关于图像认证的数字水印技术与应用

曹源

【摘要】 在信息时代，为了保护数字媒体的信息安全与知识产权认证，融合了图像认证方法的数字水印技术就应运而生，它是针对传统加密方法的科技化补充，实现了在开放环境下也能保护版权认证来源性及完整性的新兴技术。本文探讨了数字水印技术的特点、应用和基于数字图像的几种水印算法。

【关键词】 数字水印 图像认证 声像数据 数字图像水印算法

数字水印（Digital Watermarking）是一种信息隐藏技术，它的技术应用范围非常广泛，例如对知识版权的完整性认证、数字指纹、拷贝控制以及广播监测等等。虽然数字化信息传输效率高但高风险性也同样并存，因此基于图像系统的认证水印技术就可以利用人类知觉系统的冗余，将水印隐藏嵌入媒体内容当中，当其需要认证时，根据水印信息来判断它的合法性与真实性。

一、数字水印技术的特点

1、不可见性。首先，基于图像认证的数字水印是嵌入到媒体内容之中的，它的变化在人眼视觉范围内不可被感知。所以这也是数字水印技术的研究前提，即在不影响各种媒体内容的美观性与完整性的前提下实现技术功能。2、脆弱性。目前脆弱水印的定位技术主要有两种：像素级别的定位能力，它被叫做单像素认证，它可以根据篡改检测与定位的功能分离实现对脆弱水印的重新计算，进而抵御各种攻击，即将脆弱水印中的篡改精确定位精确到某一个像素；再有就是分块级的定位，也叫分块认证。3、安全性。水印认证系统的安全性主要依赖于密钥，密钥的特点就是空间足够大，这很大程度上增加了水印认证的安全性。有了密钥，数字水印就会变得难以篡改和伪造，而且是对传统水印较低的误检测率与抵抗性的一种提升。4、鲁棒性。鲁棒性就是指数字水印在经过多次信号认证及处理过程后，依然可以保持水印的完整性与检测的准确性，即它可以多次重复使用[1]。

二、数字水印技术的应用

1、加指纹。指纹识别是将输入的指纹图与数据库中的存储模板相匹配，并按照二者的共同特征进行比对实现，也被叫做指纹图像匹配。在美国的国家标准局（NIST）就提出了加入了指纹识别的数字水印技术应用，它共有四种特征：脊末梢、分岔点、复合特征与未定义特征。这四种特征都可以用于对指纹的细节特征识别上，特别是脊末梢与分岔点可以有效利用于媒体出版物以及各个门禁中的数字水印指纹识别鉴定[2]。2、标题与注释。标题与注释这种应用主要是对需要加入数字水印的作品的标题与内容进行注释。比如说对一幅照片加入时间和地点，而且它是隐藏在照片之中的，不需要额外带宽，也不容易丢失。3、声像数据的隐藏标识和篡改提示。通常讲，数据的标识信息都会比数据本身更具有保密价值，比如说对遥感图像拍摄日期以及经纬度的标识等等。另外，数据篡改提示也是一项非常关键的工作，它利用现有的信号拼接与镶嵌技术达到了“移花接木”的效果，且并不为人所知。

三、数字图像水印算法

1、空域算法。空域算法包含了Schyndel、Patchwork以及LSB算法，其中LSB（least significant bits）算法直接将信息嵌入到被随机选择的图像点中最不重要的像素位，这样高度保证了嵌入水印的不可见性。但是由于所镶嵌的图像像素位并不重要，其算法的鲁棒性就会变差，导致水印信息很容易被滤波、图像量化与几何变形的操作而破坏。所以也可以采用Schyndel这种空域算法来弥补LSB中鲁棒水印保持较差的缺陷。这种算法通过密钥输入m-序列发生器来产生相应的水印信号，通过序列产生二维水印信号，使得像素点被逐一插入到原始图像像素值的最低位，这同样保证了数字水印的不可见性，而且不容易被移除，所以这两种方法在技术上有互补之处，可以根据实际情况酌情应用。

2、变换域算法。变换域算法的主要表达方式就是频率域制作水印算法，它利用一个信号来掩盖另一个较弱的信号，从而能够有效呼应对数字水印的图像认证检测。由于采用了跳频（frequency hopping）技术，所以它的透明性好且数据改变幅度小，但是由于频域水印制作在逆变换时容易散布于图像空间中，所以最好用原作品中含有重要信息的敏感频率来制作频域水印，这样能保证水印的自我恢复性。

3、压缩域算法。压缩域算法就是将媒体内容压缩为标准的JPEG、MPEG等格式，实现对数据的完全解码或重新编码过程，所以压缩域算法在数字广播电视内容中具有较大的实用价值。压缩域算法要求将水印信号块中的变化系数相叠加，得到水印迭加的DCT系数，再重新进行相应的量化Huffman编码，最后实现Huffman码字的位数n1与原有无水印系数码字n0的对应比较。当n1≤n0时，才能够传输水印码字。

总结：就目前来看，基于图像认证的数字水印技术已经被推广到相当广泛的领域，它实现了对重要媒体内容的多视点与自由视点检测，保证了媒体内容的知识版权安全性，而且也丰富了数字水印技术的多层次化。

参 考 文 献

[1] 周武杰.立体图像数字水印技术及其应用研究[D].宁波大学，2014.11-20.

[2] 高正男.基于数字水印的指纹图像安全性研究[D].浙江工业大学，2005.22-25.

[3] 叶广源.图像认证的数字水印技术研究[D].华东师范大学，2006.33-35.