数字水印技术综述

数字水印技术综述

【摘要】本文介绍了数字水印技术的基本原理。并对其特点、分类、攻击技术及应用领域进行了阐述，同时对数字水印的各种算法进行了分类研究与深入分析，最后指出数字水印今后的研究方向。

【关键词】数字水印；水印原理；水印算法；水印应用

１什么是数字水印

所谓数字水印（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。比如我们通过一定的算法，在图像、视频、音频等多媒体数据中嵌入一个可以标示其知识产权的水印信息。水印信息可以是文字、商标、印章或序列号等可以识别作品的作者、来源、版本、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。水印信息通过特殊的方式，可以从宿主信号中提取出水印或是检测出它的存在性。这样的水印不占用额外的带宽，是原始数据不可分离的一部分，并且它可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。

２数字水印的特点

一般认为数字水印应具有以下特征：（1）鲁棒性：水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持其完整性或仍能被准确鉴别的特性。（2）知觉透明性：数字水印的嵌入不应引起数字作品

的视/听觉质量下降，即不向原始载体数据中引入任何可知觉的附加数据。（3）水印容量(水印的位率)：数字水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化的要求。（4）安全性：水印嵌入过程(嵌入方法和水印结构)应该是秘密的，数字水印是统计上不可检测的，非授权用户无法检测和破坏水印。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该能一直保持存在，直到图像已严重失真而丧失使用价值。（5）实现复杂度低：数字水印算法应该容易实现。在某些应用场合(如视频水印)，甚至要求水印算法的实现满足实时性要求。（6）确定性：数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。

３数字水印的分类

数字水印按照嵌入的位置可分为空域数字水印、变换域数字水印；按照水印的检测方式可分为私有水印、半私有水印和公开水印；按照水印的抗攻击能力可分为易损水印、鲁棒水印；按照水印的选取形式可分为序列水印、标识信息水印、标志图像水印；按照水印的可见性可分为可见水印、不可见水印；按照载体数据的性质可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等等。４数字水印的基本原理

数字水印包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取或检测。水印可由多种模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图

像等。从鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。数字水印技术的基本原理如图1所示。

图1 数字水印技术的基本原理

图２水印信号嵌入模型

图３水印信号监测模型

图2表示了一个通用水印的嵌入过程。给定一幅图象，一个标志，以及一个密钥 (通常是一个随机数发生器的种子)，植入过程可以被定义为如下形式的映射，并且这适用于所有的水印植入方法。

５数字水印的常见算法及评价标准

（1）空间域算法：基本思想是直接将水印信息嵌入到多媒体数据中，通常这些位置不影响被嵌入对象基本属性，从而实现了水印的隐藏。该类算法实现比较简单，早期的数字水印算法基本上都属于该类。但是由于水印嵌入的位置在很大程度上相似，因此水印的鲁棒性比较差。（2）变换域算法：基本思想是通过修改多媒体数据的变换系有离散余弦变换 (dct)、离散小波变换(dwt)、离散傅立叶变换(dff)、矢量变换等。变换域算法因其不可见性和鲁棒性好成为当前研究的主流，出现了较多基于dct的优秀算法：而基于dwt 产生的水印因具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力成为当

前研究的热点和未来最重要的方向。（3）压缩域算法：基本思想是将水印信息嵌入压缩后的数据流或索引中。特别是基于jpeg和mpeg 标准的压缩域数字水印系统节省了完全解码和重新编码过程，因而

在数字电视广播和vod中具有很大的实用价值。

除了以上数字水印算法外，还有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法、基于融合的水印算法、生理模型算法等。

6 数字水印算法的评价

数字水印算法的评价标准主要有以下三种：（1）容量：数字水印系统中的容量是指当存在攻击时衣服数字作品所能加载的最大信息量。容量越大，所含版权信息越多，不可见性会随之下降。（2）保真度：保真度是衡量数字作品在处理前后相似性的度量，即含水印作品和原始作品是不可区分的。目前使用的评价准则有信噪比snr、峰值信噪比psnr和均方差mse等。其中mse最简单，但在实际应用中会对图像的感知质量进行低估或高估；snr和psnr是最通用的评价指标，其从一定程度上反映了作品处理前后的变化情况。（3）鲁棒性：鲁棒性是指水印算法在经过有意或无意的攻击后，仍能够检测到水印的能力。水印算法的鲁棒性可以用归一化相关nc 和误码率ber来度量。nc主要用来判断提取的水印与嵌入的水印是否一致，nc值越大越好；ber是指错误解码占所有信息的比率，ber 值越小越好。

7 数字水印的应用

常见的数字水印应用有以下几种：（1）版权保护：在网络时代，数字作品的销售过程给盗版或篡改提供了可乘之机，版权保护越显重要。作品的所有者可用密钥产生水印，并将其嵌入到原始数据，

然后公开发布其作品。当该作品出现版权纠纷时，所有者可从被盗版作品中获取水印来作为保护其合法权益的依据。版权保护是数字水印应用的一个很大的方面。（2）广播监视：在我国，广播电视具有不可替代的作用，然而近年来一些邪教组织多次在有线电视网上非法插入反动或黄色节日，破坏合法节目的正常播出，直接威胁国家的安定。将数字水印技术应用于节目检测系统，就是一个行之有效的方法。这种方法在人无感知的情况下，将水印通过特定的算法嵌入到节日中，在播放终端播出前，提取水印信息进行验证，并去掉水印，以确保原内容还原播出。全过程由计算机自动控制，效率高，实时性好，安全可靠。（3）票据防伪：高质量图像i／o设备的发展使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标识，从而大大增加了伪造的难度。（4）声像数据的隐藏标识：数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如卫星图像的拍摄日期。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些信息标记在原文件上又很危险，数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法。标识信息在原文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。（5）隐蔽通信：数字水印利用声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种信息隐藏，从而实现隐蔽通信。基于水印技术的隐蔽通信较之用密码加密的方法进行保密通信的最大的优点是，除通信双方以外的任何第三方都不知道秘密通信，这使得加密机制从“看不懂”