数字水印基本原理

从载体上分类
音频水印
目的：保护MP3、CD、广播电台的节目内容等
原理：利用音频文件中的冗余信息和人类 听觉系统的特点来加载水印。 四种基本方法：低比特位编码方法，相位 编码方法，扩频嵌入法和回声隐藏法。
从载体上分类
软件水印
是镶嵌在软件中的一些模块或数据，通过 它们证明该软件的版权所有者和合法使用 者等信息 软件水印分为静态水印和动态水印两类
数字水印的特点
不可感知性
从感观上和统计上都不可感知
稳健性
数字水印应该难以被擦除，任何试图完全破坏 水印的努力将对载体的质量产生严重破坏 好的水印算法应该对信号处理、几何变形、恶 意攻击等具有稳健性
目前的大部分水印算法对集合失真处理都 非常脆弱，水印容易被擦除。几何失真包 括图像尺寸大小变化、图像旋转、裁剪、 删除或添加等。
静态水印：不依赖于软件的运行状态，可以在 软件编制时或编制完成后被直接加入 动态水印：依赖于软件的运行状态，通常时在 一类特殊的输入下才会产生，水印的验证也是 在特定的时机下才能完成
从载体上分类
文档水印
目的：确定文档数据的所有者
方法：利用稳文档所独有的特点，水印信 息通过轻微调整文档中的行间距、字间距、 文字特性（如字体）等结构来完成编码。
数字水印的性能评价
不可感知性 对载体的破坏程度 主观评价 客观评价 水印容量、可感知性、健壮性三者之间 的平衡
ITU-R Rec.500图像质量度量
等级级别 损 害 质 量
5 4 3 2 1
不可察觉 可察觉，不让人厌烦 轻微的让人厌烦 让人厌烦 非常让人厌烦
优 良 中 差 极差
客观失真度量
差分失真度量
σb =
b
2
~ )2 / ∑ (σ b − σ b
b
1 ∑ p x2, y n 块b
1 − ∑ p x , y n 块b
2
直方图相似性
HS = ∑ f I (c ) − f I~ (c )
c =0
255
数字水印的应用
版权保护、数字指纹、认证和完整性校验、 内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保 护、安全不可见通信等
2
客观失真度量
相关失真度量
2 ~ / NC = ∑ p x , y p x , y ∑ p x , y x, y x, y
归一化互相关
相关质量
CQ = ∑ p x , y ~ x , y / ∑ p x , y p
x, y x, y
客观失真度量
其它
全局西格马信噪比
GSSNR = ∑ σ b
其中，
提取原始水印：如文字、徽标 0-1判决：判定水印存在与否
ˆ W = D( I W , I , K )
W存在 1, C (W , W , K , δ ) = 0， W不存在
∗
∗
数字水印的分类
从载体上分类 从外观上分类 从加载方式上分类 从检测方法上分类 从水印特性上分类 从使用目的上分类
从载体上分类
变换域水印（变换的过程中添加水印）
DCT变换，小波变换，傅立叶变换，FourierMellin Mellin变换或其它变换
从检测方法上分类
私有水印和公开水印
私有水印（非盲水印）：水印检测时需要 原始载体 公开水印（盲水印）：水印检测时无需原 始载体
私钥水印和公钥水印
私钥水印：水印加载和检测使用同一密钥 公钥水印：水印加载和检测使用不同的密 钥（同密码学中的公钥密码）
水印加载模型
设 I 为数字图象，W 为水印信号，K 为密 钥，处理后的水印为 ~ W = F ( I ,W , K ) 水印嵌入过程：设水印嵌入函数 E ，原始 ~ 图象 I 和水印 W ，嵌入水印后的图象为
IW
~ = E (I ,W )
水印提取模型
水印提取过程：设水印提取函数 D ，水印 提取的两种形式：
x, y
(

p
) / ∑ (∇
2 x, y
2
p x, y
)
2
2 2 SNR = ∑ p x , y / ∑ ( p x , y − ~ x , y ) p x, y x, y
PSNR = XY max p x , y / ∑ ( p x , y − ~ x , y ) p
2 x, y x, y
从加载方式上分类
数字水印算法的性能（如安全行、不可感 知性、可证明性和健壮性等）在相当大程 度上取决于所采用的水印加载方法。根据 水印的加载方法的不同，可以分为两大类： 空间域水印算法和变换域水印算法。
从加载方式上分类
空间域水印（水印直接加载在载体数据上）
LSB（最低有效位）方法，利用原数据的最低 几位来隐藏信息 拼凑方法（在图像中随机选择N对像素点（ai,bi) ,然后所有的ai点亮度加1，bi点亮度减1） 文档结构微调方法 （微调行间距、字间距等）
从外观上分类
可见水印（可察觉水印）
如电视节目上的半透明标识，其目的在于 明确标识版权，防止非法的使用，虽然降 低了资料的商业价值，却无损于所有者的 使用
不可见水印（不可察觉水印）
水印在视觉上不可见，目的是为了将来起 诉非法使用者。不可见水印往往用在商业 用的高质量图象上，而且往往配合数据解 密技术一同使用
标准
真正起到数字版权管理的作用，还需要完善一 系列的标准和协议
特别注意：
目前数字水印技术不如密码技术那样成熟、 可供信赖。很多时候，数字水印必须配合 密码学技术以及认证技术、数字签名技术 或者数字信封技术等一起使用。一个使用 的数字水印方案必须有这些技术的配合才 能抵抗各种攻击，构成完整的数字水印产 品版权保护方案。
从水印特性上分类
健壮性数字水印
要求水印能够经受各种常用的操作，包括无意的或恶 意的处理 只要载体信号没有被破坏到不可使用的程度，都应该 能够检测出水印信息
脆弱性数字水印
要求水印对载体的变化很敏感，根据水印的状态来判 断数据是否被篡改过 特点：载体数据经过很微小的处理后，水印就会被改 变或毁掉 主要用于完整性保护 与稳健性水印的要求相反
平均绝对差分 均方误差
AD = 1 XY
∑p
x, y
x, y
x, y
− ~ x, y p
2 − ~ x, y ) p
1
MSE =
1 XY
∑ (p
x, y
Lp －范数
拉普拉斯均方误差 信噪比 峰值信噪比
1 Lp = XY
∑
x, y
p x, y − ~x , y p
p
LMSE = ∑ ∇ 2 p x , y − ∇ 2 ~ x , y p
从使用目的上分类
版权标识水印
基于数据源的水印 水印信息标识作者、所有者、发行者、使 用者等，并携带有版权保护信息和认证信 息，用于发生版权纠纷时的版权认证，还 可用于隐藏标识、防拷贝
数字指纹水印
基于数据目的的水印 包含关于本件产品的版权信息，以及购买 者的个人信息，可以用于防止数字产品的 非法拷贝和非法传播
数字水印的定义
数字水印
对数字产品标识真伪
数字图书馆、网络音频和视频、数字地图等
数字水印是永久镶嵌在其他数据（宿主数 据）中具有可鉴别性的数字信号或模式， 并且不影响宿主数据的可用性
数字水印的特点
安全性
数字水印难以被发现、擦除、篡改或伪造，同 时，要有较低的虚警率
可证明性
数字水印应能为宿主数据的产品归属问题提供 完全和可靠的证据
数字水印的应用
版权保护：表明对数字产品的所有权 数字指纹：用于防止数字产品被非法复制 和散发 认证和完整性校验：验证数字内容未被修 改或假冒 内容标识和隐藏标识：多媒体内容检索 使用控制：控制复制次数 内容保护：保护内容不被滥用
数字水印的研究方向
理论
数字水印模型、隐藏容量、抗攻击性能等
算法
研究具有更高性能的水印算法
（静止）图像水印
图像是使用最多的一种多媒体数据，也是 经常引起版权纠纷的一类载体
原理：主要利用图像中的冗余信息和人的视觉特 点来加载水印。 方式：利用彩色/灰度图像，卡通，设计图，二值 图像（徽标、文字），等
从载体上分类
视频水印
目的：保护视频产品和节目制作者的合法利益 嵌入原理： 1. 视频可以看作是由多个静止图像帧组成，因此适用于 静止图像的水印算法也可以用于视频水印。 2. 直接从视频数据入手，找出视频数据中对人眼视觉不 敏感的部位进行水印嵌入。 效果： 方法2比较有效。因为视频的数据量非常大，通常采用压 缩编码技术，因此，在每一帧静止图像中隐藏的水印 信息将大部分被压缩掉了。
数字水印三要素
水印本身的结构
版权所有者、合法使用者等具体信息 伪随机序列 图标
水印嵌入算法（过程） 水印检测算法 （过程）
数字水印加载和检测流程
用用用用 无无无无 输输输输 数数无无 数数无无插输数数 数数无无 插输插插 有无无无 输输输输
用用用用 有无无无 Baidu Nhomakorabea输输输 数数无无 （特特无ID〕 数数无无检检数数 数数无无 检检插插 判判判判 （有无无有有？〕
3、数字水印基本原 理
信息隐藏与数字水印的关系
数字水印是广义信息隐藏的一个分支 实现数字版权管理（DRM）
数字水印的提出
水印
存在于纸张、纸币中，用于标识真伪 水印的概念来自于纸张中的水印。最早的记录 于700年前意大利的一个小镇，因为造纸厂之 间的竞争激励，用水印来追踪纸张的来源以及 纸张的样式和质量。现代，水印被广泛用于货 币、证券和票据等。