶数行不同的最低位嵌入水印；基于直方图特性的算法，这种算法是把直方图和数字水印的技术结合起来，按照是否修改载体的直方图可以分为两种：修改载体图像直方图数字水印算法和保持原始直方图的数字水印算法；预测编码数字水印算法，1994年Matsui 提出了一种基于灰度图像预测编码的数字水印算法，扫描所有的图像点用预测编码进行编码，根据一张保密的对应编码表确定是否嵌入水印信息。时/空间域方法嵌入数据量可以很大，但明显缺乏鲁棒性。

频域算法主要是使用了通信中的扩频技术，在数字水印技术中，把原始载体看成是通信信道，将水印信息看成是通过信道的信号，将水印信息嵌入到多个载体信息的频域系数中去，破坏水印信息需要把很强的噪声信息加入到载体信息的所有频域当中去，破坏水印的同时载体的质量也严重下降。因此，频域的数字水印算法具有很强的鲁棒性和安全性。主要的算法有DCT 变换域方法，L.I.Cox 提出在图像的敏感区域嵌入水印，把高斯伪随机序列作为水印嵌入到除DC 系数以外的1000 个DCT 系数中，同时也有算法提出可以把图像分成8*8 的分块，改变其中若干块的中间频率的系数。Swanson 等提出利用空间掩蔽特性，计算每个DCT 系数允许改变的最大限度，确保水印的透明性。Zeng 等人提出了一个混合法，既修改全局DCT 变换的低频系数，又在中间频率的系数中嵌入一个扩频信号。Barni 等人把感知模型精确到一个图像小波系数，从而最大程度的提高了水印的能量；Wavelet变换域方法：Houng-Jyh Wang 等提出了在视觉重要的小波系数中嵌入水印的方法。算法按视觉重要性搜索系数，依次嵌入水印。量化水印：Eggers 和Girod 提出利用抖动量化代替压缩算法中的量化，结合JPEG 压缩过程，提出了一种私有的指纹水印算法。频域数字水印方法具有抗信号处理和抗攻击力较强的鲁棒性及隐蔽性。

4 数字水印技术及其在版权保护中的应用

数字水印方案一般包括三个步骤：水印的生成、水印的嵌入和水印的提出检测是否存在。图1 展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息、原始载体数据和一个可选的私钥/公钥。其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列或伪随机序列、二值图像、灰度图像或彩色图像等等。水印生成算法应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息可由伪随机数发生器生成。密钥可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。

图1 数字水印的嵌入

图2 是数字水印的提取过程，通常使用数字水印或者原始数据、和待检测数据、密钥通过水印检测算法检测出水印信息，再和嵌入的水印信息做比较从而确定版权及是否受到攻击。

图2 数字水印的提取

信息资源数字化是图书馆服务跨入现代化和网络化的重要标志，数字化建设首先是将图书资料进行数字化处理，并且分门别类归档到到服务器中，随着现代科技技术的不断发展，大容量存储硬件的出现已经让数字化本身不存在问题。同时3G时代和即将到来的4G时代使得网络的带宽和速度已经大幅的提高，PC、智能手机、云终端等电子设备的普及给图书馆数字化提供了强有力地支持。1994年《公共图书馆宣言》提出图书馆是公众获取信息之门，图书馆的宗旨是为用户服务，同时又要保护作者的合法权益。由于版权的问题使数字化还存在着一定的障碍，因为数字图书馆作为互联网上的一个信息系统，其数字化的信息很容易被复制却很难发现和控制，所以图书馆不能随意地将没有取得版权的文献自由数字化并提供给读者使用。这是目前阻止图书馆数字化进程的关键性因素。

缺少数字版权管理，即便是最完美的数字化内容也是毫无商业价值的。2001年麻省理工学院在《技术评论》中称，数字版权管理技术是今后信息技术领域重点开发技术。数字水印应用到网络数字多媒体的版权保护中，需要设计一种实现简单、可靠性高的保护协议及系统。数字水印本身并不具备阻止数据被拷贝的功能。它作为版权保护系统的一部分，提供着版权的验证或者拷贝预警的功能并结合系统的其他模块实现对版权多媒体消息的有效保护。

DRM 系统技术是一项加强对图像、音频、视频数字化产品内容版权保护的技术，其基本的工作原理一般是将图像、音频、视频等文件进行加密编码处理，再建立一个证书授权服务中心来保护多媒体信息的版权和使用权限。在DRM 系统中，数字水印主要可以做为如下这几种应用：保护元数据，在DRM 系统中可以把数字水印和著作信息相关的数据元绑定，来检测版权和费用支付；发现盗版之后取证和跟踪，在数字产品的拷贝和发行中，发行人可以把不同的ID 或者身份信息作为不同的数字水印嵌入到合法拷贝中去。如果发现存在侵权行为就可以通过水印信息确认其来源；确认是否遭受篡改，把脆弱数字水印嵌入到数字产品中去，因为脆弱水印对信号的改动很敏感，即便发生很小的变动，数字水印也会随之发生变化，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过；保护许可信息，在DRM 系统中一般只有用户获得合法的许可信息才能消费数字内容，可以把把许可信息作为数字水印信息嵌入到产品中去，从而提高许可信息的健壮性。

数字水印的理论与技术日渐完善，其应用领域也不断拓展，并已逐步成为计算机多媒体技术、通信技术、信息论、密码学、数字信号处理及数字版权保护等众多学科研究的切入点，相信它一定能在数字图书馆的建设过程中发挥出应有的作用。伴随着人们对版权保护意识的不断提高，以及国家不断完善的版权保护法和数字水印技术的不断发展，不远的将来，数字产品的版权保护和合理使用将会得到有效保障，侵权行为也会得到有效的遏制。

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