数字水印研究现状

数字水印研究现状

摘要：

数字水印技术是一种新兴的信息隐藏技术，其具有隐蔽性、鲁棒性、可证明性和脆弱性。本文对数字水印技术进行具体了解，介绍了数字水印的特性，典型算法，数字水印的攻击方式和数字水印的应用领域。

关键字：数字水印信息隐藏数字水印攻击版权保护

1.介绍

数字水印(Digital Watermarking)技术是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中（包括多媒体、文档、软件等）或是间接表示修改特定区域的结构，不影响原载体的使用价值，不容易被探知和再次修改。数字水印可以被生产方识别辨认。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者和购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是实现版权保护的有效办法，是信息隐藏技术的一个重要研究方向。

2.数字水印的特性

2.1 隐蔽性

在数字作品中嵌入数字水印后，不会引起明显的质量下降，也不易被发现，即便采用统计的方法也不能提取或证明水印的存在。在图像中嵌入水印，在视觉上是不可见的，不会影响图像的质量。

2.2 鲁棒性

嵌入数字水印后的原始数据在经历一系列有意无意的数据处理（如：A/D和D/A转换、重采样、滤波、有失真压缩、图像旋转、剪切、缩放、平移等）后出现失真时，水印仍能保持完整性和准确的可鉴别性；如果只知道部分数字水印信息而又试图去除或破坏数字水印则会导致原始数据严重降质而不能被使用。数字水印的这一特性在版权保护方面具有重要作用。

2.3 可证明性

数字水印可以使已经注册用户的号码、产品标识或者其他有意义的图文等嵌入到宿主数据中，需要时将其提取出来，判断数据是否受到保护，并监视被保护的数据的传播及非法复制，进行真伪鉴别，为受到保护的产品的归属提供可靠的证明，从而避免所有权的纠纷，保护合法的利益。

2.4 脆弱性

数字水印对篡改具有一定的敏感性，当信息内容发生改变时，数字水印信息也会发生一定程度的改变。其理想的情况是能够提供修改或破坏的位置和受损程度，甚至能够分析篡改的类型，并能够对被篡改的内容进行恢复。

3.数字水印的典型算法

3.1 空域算法

(1) Schyndel算法：此算法首先把一个密钥输入一个m序列发生器来产生水印信号，然后排列成二维水印信号，按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。由于水印信号被安排在最低位上，它是不可见的；基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此鲁棒性较差。

(2)文本水印算法：文本数据的水印算法主要是通过轻微改变字符间距、行间距或是增加、删除字符特征（如底纹线）等方法来嵌入水印。这些方法无法抵御攻击，攻击者通过把字符间距、行间距进行随机化处理而破坏水印。

(3) Patchwork算法：该算法首先随机选取N对像素众,然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点亮度值的方法来隐藏信息。

3.2 频域算法

(1)扩展频谱通信技术：扩展频谱通信(spread spectrum communication)技术原理为：先计算图像的离散余弦变换(DCT)，然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前L个系数上（不包括直流分量），通常为图像的低频分量。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印。

(2) NEC算法：NEC算法由NEC实验室的Cox等人提出，在数字水印算法中占有重要地位。其工作原理是：首先由作者的标识码和图像的Hash值等组成密钥，以该密钥为种子来产生伪随机序列,该序列具有高斯N (0, 1)分布；再对图像作DCT变换，用该伪随机高斯序列来调制(叠加)图像除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥和不可逆的水印生成方法，因此可以有效防止IBM攻击。

(3)生理模型算法：人的生理模型包括人类视觉系统HVS和人类听觉系统HAS。利用生理模型的基本思想均是利用从视觉或听觉模型导出JND (just

noticeable difference)描述来确定在图像或声音的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能够避免破坏视觉或者听觉的质量。也就是说，利用生理模型来确定与数据相关的调制掩模，然后再利用其来嵌入水印，这一方法同时具有好的透明性和鲁棒性。

3.3 压缩域算法

基于JPEG,MPEG标准的压缩域数字水印系统，其水印检测与提取可直接在压缩域数据中进行，节省了完全解码和重新编码过程，因此在数字电视广播及VOD中有很大的实用价值。输入的MPEG-2数据流可以分为数据头信息、运动向量和DCT编码信号块这3个部分，常见的方案都主要是对DCT编码信号块进行改变。

4.数字水印的攻击方式

数字水印策略中的重要指标之一是对攻击的抵抗性和安全性。所谓水印攻击就是对现有的数字水印系统进行攻击。数字水印的攻击技术可以用来评测数字水印的性能，如何提高数字水印的抗攻击能力是设计者最为关注的问题。

4.1 鲁棒性攻击

鲁棒性攻击包括常见的各种信号处理操作，如压缩、滤波、叠加噪声、图像量化与增强、图像剪裁、几何失真、模拟数字转换、图像校正等。

(1)图像压缩：图像压缩算法是去掉图像信息中的冗余量。数字水印的不可见性要求数字水印信息驻留于图像不重要的视觉信息中，通常为图像的高频分量。而一般图像的主要能量均集中于低频分量上。经过图像压缩后，高频分量被当作冗余信息清除掉。目前的一些水印算法对现有的图像压缩标准（如JPEG、MPEG）具有较好的鲁棒性，但对今后有更高压缩比的压缩算法则不能保证也具有同样好的鲁棒性。常见的压缩包括JPEG，JPEG2000，MPEG -2，MPEG -4等。

(2)低通滤波：图像中的水印应该具有低通特性，即低通滤波应该无法删掉图像中的水印。低通滤波器包括线性和非线性滤波器。常用的有中值滤波、同态滤波、高斯滤波、均值滤波等。

(3)加性与乘性噪声：如高斯白噪声、均匀噪声、斑点噪声、椒盐噪声等。

(4)图像量化与增强处理：一些常规的图像操作，如图像在不同灰度级上的量化、锐化、钝化、直方图修正与均衡，Gama 校正、图像恢复等，均不应对水