数字水印技术简介

数字水印技术简介
李昌利, 卢朝阳
(西安电子科技大学 通信工程学院 陕西 西安 710071)
摘 要: 数字媒体极大地改善了我们的视听享受和物质文化生活, 但其内在特性导致可以在几乎没有任何质量损失的 条件下随心所欲地复制他们, 如何有效地保护媒体版权所有者的合法权益成为学术界和产业界共同的课题。

数字水印技术 应运而生, 成为“最后一道防线”。

本文介绍了数字水印的应用领域、基本要求及系统框架, 给出了一个典型的算法。

最后 进行了总结。

关键词: 数字水印; 版权保护; 不可见性; 健壮性; 水印攻击 中图分类号: T P 312
文献标识码: B
文章编号: 1004 373X (2004) 13 099 02
An I n troduc t ion of D ig ita l W a term a r k i n g Techn ique
L I C h a ng li , L U Zh a o yang
(Schoo l o f Comm un ica t i o n Eng inee r i ng , X id ian U n ive r s ity , X i ′an , 710071, C h ina )
A b strac t : D ig i ta l m ed ia h a s st r o n g ly i m p ro v ed o u r en j o ym en t and live s , bu t it s inh e r en t p rop e r t y h a s re s u lted in illega l cop y
w itho u t any qua lity lo ss in th e m ean t i m e 1 H ow to effec t ive ly p ro tec t th e in te llec tua l p rop e r ty o f m u lt i m ed ia h a s becom e a comm o n issue in bo th th e acade m ic f ie ld and th e bu sine ss so c ie ty 1 T h e d ig ita l w a te r m a rk ing tech n ique h a s been p ropo sed a s a p rom ising m ean s
fo r it and been co n side r ed a s " th e la st line o f defence " 1 T h is p ap e r in t r o d uce s it s app lica t i o n a rea s , ba s ic requ ire m en t s and sy s tem f r am ew o rk , a lso g ive s a rep re s en ta t i ve a lgo r i thm 1 F ina lly som e co n c l ud ing rem a rk s a re m ade 1
Keywords : d ig i ta l w a te r m a rk ing ; in te l lec t ua l p rop e r t y p ro tec t i o n o f d ig ita l m ed ia ; i m p e r cep t i b ility ; ro b u stne s s ; w a te r m a rk ing a t t ack
图像处理技术及计算机网络的发展使得媒体以数字 形式更容易和便捷地获取、表征、存储及分发, 这极大地 促进了行业的快速发展, 也极大地丰富了我们的视觉、听 觉享受。

数字媒体较模拟形式有较高的质量。

同时使得我 们可以在几乎没有任何质量损失的条件下随心所欲的复 制、编辑他们。

如何有效保护媒体版权所有者的合法权益, 又不影响合法使用者的消费行为, 成为一个棘手的难题。

数据加密能使数字媒体从分发者到接收者可靠地传输, 然 而一旦接收者对其解密, 就失去了保护功能。

可以说不能 有效防止盗版行为是业界在线分发数字媒体的最后障碍。

为了防止数字媒体的盗版行为, 政府也在从立法着手解 优点是媒体内容和水印是分开的、独立的, 这使得数字水 印系统有很多应用。

数字水印技术可望在下面一
些领域得到应用:
版权保护 (Cop y r i gh t p ro tec t i o n )
这是激发对数字
水印技术狂热研究兴趣的主要应用前景。

通过在媒体中嵌 入标示版权信息的水印, 在发生版权争端时, 通过提取水 印以证实媒体所有者的所有权。

他并不能阻止对媒体的非 法拷贝, 但可以确认对媒体的所有权。

数字签名 (S i gna tu re ) 水印识别媒体所有者, 潜在
用户用以获得对媒体的合法拷贝或出版, 从而可以用来解
决版权纠纷。

年 美 国 通 过 了 DM CA ( D ig i ta l M illenn ium 决。

1998 指纹识别 (F inge r p r i n t ing )
水印也可以识别媒体合
Cop y r i gh t A c t ) 法案; 加拿大政府也相应地修改了有关法律。

法 使用者, 这可以用来追踪非法拷贝源。

他已经应用在 D I V X 数字视频播放器中。

播放器在每个播放过的电影拷
贝中加入一个独一无二的水印信号。

1 数字水印技术及其应用领域
数字水印 (D ig i ta l W a te rm a rk ing ) 是指在原始的数字 媒体中嵌入水印信号, 嵌入水印前后的媒体在视觉或听觉 感受上没有任何明显的差别。

在某种意义上说, 水印对局 外人是不可见的 ( 透明的) , 但算法本身能提供有效的检测 手段。

通过水印的检测可以有效解决版权纠纷。

其最大的 ( B ro a dca st and P u b lica t i o n 广 播、 出 版 监 测 M o n ito r i ng )
这和签名有些相似, 但这里他被电视广播
自动监测系统、计算机网络及其他分发通道检测以跟踪媒
体内容何时在何地出现。

这对那些欲确保媒体内容没有被 非法分发或想决定媒体版权付费的媒体所有者来说是很
好的监测手段; 对广告客户确保他们的商品广告在付过费
收稿日期: 2004 03 04
前 3 个要求是最基本的要求, 他们是相互冲突的, 需
要有很好的折衷, 制约着水印算法的具体实现。

为了获得好的健壮性, 水印的嵌入强度应该尽可能高, 但这很难保
证不可见性; 为了获得高容量, 需要嵌入较多的水印信息, 影响了不可见性, 检测器要准确检测出较多的水印信息, 难度也较大了。

业系统采用了这种技术: M u si Co d e 系统提供对音频的广
播监测; V E I L II 及M ed i aT rax 提供对视频的广播监测。

鉴别 (A u th e n t ica t i o n )
水印代表着可以鉴别媒体内 容真实性的信息。

水印算法要确保一旦媒体内容被篡改, 水印也被破坏, 或者在媒体内容和宜于检测的水印之间产 生不匹配。

如果水印存在且和媒体内容匹配, 说明媒体在 嵌入水印后没有遭受篡改。

这种水印要能对正常的图像操 3 系统框架
作和恶意的攻击区别对待, 即正常的操作不损坏水印, 恶意的篡改使得水印也面目全非。

而 数字水印整体框架如图 1 所示, 主要包括水印嵌入和 提取 检测两个基本过程。

拷贝控制 (Cop y Co n t ro l ) 水印包括媒体所有者欲加 载在媒体上的有关使用及拷贝规则的信息。

通常是一些简 单的规则, 比如: “这些不能拷贝”或“可以拷贝, 但拷贝 得到的样本不能被再次拷贝”。

需要这样的设备, 通过法律 或专利许使他们能检验和容忍水印, 且能依法拷贝。

进一 步, 需要这样的媒体播放器, 他们能检验水印并和其他的 线索比较, 比如媒体是否在可记录的存储设备上, 以鉴别 非法的拷贝进而拒绝播放。

这有望应用在DV D 上。

图 1 数字水印系统框架
记 v , v ′分别为嵌入水印前后的图像; w 为水印系列;Α为强度因子, 用于折衷不可见性和健壮性。

水印嵌入过程表达式为:
隐秘通信 (Sec r e t Comm un ica t i o n ) 通过嵌入的信号 传输秘密的信息。

这是隐写术 (S t egano g r ap h y ) 的一个经 典应用。

历史上有很多有趣的实例。

v ′
i = v i ’ ( 1 + Α’ w i )
( 1)
e 设 W 与W 分别为原始的嵌入在图像中的水印信号
2 用于版权保护的数字水印需满足的基本要求
和从待检测的图像中提取出的可能水印信号。

常用的相关 用于版权保护的数字水印需满足以下一些基本要求: 检测 (W a te r m a rk D e t ec t i o n ) Θ(W , W e
) = 为:
W ’W (R o b u stne s s ) 健壮性 嵌入水印后的图像遭受标准 e
( 2)
的图像处理甚至恶意的攻击后, 水印检测器要能检测出水 印。

前者包括图像在分发过程中可能遭受的剪辑、增强及 格式转换等; 后者指旨在损害、破坏或者去除嵌入的水印。

W e ’W e
对一定的检测阈值 T , 当 P ≥T 时, 认为特定的水印 存在。

显然这是一个经典的二值假设检验。

存在虚警概率
( 待测试根本没有嵌入水印或不是嵌入特定的水印, 但检
测器给出了相反的检测结果的概率) 和漏检概率 ( 指待测 试图像嵌入了特定水印, 但没有检测出来的概率) 。

检测器 需要在虚警概率和漏检概率之间折衷。

尽管有可能设计出健壮性很好的水印算法, 但需指出, 有在水印算法及水印本身不公开的情况下才有可能。

只 ( I m p e r cep t ib ility )
不可见性 水印的嵌入过程不能
给原始图像带来任何难以接受的视觉质量损失, 嵌入水印 前后的图像在视觉上没有任何差别。

4 算法介绍
容量 (C a p ac i ty ) 同一幅图像嵌入大量不同的水印后 要能准确区分开来, 这要求水印能传递尽可能多的信息, 即水印的数据率要很高。

文献 1 提出以下的水印嵌入策略: 对原始图像进行 整体 D C T 变换 ( 离散余弦变换) , 取最大的 1 000 个 D C T
系数, 依式 ( 1) 嵌入水印。

水印系列服从正态分布。

嵌入
水印前后的图像分别如图 2 和图 3 所示, 可以看出两者在 视觉上没有任何差别, 满足不可见性的要求。

抗攻击测试 结 果 表 明 算 法 对 图 像 缩 放、J P E G 压 缩、 抖 动 (D ith e r D isto r t i o n ) 及剪切 (C rop ) 等攻击都有很好的抵抗力。

安全性 (Secu r i ty ) 测。

他由密钥保证。

盲
检测 (B lindne s s )
只有授权方可以进行水印的检 水印检测过程中不需要原始的、
未嵌入水印的图像。

这一方面简化了水印的检测; 另一方 面则是为了安全起见。

这里有必要对健壮性和安全性进行区分。

前者是度量
检测器对嵌入水印的图像实施有意或无意操作后的检测 性能, 攻击者对数字水印技术本身可能一无所知; 后者则 是度量检测器对某些数字水印技术的恶意攻击后的检测 性能, 攻击者对水印嵌入及检测过程相当了解, 从而设法 100
5 结 语
在过去的十年里, 国际上的学术界和产业界对数字水 印倾注了大量的研究热情, 无论是算法、攻击策略, 还是
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功率测量最大误差: 018 dBm 。

S 参数测量范围: - 30 ～ 5 dB 。

S 参数测量最大误差: 115 dB 。

块采用微带电路的形式实现, 芯片采用集成 I C , 整个系统 的输入输出阻抗是标准的 50 k 8 , 可以与绝大多数微波二 端口网络匹配。

然后就是要知道 a 1 , b 1 , b 2 的值了。

下面就以最简单的二端口网络的 S 11 的测量为例, 简 要的介绍一下 S 参数的测量。

将待测件的端口 1 接到本系
统的“输出 1”端口, 将待测件的端口 2 接一个匹配负载, 就可以满足测量 S 11 的条件了。

由以上的公式知道, 只要测 量出 b 1 , a 1 的值, 就可以计算出 S 11。

b 1 的测量是很简单的, 由图 2 可以看出, b 1 从本系统的 “输出 1”端口进入定向
耦合器, 在经过定向耦合器信号 ( 3) 。

控制微波开关 2, 使 ( 4) ( 5) ( 6) 这些数据分别是与 H P 5343A 微波功率计、H P 8408B 矢量网络分析仪比较而得出的, 作为一个测量仪器, 他的 精度还有改进的余地。

但是考虑到其价格相当低廉, 在精
度要求不是特别高的情况下, 还是物超所值的。

5 结 语
本文提出了以 89C 51RD 2 单片机为控制和数据处理 核心的射频实验系统, 具有小型化、智能化、人机界面友 好的特点。

功能强大, 集频率、功率和 S 参数测量于一身。

且相对功能类似的专用测控仪器有很强的价格优势。

据了 解, 类似的系统在国内尚未出现, 目前该系统已通过全面 得信号 ( 3) 进入检波器, 再送到 A D 转换器, 就可以得到 b 1 的值了。

值得注意的是, 由于所测的值经过了定向耦合 器, 所以这里得到的值也是比真正的 b 1 的值小 3 dB 。

a 1 的 值由定标时得到, 由于所测的 a 1 , b 1 的值都比实际的值小 3 dB , 所以直接将他们相除就可以得到 S 11 的值。

对于 S 21 只需控制微波开关 2 让信号 ( 4) 进入检波器就可以得到 b 2 的值了。

不过要注意一点, 测得的 b 2 的值是没有经过定向 测试, 并投入运行, 应能取得很好的经济和社会效益。

参 考 文 献
耦合器的, 所以要准确的计算 S 21 的值必须将测得的 b 2 值 陈邦媛 1 射频通信电路 [M ] 1 北京: 科学出版社, 20021
1 除以
2 再代入公式计算。

评测结果
阎润卿 1 微波技术基础 [M ] 1 北京: 出版社, 19881
张沛颀 1 基于 C 语言编程M C S 51 单片机原理与 4 2 北京理工大学 ( 1) ( 2) ( 3) 频率测量范围: 500～ 2 500 M H z 。

3
频率测量最大误差: 10 M H z 。

应用 [M ] 1 北京: 清华大学出版社, 20031
功率测量范围: - 9 ～ 6 dBm 。

(上接第 100 页) 从信息论的角度来构筑数字水印技术的理论基础方面, 都 取得了很多成绩和突破。

然而, 数字水印技术面临的攻击 与日俱增, 如何有效抵抗他们是数字水印技术走向成熟、
最终取得应用的主要障碍。

就目前而言, 去同步攻击最为 关键。

数字水印技术何去何从也值得思考。

参 考 文 献
1
Co x I J , K ilian J , e t a l 1Secu re sp read sp ec t rum w a te r m a rk ing fo r M u lt i m ed i a 1 IE E E T ran sac t i o n s 图 2 原始图像
1997, 6 ( 12) : 1 673 1 6871
o n i m age p ro c e s sing, K u t te r M , W ink le r S 1A v i si o n
2 ba sed m a sk ing
m o d e l fo r sp read sp ec t rum i m age w a te r m a rk ing 1 IE E E T ran sac t i o n s o n i m age p ro c e s sing, 2002, 11 ( 1) : 16 251
V o lo sh y no v s k iy S, P e r e i ra S, P u n T , e t a l 1A t tack 3
o n d i g i ta l w a te r m a rk s: c l a ssif i ca t i o n , e s t i m a t i o n
ba sed a t tack s and benchm a rk s [ J ] 1 I E E E 20011
Comm un ica t i o n s M agazine, 图 3 嵌入水印后的图像
作者简介 李昌利 卢朝阳 1976 年出生, 2001 级硕士研究生, 1963 年出生, 教授, 博士生导师, 个人兴趣为数字水印及信息论在其中的应用。

近年发表学术论文 70 余篇。