數字水印

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數字水印(Digital Watermark)

　　數字水印是永久鑲嵌在其他數據(宿主數據或載體數據)中具有可鑒別性的數字信號或模式，而且並不影響宿主數據的可用性。

　　數字水印技術(Digital Watermarking)是一種信息隱藏技術，它的基本思想是在數字圖像、音頻、和視頻等數字產品中嵌入秘密信息，以便保護數字產品的版權、證明產品的真實可靠性、跟蹤盜版行為或者提供產品的附加信息。其中的秘密信息可以是版權標誌、用戶序列號或者是產品相關信息。一般它要經過適當變換再嵌入到數字產品中，通常稱變換後的秘密信息為數字水印(DigitalWatermark)。

　　作為保護版權用數字水印需要滿足以下四點基本要求：

　　1.魯棒性(Robustness)：數字水印必須難以(最好是不可能)被除去，試圖除去或破壞數字水印應導致水印文本嚴重的降質而不可用。

　　2.隱蔽性(Invisibility)：數字水印應是不可見的，即水印的存在不應明顯干擾被保護的數據，不影響被保護數據的正常使用。

　　3.安全性(Security)：數字水印中的信息應是安全的，難以被篡改或偽造，只有授權方可以進行水印的檢測。

　　4.盲檢測性(Blinddetection)：水印檢測過程不需要原始的、未嵌人水印的載體信息。這一方面簡化了水印的檢測，另一方面則是為了加強水印的安全性。

　　(一)選擇水印技術

　　目前不可見水印主要研究魯棒性水印理論與演算法。影響水印魯棒性的主要是水印構造和內嵌策略。構造水印信號是水印演算法的首要步驟，針對人類視覺系統對紋理的極高敏感性，構成水印的序列應該具有不可預測的隨機性和與雜訊相同的特性。根據嵌入的水印是否有特定含義可分為無意義水印和有意義水印。無意義水印可採用高斯白雜訊序列和偽隨機序列。高斯白雜訊序列是一種滿足均值為、方差為的正態分佈。偽隨機序列具有類似白雜訊的性質——周期性和規律性，可以人為地加以生產和複製。選取具有特定含義的有意義水印信號，因其不是隨機信號，在載體中內嵌水印信號前要先進行預處理(如加密、置亂等)，使之成為具有良好隨機性的偽隨機信號。Cox等指出，由隨機序列構成的無意義水印能夠達到很好的魯棒性。而用於版權保護的水印信號最好是二值圖像或灰度網像等有意義水印。

　　(二)嵌入水印技術

　　水印的嵌入是將水印信號嵌入到宿主圖像中得到的圖像。內嵌水印的圖像與宿主圖像從視覺上不能有明顯差別。水印的嵌入是水印方案中的核心部分，它主要分為兩個方面：

　　1.選擇嵌入區域

　　根據水印信號嵌入圖像的方式，數字水印嵌入的區域分為空域技術和變換域技術。

　　空域技術是直接在信號空間上內嵌水印信息。該演算法實現簡單，但其嵌入的信息量少、魯棒性差，早期的水印採用這種演算法，現在多和其他技術配合使用。

　　變換域技術是在內嵌水印前先對圖像進行某種可逆的數學變換，通過修改變換域的某些繫數值來內嵌水印，然後進行逆變換得到內嵌水印的圖像。研究人員普遍認為在變換域中內嵌水印有利於不可感知性，並且變換域水印比空域水印具有更好的穩健性，因而近年來的數字水印演算法多集中於變換域技術。

　　目前數字水印研究領域中技術還有擴頻和量化，很多數字水印的研究都基於這兩種技術。同時生理模型也是數字水印研究領域中的主要技術。根據人類的感知系統特征，生理模型包括人類視覺系統模型(HVM)和人類聽覺系統模型(HAM)。利用生理模型可以確定在圖像或聲音等原始數據的各部分所能嵌入的最大水印強度，在此強度下水印信號不能被視覺系統或聽覺系統感知。如依據人類視覺系統的研究，背景的亮度越高，紋理越複雜，人類視覺對其輕微的變化就越不敏感。應該儘可能地將水印嵌入到圖像中人類視覺不敏感的部位。生理模型的引入提高了水印演算法的透明性和魯棒性，在研究魯棒性水印中很有發展前景。

　　2.選擇嵌入模型

　　在變換域中內嵌水印的效果要比空間域好，目前大多數數字水印嵌入模型多採用x’=x+αw(加法準則)和x’=x(1+αw)(乘法準則)。用這兩種方式內嵌水印，提取水印時不能用盲檢測技術。盲檢測技術能夠快速、自動實現，應用廣泛。要採用盲檢測技術，可根據典型的演算法構造嵌入模型。

　　(三)提取水印技術

　　水印提取是水印框架中最重要的部分，無論是水印生成演算法，還是水印嵌入演算法，最終要以能否正確可靠地提取水印為依據。根據數字水印提取時輸入和輸出的不同劃分為非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印在檢測時至少需要原始圖像(有時還需要原始水印)，非盲檢測可以從待檢測圖像中提取水印，也可以利用概率統計的方法判斷水印是否存在；半盲水印在檢測時不需要原始圖像，但需要原始水印，一般是利用概率統計的方法判斷水印是否存在；盲水印在檢測時不需要原始圖像和原始水印，它是從內嵌水印的圖像中提取水印。非盲檢測技術和半盲檢測技術需要原始圖像或原始水印的參與，給檢測帶來了不便，同時不能抵制IBM攻擊；而盲檢測技術，南於不需要原始圖像和原始水印的參與，是現在水印研究的熱點。

　　(四)檢測水印技術

　　水印檢測是數字水印技術中最為關鍵也最為複雜的技術之一，其檢測方法一般分為兩種：

　　1.提取並重建水印

　　這種方法只適用於圖像水印信號。因為圖像水印在提取後可直觀地表達版權信息，從而直接判斷版權的歸屬。

　　2.用概率統計的方法檢測

　　偽隨機信號不能直觀表達版權信息，只能通過慨率統計的方法檢測水印。概率統計適蹦於偽隨機信號，也適用於圖像水印。包括兩種方法：

　　一種是利用假設檢驗判斷是否存在水印。利用統計學中的假設檢測，構造假設檢驗統計量，通過計算該統計量的值得到是否存在水印的判斷，比較典型的有patchwork演算法。

　　另一種利用相關檢驗(相似性檢測)判斷是否存在水印，它是目前水印檢測中最常用的方法。將提取的水印信號和原始水印信號作相關運算，或直接使用原始水印信號與待檢驗圖像進行相關運算，判斷待檢測圖像中是否存在參與運算的原始水印。其中包含種檢驗方法：第一種方法是提取信號和原始水印作相關運算(或使用待檢測圖像與原始水印作相關運算)。先設定一檢測閾值，此值可通過理論分析或實驗確定，若相關檢測值大於閾值，則待測圖像中存在此水印，否則不存在。第二種方法是利用檢測響應圖判斷水印信號是否存在。選擇包括正確信號在內的若幹個(一般為1000以上)獨立的隨機信號，作相關檢驗，正確信號的響應遠遠大於其餘信號的響應，從而判斷水印信號是否存在。第i種方法是採用位錯誤率度量方法。在檢測有含義的二值水印圖像時，多採用位錯誤率的度量方法，若提取的水印與原始水印對應位置的值相同，則結果為1，否則為0。即用正確比特數占總比特數的百分率來考量。百分率越大，則表明提取的水印與原始水印越相似。

　　1.數字作品的知識產權保護。數字作品(如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫)的版權保護是當前的熱點問題。由於數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不採用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標誌，而這種明顯可見的標誌很容易被篡改。“數字水印”利用數據隱藏原理使版權標誌不可見或不可聽，既不損害原作晶，又達到了版權保護的目的。目前，用於版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其“數字圖書館”軟體中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟體中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然麗實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。

　　2.商務交易中的票據防偽。隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光印表機和高精度彩色複印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網路安全技術成熟以後，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標誌，從而大大增加了偽造的難度。

　　3.證件真偽鑒別信副急藏技術可以應用的範圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由於缺少有效的措施，使得“造假”、“買假”、“用假”成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿製和複製。

　　4.聲像數據的隱藏標識和篡改提示數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經／緯度等。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程式才可以讀取。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像資料庫所採用。此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到“移花接木”而不為人知，因此，如何防範對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。基於數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。