数字水印技术范文

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0.前言

信息时代，各类信息化数字技术扩充发展，针对丰富数字信息的安全保护需求也日益扩充。基于数字文档可方便快捷的复制、篡改与盗取，因而令其产权保护面临一定困难。同时数字图像具有一定适应性特征，可供用户任意设计更新并为己所用。为此应科学探究一种良好的数据可靠加密保护技术，进而有效应对不良信息篡改、窃取、盗用问题。本文基于这一目标引入水印数字技术探讨，该技术通过印记图形加密有效保护版权信息，形成印记图形同原始保持一致，基于一定标准形成水印图像，进而探究非法复制信息、相关违规产品的不良流通应用。该技术核心特征在于潜入模式，是通过视觉设想推理阐释实效的科学方式。

1.数字水印技术概述

1.1数字水印技术原理内涵

数字水印技术是一类进行数据产品安全保护、信息内容科学检测，通过嵌入模式将相关序列代码或用户定义标识引入信息中，并可基于相关算法进行水印提取，进而实施保护信息版权检验的科学技术方式。可有效维护产权人享有的产品版权利益，杜绝非法盗版问题。数字水印技术所保护的对象可以是媒体，数据文档、工具软件、视频音频资料、信息图像等丰富内容，包括生成水印、相关嵌入过程、综合信息测试与提取水印等实践环节。

数字水印核心原理在于通过针对宿主进行标识信息嵌入形成水印，令其具备无法感知的良好属性，进而确保信息数据安全性。同时需要遵循相应感知规则，令水印信息具有充分冗余性，即可通过分段数据实现恢复。

1.2数字水印具体类别

数字水印基于出发点各异性，令其种类划分各不相同，并体现了一定的联系渗透属性。依据水印特征，可将其划分成健壮与脆弱水印。前者可服务于数字作品资源中进行著作权相应表述，通过水印嵌入可满足综合编辑实践需求。后者则可实现数据完整统一保护，基于对更新信号的敏锐反映性，可依据其水印状况进行数据信息安全程度分析判别。依据水印媒体，可将其分为图像、视频、音频水印、文本与网格水印形式。而基于检测流程，数字水印则包括明文与盲水印等。前者检测进程要利用原始信息，后者则应利用密钥。

基于水印不同内容，可将数字水印定义为有意义以及无意义形式。前者即水印自身同时代表数字图像或音频数据编码，而后者则仅仅代表序列号。

1.3数字水印技术服务应用领域

数字水印技术基于优质属性、科学原理，在数字化、信息化社会建设与市场经济发展中体现了较大的应用潜能，可在电子商务领域、多媒体技术服务、广播媒介中发挥综合优势。数字水印技术具备良好的版权保护功能，基于来源信息与版权内容嵌入，有效预防不良侵权行为，体现良好安全的版权保护能效，当然其实践应用对数字水印提出了显著的鲁棒性要求。同时，数字水印技术科有效实现盗版跟踪，通过在合法拷贝中嵌入相应数字指纹信息，进行非法拷贝检测，可通过指纹信息恢复明确操作源头，进而有效抵御盗版侵权行为。通过数字水印应用可进行图像认证，实施数据信息变更测试，利用水印满足认证需求。对于各类较易篡改伪造的机打票据，可应用数字水印技术进行防伪跟踪，针对打印机图像输出，将其可识别序列号加入，进而形成良好的防伪跟踪处理。数字水印技术还可实现优质拷贝保护应用，可引入DVD系统，基于拷贝信息明确相关水印数据是否应进行重复播放或实施拷贝。

1.4数字水印技术实践应用前景

网络技术的普及应用与多媒体手段的扩充服务发展，令各行业现代化建设水平显著提升，同时也相继引发了军事政治与文化经济相关安全问题，形成了信息化社会发展研究的新一轮探究热点问题。在数字产品领域，首要探究问题便在于如何对知识产权进行有效保护，令产品所有者享有合法权益，不会受到不合法产品应用侵犯，杜绝信息恶意篡改不良问题。为此，可科学引入数字水印技术，在对原有作品整体性进行维护的同时，实现版权信息的全面合法控制目标。当前，该领域中，数字水印技术实现了初步应用，并创建了数字图书馆工具水印数字功能。Photoshop软件也引入数字水印技术插件，提升了保护能效。当然，纵观市场应用发展，该技术拓展研究并不十分成熟，较易遭到攻击者不良破坏与破译，因此还需要不断的持续探索，方能激发其核心应用价值功能。

伴随图像设备的高清晰、优质性建设发展，其打印形成的票据形式丰富多样，从另一侧面则给造假人员提供了便利性，令票据伪造篡改行为难于发现辨认。

为此，应科学引入数字水印校验技术，通过水印验证，判别票据信息真伪性。同时，基于电子商务领域的扩充发展，较多过度电子信息文件产生，例如，各类扫描纸质文件票据的电子图像信息等。虽然当前相关网络安全应用维护技术已发展应用的相对健全成熟，然而各类电子票据仍然要通过非密码进行核准验证。为此，可利用数字水印形成票据隐蔽认证标识，进而有效提升其伪造篡改操作难度，构建安全有效的票据应用、流通环境。

标识数据相关信息，体现了显著的保密价值，倘若欠缺标识，一些数据不能体现良好的应用功能。为此，对该类重要标记应进行有效保护，可通过数字水印隐藏保护模式，令其有效隐蔽，并与特殊配套阅读工具一并应用。这样一来，将有效提升信息标识保密性，该技术方式，在遥感图像领域已实现了良好应用。

1.5数字水印技术展望

基于数字水印技术应用优势，人们深入探究，并促进该技术日益完善，同时在实践探索阶段中，其仍然包含较多需要解决的重要问题。首先，数字水印技术还需要深入的算法与理论模型研究，进而构建整套理论科学体系，令水印结构、具体检测策略、嵌入方案、水平测试更加科学标准。同时，数字水印技术研究应有效融合密码学，渗透密码、密钥，进而提升其安全保护性能，创建数据综合安全防护体系。他类研究领域专精技术也应逐步渗透至数字水印技术研究领域中，进而进一步扩充该技术思想，丰富理论形态。例如引入神经网络、混沌、模糊控制相关技术理论等，扩充数字水印技术研究范畴，提升其核心价值功能。未来发展实践中，数字水印技术研发应注重提升算法鲁棒性，引入多媒体模式，令其体现良好的安全应用效能，进而进一步优化更新水印算法，激发其优质商业功能并提升可信水平。

2.数字水印技术实现

数字水印技术应用实现涵盖空间域及变换域主体方式。前者实现算法相对便捷高效，且操作容易，对图像与水印可全部恢复，因此可满足某类特殊应用需求。变换域实现方式通过将丰富比特数据嵌入进而完善探究评估，通过系数值更新进行数字水印相关内容隐蔽。该实现方式可确保水印隐蔽不可见，并可基于人们视觉感官特征，便捷、高效的实施水印编码。

3.总结

总之，数字水印技术是当前人们逐步重视的核心研究方向，其同信息隐蔽、安全防护、密码技术等学科领域联系紧密。尤其基于网络平台与数字化技术的快速发展，数字水印技术的应用拓展更加体现了显著价值。针对当前数字水印技术应用发展中存在的抑制攻击效能有限、相关标准创设不全面、法律法规体制不健全、保护方式研发不深入等弊端缺陷，我们只有继续深化发展，明晰技术原理、发展应用前景、具体实现方式，才能真正推进数字水印技术应用实践的不断完善，进而激发其核心效用价值，真正营造安全、可靠的数字化技术发展应用氛围。　[科]

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(1)对于Γ的任何一个授权子集A∈Γ，A中的全体成员可以利用他们所拥有的秘密份额来恢复秘密S；

(2)对于Γ的任何一个非授权子集BP，BΓ，B中的成员无法利用他们的秘密份额来重新恢复秘密S。

秘密共享的概念最早由Shamir和Blakley在1979年提出，并给出(r，n)秘密共享门限方案。所谓(r，n)(其中r、n为正整数，且r≤n)秘密共享门限方案是指在用户数为n的用户集团内共享某个秘密(如K)的方法。在这个方法中，任意r个属于集团的用户都能合作计算出K的值，但当用户个数少于r时不能计算出K。如n个用户间共享一个密钥K，每个用户i持有一个密钥碎片ki(i=1，2，3，…，n)，基于其中任意不同的r(r≤n)个密钥碎片ki1，ki2，…，kir(1≤i1，i2，…，ir≤n)都可以恢复出密钥K，而由任意r-1个或更少的密钥碎片都不能得出关于密钥K的信息。

应用(r，n)秘密共享体制，攻击者必须获得超过一定数量(门限值r)的秘密碎片才能获得密钥，这样提高了系统的安全性；当某些碎片(不超过n-r个)丢失或被毁时，利用其它秘密份额仍然能够获得秘密，这样提高了系统的可靠性。在恢复秘密K时，参与者必须提供正确的秘密份额，否则恢复会失败，不正确的秘密份额又称为恶意子密。秘密共享体制在实际当中应用广泛，可用于分散重要的信息，如通信密钥的管理、数据安全、银行网络管理、导弹控制发射等。

对于联合数字水印来说，其嵌入过程与一般水印的嵌入过程相同。但是在联合用户的应用背景下，当检测过程不成功时，嵌入单一联合数字水印不具备分辨单个联合用户的能力。例如设用户为A、B，当水印检测成功时，即可认定用户A、B都为具有部分联合所有权的用户，而且A、B一起拥有对水印作品的所有联合所有权。但当水印检测不成功时，无法分辨下列三种所有权分布情况：

(1)用户A、B皆为不合法的联合用户。

(2)仅用户A为不合法的联合用户。

(3)仅用户B为不合法的联合用户。

为了分辨单个联合用户，除了嵌入生成的长度为2L的联合数字水印W外，用户A可以嵌入自己的长度为L的水印W1，同时用户B也嵌入属于用户B的长度为L的水印W2。这样检测结果可能有以下情形：

(1)成功检测到所有水印：W、W1、W2。

(2)水印W、W1检测不成功，仅成功检测水印W2。

(3)水印W、W2检测不成功，仅成功检测水印W1。

(4)所有水印检测均不成功。

对以上情形分别判断为：

(1)所有水印被成功检测，用户A、B都为合法联合用户。

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中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 18-0000-01

Digital Watermarking Technology and Development

Cao Yanyan

(Southwestern University of Finance and Economics School of Economic Information Engineering,Chengdu 611130,China)

Abstract:With the multimedia technology and network technology and the rapid development and wide application,image,audio,video and other multimedia content protection is an urgent need for the problem..Digital watermarking is multimedia copyright protection and effective way to ensure the integrity of the information,the information is also becoming a hot topic in the field,at home and abroad has aroused extensive attention.

Keywords:Digital watermarking;Watermarking technology;Algorithm

一、数字水印概念

数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。

嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：隐蔽性、隐藏位置的安全性、鲁棒性。

二、数字水印的分类

（一）按特性划分。按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

（二）按水印所附载的媒体划分。按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

（三）按检测过程划分。按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。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钥，不需要原始数据。

（四）按内容划分。按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。

（五）按用途划分。不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印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。

三、数字水印的三个研究层次

（一）基础理论研究。数字水印基础研究的目的是建立数字水印的理论框架，解决水印信量分析、隐蔽性描述等基本理论问题。在认知科学和信号处理理论的基础上，充分借鉴密码学的成果，可以建立数字水印技术的理论框架，分析数据量与隐蔽性之间的关系，使得在给定需要保护的数据后，有一套可靠的标准来选择水印方案，并能综合评判各种数字水印算法的优劣。

（二）应用基础研究。应用基础研究的主要方向是针对图像、声音、视频等多媒体信号，研究相应的水印隐藏与解码算法，以及能抵御仿射变换、滤波、重采样、色彩抖动、有损压缩的鲁棒数字水印技术。

（三）应用研究。应用研究以水印技术的实用化为目的，研究各种标准多媒体数据文件格式的水印算法。水印应用研究特别要面向Internet上广为使用的各种数据文件，包括JPEG压缩图像、MPEG2压缩视频、WAV音频文件、AVI及三维动画文件、PDF标准文本、voice mail l等多媒体邮件格式。票据防伪也是数字水印的一个重要应用领域，各种防伪票据水印的研究也不容忽视。

四、典型算法

（一）最低有效位算法（LSB）。LSB算法使用特定的密钥通过m序列发生器产生随机信号，然后按一定的规则排列成2维水印信号，并逐一插入到原始图像相应像素值的最低几位。由于水印信号隐藏在最低位，相当于叠加了一个能量微弱的信号，因而在视觉和听觉上很难察觉。

（二）Patchwork算法。Patchwork数字水印隐藏在特定图像区域的统计特性中，其鲁棒性很强，可以有效地抵御剪切、灰度校正、有损压缩等攻击，其缺陷是数据量较低，对仿射变换敏感，对多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。

（三）纹理块映射编码。纹理块映射将水印信息隐藏在图像的随机纹理区域中，利用纹理间的相似性掩盖水印信息。该算法对滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但需要人工干预。

（四）文本微调算法。文本微调算法用于在PS或PDF文档中隐藏数字水印，主要是通过轻微改变字符间距、行间距和字符特征等方法来嵌入水印。这种水印能抵御攻击，其安全性主要靠隐蔽性来保证。

（五）DCT变换域数字水印算法。DCT变换域数字水印是目前研究最多的一种数字水印，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的特点。其主要思想是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息。

（六）直接序列扩频水印算法。扩频水印算法是扩频通信技术在数字水印中的应用。将待传递的信息通过扩频码调制后散布于非常宽的频带中，使其具有伪随机特性。收信方通过相应的扩频码进行解扩，获得真正的传输信息。

五、结论

今后数字水印的技术研究将侧重于完善数字水印理论、提高数字水印算法的稳健性、安全性、研究其在实际网络中的应用及建立相关标准等方面。数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到重要的作用，但并非万能，必须配合密码学技术及认证技术、数字签名或者数字信封等技术一起使用。

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针对以上情况，数字水印技术被提出且被认为最有希望成为“信任系统”的补充。数字水印技术是将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频、音频等多媒体数据中，这种特殊的信息即数字水印永久地和多媒体数据结合在一起。与加密技术不同，这种技术对原数据基本上不作改变。 水印标明数据的所有者、日期、权限等信息，就像产品的商标一样。因而，水印可用于标题说明、数据鉴别、保密通信和版权保护等，根据不同的目的，水印包含的信息不同。

2．数字水印技术的框架

目前，数字水印技术仍没有统一的标准。本文以图像数据为例，其一般原理同样适用于其它多媒体数据。图 1、图2、图3 分别示出了数字水印技术涉及的三个过程：水印的加入、通信、水印检测。

图 1 水印生成及加入过程

图 1 可分成 C1、C2 两个过程。原始图像 I 和版权信息S通过 C1运算生成水印W ,掩蔽 M 、关键字 K 和原始图像 I 通过 C2 运算过程生成含水印的图像 I’。关键字 K的作用有二，一是保密性：K仅为授权部门所知；二是指定加入水印的位置，掩蔽 M 的目的是利用HVS(人的视觉系统)特性，加入尽可能强的水印信号到原始图像 I 中，以便提高水印的健壮性。

图像 I’ 在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰而变形成图像 I” ,这一过程可用通信领域的通信信道来表示。如图 2。

图2 水印通信

水印检测可分为水印提取和验证。提取过程是利用关键字 K 从变形的图像I” 中通过E1运算提取出可能的水印 W’ ，这一过程有可能利用原始图像 I；验证是将W’和W作相似性比较，比较过程用sim(W,W’) 表示，如结果满足一定条件，比如 sim(W,W’)≈1,可认为图像 I” 中含水印W, 这一结果可用作版权的证据，因而能确定出图像 I” 的所有者　，如图3 表示。

图3 水印检测与验证

3．数字水印的种类

对于数字图像来说，水印技术就是通过改变图像数据的值来加入水印，根据加入方法不同，水印技术分成：时域法和频域法。

时域法直接改变图像元素的值，一般是在图像元素的亮度或色带中加入调制的水印信号。

频域法利用某种数学变换，将图像用频域表示，通过改变图像的某些频域系数来加入水印，然后利用反变换生成含水印的图像，常用的数学变换有离散傅立叶和离散余弦变换。

数字水印技术的要求

针对不同的应用，水印的要求不同或者强调的重点不同，一般来说，水印应具有：

不可感知性。水印技术的首要条件是加入水印的图像和原始图像基本上相同，即水印是看不见的，图像的质量不因水印的加入有明显的改变，否则将影响图像的商业价值。 （2）健壮性。加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰，水印技术必须能抵抗低通滤波、变形、边缘增强、抖动、剪切、扫描、有损压缩、A/D、D/A转换等信号处理。另外，水印技术还应能抵御各种有意的破坏，它们包括移去水印和使水印无法提取。

（3）安全性。即使水印算法公开，它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。

（4）隐藏能力。它是指在不影响图像质量的前提条件下，能加入水印的信息量。为了加入足够的版权信息来作为合法证据，水印算法应有合理的隐藏能力。

不难分析出，某些要求之间存在冲突，比如不可感知性和健壮性、隐藏能力和不可感知性，增加一方必然会降低另一方。实际上，水印技术的一个重要方面是研究如何折衷这些要求。

5．扩频技术及其在数字水印技术中的应用

数字水印技术的研究大约始于1994年，早期的算法强调水印的不可见性而忽视水印的健壮性，这些算法的理论基础主要源自统计学和图像编码、处理领域。扩频技术的运用标志着水印技术的重大进步。扩频技术起源于通信系统，最早只是用于军用通信系统、制导系统等军用系统，它的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。香农（Shannon）在其信息论中得到有名公式：

C=Wlog2(1+S/N)。 (1)

式中 C 表示信道容量，W 是信道带宽，N 是噪声功率，S 是信号功率。香农公式表明了一个无误差地传输信息的能力同存在与信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。

令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息，对式（1） 换成以 e 为底的对数

C/W=1.44loge(1+S/N) (2)

对于干扰环境的典型情况，S/N<<1,对上式用幂级数展开，略去高次项得

C/W=1.44S/N (3)

通过上述的分析可得出一个重要结论：对于给定的信道容量 C 可以用不同的带宽 W 和信噪比 S/N的组合来传输信息。如减少带宽则必须发送较大的信号功率；如有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率（较小的 S/N）来传送，这表明宽带系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量是，常用宽带系统改善通信质量，使信号在强干扰情况下，仍然可以保持可靠通信。

扩频技术是一种信息处理技术，它是利用同欲传输数据（信息）无关的扩谱码对被传输的信号扩展频谱，使之远远超过被传输信息所必需的带宽，在接收机中采用相同的解扩和恢复数据。

由于扩谱码的随机性；扩谱信号的宽带性，扩频系统具有以下特点：

（1）扩谱信号是不可预测的伪随机的宽带信号，扩频系统具有很高的抗干扰能力，因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同扰信号不匹配的干扰技术。

（2）扩谱信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以至被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。因此，扩频系统具有低截获率性。

（3）扩频系统具有良好的码分多址通信能力，对不同的用户使用不同的码，别人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。

以上特点对数字水印技术特别有用,在数字水印技术中,将原始数据的频域看作通信信道 C ,水印看作将通过 C 的信号 S ,各种有意、无意的干扰看作噪声 N。利用扩频技术原理，将水印分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测。然而，水印检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系数中，但是，破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降。

只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被看见或听到。而且，利用人的掩蔽效应可以增加加入水印信号的能量。

因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的健壮性和安全性。第一，水印的位置不明显且水印的值具有随机性；第二，频域区域的适当选择，使得有意、无意破坏水印的同时也破坏了原数据。

6．以下是利用扩频技术的一个典型方案。

NEC 研究所的科学家提出了扩频编码的水印方案，水印是由一实数序列 X=x1,x2.....xn构成，xi (i=1,2,....n) 是根据正态分布 N(0,1) 独立选取的。为了将长度为 n 的水印加入到一幅 NxN 的图像中，对此图像进行 NxN DCT 变换。假设，图像的时域用 f(x,y)表示,频域用 F(u,v) 表示。以下是二维 DCT 及反DCT表示式 ：

for 及其反变换 ：

for ,

for

for

直流系数DC 是

，, for 为交流系数。

从 NxN 变换矩阵中选取 n 个最大值交流系数，用水印 X=x1,x2,...xn 改变这 n 个系数的值，对改变的 NxN DCT 进行反变换 IDCT 得到含水印的图像。

这种方案唯一的关键字是水印本身 。不过，如从 m 个系数中选取 n (m>n)个系数，选取的不同引入了另一个关键字。假设被选中的系数为 V=v1,v2,...vn ,用水印 X=x1,x2....xn以非线性的方式改变V 得到：V’(v1’,v2’....vn’)=V(1+aX)。强度因子 a 决定改变的程度。水印提取需要利用原始图像，验证过程是通过以下公式计算提取水印 W’ 和原水印 W 的相似性来确定是否存在水印。

参考文献

<<通信新技术续篇〉〉北京邮电大学出版社 陈法荣 1997.1 《CDMA 扩频通信原理 〉〉人民邮电出版社 [美]A.J.维比特 1995.2

3.[BGM95] W.Bender, D.Gruhl, N.Morinoto," Techniques for data hiding", Proceedings of the SPIE, 2420:40, San Jose, CA, USA, Feb.1995.

4.[Cha92] S.-F. Chang, Video Compositing in the DCT Domain, I.E.E.E. International Workshop on Visual Signal Processing and Communications (VSPC-92)