數字水印技術(shù)

26福建電腦2005年第10期數字水印技術(shù)劉云冰(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，潮北武汊430081)[摘要]數字水印是近幾年來(lái)出現的數字產(chǎn)品版權保護技術(shù),是當前國際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。文中論述了如下幾個(gè)問(wèn)題:(1)數字水印的典型算法;(2)數宇水印的分類(lèi);(3)數字水印的主要應用領(lǐng)城;(4)數字水印的研究現狀;(5)數字水印的發(fā)展方向。[關(guān)鍵詞]數字水印;版權保護 ;算法1數宇水印技術(shù)概述o'=o+ax;(2)隨著(zhù)計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展,信息媒體的數字化使v'=(1+ax; )u;信息的準確獲取、存儲、傳輸、復制變成了一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程,人們o'=o, (e=)(4借助于計算機掃描儀、打印機等電子設備,可以方便快捷地將注意式(2)是可逆的,而式(3)和(4)僅當o≠0時(shí)才可逆。數字信息傳達到世界各地。如何防止數字化信息被非法侵權、盜Cox方案植入的水印是不可見(jiàn)的、魯棒的,在提取水印時(shí)需版和惡意篡改, e成為一個(gè)迫在眉睫地現實(shí)問(wèn)題。近幾年國際上要 原始圖像。此外,在判斷水印是否存在時(shí)需要原始水印(或者提出了數字信息產(chǎn)品版權保護和數據安全維護的新型技術(shù)一是 原始水印的隨機數序列生成時(shí)所使用的種子),依靠判斷其相數字水印技術(shù)。它可以標識作者、所有者、發(fā)行者、使用者等,并近程度來(lái)得到答案。攜帶有版權保護信息和認證信息，目的是鑒定出非法復制和盜2.2 Pitas方法叫用的產(chǎn)品,作為密碼學(xué)的加密或置亂技術(shù)的補充，保護數字產(chǎn)品核心算法:假設- -個(gè)大小為NxM的圖像1,加人水印s之后的合法拷貝和傳播。變換成為圖像Is,圖像I如下定義:2數字水印技術(shù)的典型算法1ly .(1,.41, 00,-1,且x .(.01,._1]1 (5)數字水印方案包含三個(gè)基本要素:數字水印本身的結構、加其中L-1為像素的最大灰度載(插入)數字水印的地方或者說(shuō)加載數字水印的策略和數字水水印S如下定義:印的檢測。水印的結構一般包括兩部分,一是水印所含的具體信S=lσm ,ne 1,.,-1, (1,-M-1LIs_ e(0,1}(6)息,如版權所有者使用者等信息,二是偽隨機序列或類(lèi)噪聲序其中s中元素為0的數目與元素為I的數目相等。列以標識水印的存在與否。大多數數字水印方案的水印結構僅把1分成2部分: A=[xmelsn=1)(7)包括其中之一,這和數字水印的實(shí)現方法及使用場(chǎng)合有關(guān)。而數B=(xm∈l,$ =0}(8)字水印的具體檢測方法相對較少且簡(jiǎn)單,通常都采用直接檢測給 A中的每個(gè)元素加一一個(gè)正整數因子k,得到:或相關(guān)檢測方法,也有采用最大后驗概率檢測的數字水印方案。C:C={x. .el,xomeA }(9)數字水印算法的性能相當程度上取決于所采用的加裁(插人)策則得到加入水印的圖像l: I=CUB(10)略及方法,目前數字水印技術(shù)的研究主要集中在這一-領(lǐng)域。用a6,c,表示集合A,B,C中元素的平均值,用sgSus.表示樣2.1 Cox方法購本方差。Cox方法是IngemerJCox于1995年提出的發(fā)散譜(spread3數字水印技術(shù)分類(lèi)網(wǎng)spectum)算法,是變換域(也叫頻率域)水印算法的代表。其原理3.1 從數字水印的實(shí)現算法(即加載方法)分類(lèi),數字水印可分為是通過(guò)時(shí)頻分析,在數字圖像的頻率域上做修改,使修改后的系空 間城數字水印和變換域數字水印兩大類(lèi)。數隱含數字水印的信息。這類(lèi)方法較好地利用了人類(lèi)視覺(jué)系統較早的數字水印算法從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是空間城上的,數字水的特性，水印信息經(jīng)過(guò)一定的調制過(guò)程隱藏于數字圖像感知比印直接加裁在數據 上?；谧儞Q域的技術(shù)可以嵌人大量比特數較重要的頻譜部分，從而可以抵抗有損壓縮和其他數字圖像處據而不會(huì )導致可察覺(jué)的缺陷，往往采用類(lèi)似擴頻圖像的技術(shù)來(lái)理操作。隱藏數字水印信息。這類(lèi)技術(shù)一般基于常用的圖像變換,基于局在Cox方法中,提倡水印應該是獨立的、均勻分布的Gauss部或是全部的變換,這些變換包括離散余弦變換([CT).小波變隨機數序列,并將之植人類(lèi)發(fā)散譜方式中的最有意義的譜部分。換(wT). 付氏變換(FT或FFTD)以 及哈達馬變換(Hadamard trans-這里所討論的水印植人策略對信號處理操作(如有損壓縮、濾form)等等。 其中基于分塊的DCT是最常用的變換之- ,現在所波、D-A和A-D轉換.重量化等)和通用的幾何變換(如裁剪、采用的靜止圖像壓縮標淮JPEG也是基于分塊DCT的。放縮、平移和旋轉等)是魯棒的,其算法需要提供原始圖像和原3.2 從外觀(guān)上分類(lèi),數字水印可分為兩大類(lèi),即可見(jiàn)數字水印和始水印sGauss噪音的引人,提高了算法針對多文檔、共謀和攻擊不可 見(jiàn)數字水印。更淮確地說(shuō)應是可察覺(jué)數字水印和不可察覺(jué)的有效性。數字水印,這是對圖像而言,通常,我們采用上述提法來(lái)概括所水印植人過(guò)程的描述:從文檔D中提取-些值序列V=加s有媒體 上的數字水印。.選揮一個(gè)水印Xx=x"x。按照X修改V得到V'=o' o'可見(jiàn)數字水印，最常見(jiàn)的例子是有線(xiàn)電視頻道上所特有的...,",將之放回到文檔D中得到D'。攻擊者修改D'得到D',由半透明標識(logo),其主要目的在于明確標識版權,防止非法的D°和D' ,依照提取檢測水印算法,可能提取出一個(gè)修改后的水使用中國煤化工現覺(jué)上不可見(jiàn)，目的是為印x",把它和X做比較,判斷水印的正確性:了將二號,以增加起訴非法使用sim(Xr,X)=- X-x(1)者的感YHCN M H G權。不可見(jiàn)數字水印根Vx.X據穩健性可再細分為穩健的不叮見(jiàn)數字水印(invisible--robust若sim(X',X)接近1,說(shuō)明有水印。digital walermark)和脆弱 的不可見(jiàn)數字水印inisibe-rgile dig在植入X到V中生成V'的過(guò)程中，定義- -個(gè)比例因子a，ital watemmark)。通常取值范圍為[0.1 ,0.2]?？梢赃x用如下3種方法計算V':3.3從加載方法是否可逆上分類(lèi),大致可分為可逆數字水印、半2005年第10期福建電腦27可逆數字水印、非可逆數字水印三類(lèi)。目前國內最主要根據不同的算法給出相應的圖像水印技3.4從檢測方法上分類(lèi),可分為秘密和公開(kāi)數字水印、私鑰和公術(shù),其中包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分類(lèi)的數字水印算法、基于離散余弦鑰數字水印方案。變換的數字水印算法、基于維納濾波的數字水印算法、基于離散3.5按載體分類(lèi),可分為靜止圖像水印、視頻數字水印聲音數字小波 變換域的圖象水印技術(shù)等等,尤其集中在小波變換居多,并水印、文檔數字水印等等。且大多采用多變換的組合,例如:基于小波與余弦變換的組合、4數字水印技術(shù)的應用與研究現狀基于多小波等等。4.1主要應用領(lǐng)域5數字水印技術(shù)的發(fā)展方向(1)版權認定與保護即數字作 品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一由于數字水印技術(shù)是近幾年國際學(xué)術(shù)界才興起的一個(gè)前沿個(gè)水印，并將其嵌人原始數據,然后公開(kāi)發(fā)布他的水印版本作研究領(lǐng) 城,處于發(fā)展的初級階段,并迅速發(fā)展著(zhù),因此掌握其發(fā)品。當該作品被盜版或出現版權糾紛時(shí)，所有者即可從盜版作品展方向對 于指導數字水印的研究有著(zhù)重要的現實(shí)意義?；蛩“孀髌分蝎@取水印信號作為依據，從而保護所有者的權5.1 算法分析益。對這種應用領(lǐng)域來(lái)說(shuō),水印技術(shù)必須有較好的魯棒性、安全通過(guò)對現有數字水印算法的魯棒性安全性、抗攻擊性等特性透明性和水印嵌人的不可逆性。性的研究,并結合數字信號處理技術(shù),尋找出它們之間的關(guān)系,(2)加指紋為避免未經(jīng)授權的拷貝制作和發(fā)行.出晶人可從而發(fā)現更加好的數字水印技術(shù)。以將不同用戶(hù)的ID或序列號作為不同的水印(指紋)嵌人作品的5.2 基于特征的數字水印技術(shù)合法拷貝中,一且發(fā)現未經(jīng)授權的拷貝,就可以根據此拷貝所恢因基于統計特征的數字水印技術(shù)容易受到非線(xiàn)性等變換方復出的指紋來(lái)確定它的來(lái)源。對這種應用領(lǐng)城來(lái)說(shuō),水印技術(shù)除法的攻擊， 而基于特征的數字水印技術(shù)如基于邊界信息的數字具有版權保護應用中的特性外,還必須具有防止串謀攻擊(多拷水印技術(shù)等則具有較好魯棒性,因此可能成為今后的研究重點(diǎn)。貝攻擊)等功能。5.3公鑰數字水印系統(3)標題與注釋即將作品 的標題注釋等內容(如,一幅照即使用一個(gè)專(zhuān)有的密鑰來(lái)疊加水印信號,而任何人均可通片的拍攝時(shí)間和地點(diǎn)等)以水印形式嵌人該作品中,這種隱式注過(guò)一個(gè)公開(kāi)的密鑰來(lái)檢測出水印信號，但是用公開(kāi)的密鑰來(lái)推釋不需要額外的帶寬,且不易丟失。導專(zhuān)有密鑰和用公開(kāi)的密鑰來(lái)去除水印信號這兩個(gè)過(guò)程都非常(4)篡改提示當數字作品被用于法庭 、醫學(xué)、新聞及商業(yè)困難。目前,該領(lǐng)域還未取得突破性進(jìn)展。時(shí),常需確定它們的內容是否被修改、偽造或特殊處理過(guò)。為實(shí)5.4數字水印代理(Agent)現該目的,通?？蓪⒃紙D像分成多個(gè)獨立塊,再將每個(gè)塊加入其核心思想是將數字水印技術(shù)與TSA (Trusted spting a不同的水印。同時(shí)可通過(guò)檢測每個(gè)數據塊中的水印信號,來(lái)確定gen)相結合 。這種數字水印代理在網(wǎng)絡(luò )上的服務(wù)器之間漫游,扮作品的完整性。與其他水印不同的是.這類(lèi)水印必須是脆弱的，演著(zhù) 基于數字水印檢測、驗證和追蹤非法拷貝的偵探角色。并且檢測水印信號時(shí),不需要原始數據。6結語(yǔ)(5) 使用控制這種應用的一 -個(gè)典型的例子是DVD防拷貝數字水印技術(shù)是一種橫跨圖像處理、信號處理、聲音處理、系統,即將水印信息加入DVD數據中,這樣DVD播放機即可通 數字通信、密碼學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò )等多學(xué)科的新興技術(shù),具有很大過(guò)檢測DVD數據中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性.從的潛 在商業(yè)和軍事價(jià)值,因此對它的研究具有重要的學(xué)術(shù)和經(jīng)而保護制造商的商業(yè)利益。濟價(jià)值。4.2國內研究現狀參考文獻[1] Ingemar J CoxJoe Kilin,F Thomson Leighton,Talal Shamoon. 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