数字水印综述

《数字水印技术综述》
姓名余博涵
学号 *********** 院系信息学院
专业计算机科学与技术
班级 A1111
目录
摘要 -------------------------------------------------------------- I Abstract ---------------------------------------------------------- II
1 引言 ------------------------------------------------------------- 1
2 数字水印的特征 --------------------------------------------------- 2
3 数字水印的分类 --------------------------------------------------- 2
3.1图像水印---------------------------------------------------- 2
3.2音频水印---------------------------------------------------- 3
3.3视频水印---------------------------------------------------- 3
3.4 文本水印---------------------------------------------------- 4
3.5 网格水印---------------------------------------------------- 4
3.6软件水印---------------------------------------------------- 5
4 数字水印的基本框架及评价标准 ------------------------------------- 5
4.1 基本框架---------------------------------------------------- 5
4.2 评价标准---------------------------------------------------- 7
5 数字水印的应用 --------------------------------------------------- 7
5.1 版权保护---------------------------------------------------- 7
5.2 广播监视---------------------------------------------------- 8
5.3 声像数据的隐藏标识------------------------------------------ 8
5.4 隐蔽通信---------------------------------------------------- 8
6 数字水印技术研究展望 --------------------------------------------- 8
7 结论 ------------------------------------------------------------- 9参考文献： -------------------------------------------------------- 11
摘要
数字水印作为一种多媒体信息版权保护和数据安全维护的技术，近年来已成为国内外研究的热点并有着广泛的应用前景。

通常数字水印被应用于数字图像、音频、视频以及其他媒体产品上以进行版权保护和验证多媒体数据的完整性，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。

本文首先介绍了数字水印技术的基本特征，然后讨论了数字水印技术的分类，并阐述了数字水印技术的基本框架以及评价标准，最后说明了数字水印技术的应用，以及数字水印技术今后的研究方向和未来的相关展望。

关键词：数字水印；鲁棒性；版权保护
Abstract
Digital watermark, the technology of multimedia information copyright protection and guarding the safety of date, is a topic that has recently gained increasing attention all over the world. The watermark of digital images, audio, video, and other media product s in general has been proposed for resolving copyright ownership and verifying the integrity of content.
This paper has introduced the characteristics of digital watermark techniques firstly, then discussed the current studying situation of digital watermark techniques, and analyzed the basic concepts and evaluation criteria of digital watermark techniques, finally, the application of digital watermark and the possible research direction of digital watermark techniques has pointed out.
Key words:digital watermark; robustness; copyright protection
1 引言
信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。

特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到所期望的地方。

随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。

这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍，目前，数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。

密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，它是基于香农信息论及密码学理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得其在传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获取机要信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。

但这并不能完全解决问题：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且当信息被接收并进行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样，将不再受到保护，无法幸免于盗版。

换言之，密码学只能保护传输中的内容，而内容一旦解密就不再有保护作用了。

因此，迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够继续保护内容。

这样，人们提出了新兴的信息隐藏的概念——数字水印(digital watermarking)。

数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印。

在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。

它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet 数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。

自1993年以来，该技术已经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。

2 数字水印的特征
数字水印是将具有特定意义的标记(水印)，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。

同时，通过对水印的检测和分析，保证数字信息的完整可靠性。

一般认为数字水印应具有以下特征：
(1) 安全性
数字水印应该是安全、难以被篡改的。

当数字作品发生变化时，数字水印应当也相应发生变化；同时，未经授权的个人不得修改水印，理论上是未经授权的用户不能检测到产品中是否含有水印。

(2) 鲁棒性
当被保护的数据在经过攻击后，嵌入的水印信息仍能保持好的完整性并能以一定的正确概率被检测到。

这些可能的攻击包括噪声、滤波、剪切、旋转和编码等。

(3) 不可感知性
数字水印的嵌入不应使得原始作品发生可以感知的变化，也不能使得被保护数据在质量上发生可以感觉到的失真。

(4) 可证明性
在多媒体作品的实际应用过程中可能需要多次加入水印，这时水印系统必须能够允许水印被多次嵌入到被保护的数据，而且每个水印均能独立地被证明。

(5) 无歧义性
恢复出的水印或对水印判决结果能够表明版权的惟一，不会发生多重版权纠纷问题。

3 数字水印的分类
根据水印所附载体的不同, 可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和用于三维网格模型的网格水印及软件水印等。

3.1图像水印
根据水印的嵌入方式不同，图像水印算法主要分为空间域方法和变换域方法。

空间域方法是通过改变图像中某些像素值加入信息，再通过记录提取这些信息来检测水印。

常用的LSB 算法有两种：一种是将图像的LSB 用伪随机序列来代替；另一种是在LSB中加入伪随机序列。

Wolfgang等人提出，利用线性反馈移位寄存器形成伪随机序列，并按行排列成一些二维数据块加入到图像中。

Fleet
则把LSB方法应用于彩色图像。

Bender等人提出的Patchwork方法和Nikolaidis等
提出的方法都属于统计方法，即利用图像或水印统计特性进行水印嵌入。

Bender 等人还提出了纹理块映射编码方法。

Bruyndoncky等人提出了通过改变块均值来
嵌入水印。

Hwang等人提出在图像三维比特矩阵中用Hash 函数伪随机产生水印
比特嵌入位置。

变换域方法是先对图像作某种正交变换，然后选择一个频域系数的子集进行改变, 再进行逆变换得到水印图像。

Zhao和Koch提出一种DCT域的数字水印算法。

Cox等人首先提出了水印应嵌入图像中感知性较强区域的观点。

Hsu和Wu把图像进行8* 8DCT 变换，然后将一个二进制作为水印信息放入DCT中频频带。

Yuk 等人提出了一种基于矢量量化( VQ) 和DCT 的水印方法，黄继武等人提出了一个
利用块分类的自适应图像水印算法。

3.2音频水印
音频水印利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统( human audio system)
的特点来嵌入数字水印。

对于一个实用的数字音频水印系统，最主要的评价指标，首先是重建声音信号的质量和水印数据的误码率，其次是水印数据的比特率和所增加的计算量。

目前的音频水印技术主要集中于研究低比特位编码、相位编码、回声隐藏和基于扩展频谱编码等四个方面。

低比特位编码音频数字水印的基本思想是首先将水印编码成二进制串，然后用这些二进制串替换每个样本点的最不敏感的比特位。

该方法是最简单的水印技术，但对某些信号处理技术比较敏感。

在相位编码中，隐藏的数据用相位谱中特定的相位或相位变化来表示。

如果音频信号被分解为许多节，水印信息通常只嵌在首节中，并且要满足两个条件：一是每节之间的相位差异需要保存；二是嵌入水印信息的最后一个相位谱应该是光滑的，否则，突然的相位改变会引起听觉上的感知。

回声隐藏是通过引入回声的方式嵌入数据，系统的参数包括回声的延时和幅度。

将原始信号分段，每一段嵌入一个回声，提取过程则通过计算编码信号倒谱的自相关、搜索其峰值出现的位置来实现。

扩展频谱编码技术的基本思想是将隐藏的数据流扩展到尽可能宽的频谱或者是指定的
频段上。

3.3视频水印
相较于数字水印的一般特性，视频水印还有一些特殊的要求：实时处理性、随机检测性、与视频编码标准相结合。

视频水印嵌入方法可分为三种：第一种是将水印信息直接嵌入到编码压缩之前的原始视频图像序列中，然后再对含有水印信息的视频图像进行编码压缩。

这种方法可以利用静止图像的水印嵌入算法，但过程比较复杂，而且在压缩中水印
信息有可能遭到破坏。

第二种是在编码压缩时嵌入水印，这种方法过程比较简单，但水印的嵌入和提取算法需要修改编码器和解码器。

第三种是在压缩域中嵌入水印，即将水印信息嵌入到编码压缩后的码流上，这种方法不需要完全解码和再编码过程，因此计算量小，实时性好。

3.4 文本水印
文本水印算法的基本思想是通过轻微改变字符间距、行间距或增加、删除字符特征等方法来嵌入水印( 如底纹线) ，但它无法抵御攻击。

攻击者可通过对字符间距、行间距进行随机处理来破坏水印。

文档中若不存在可插入标记的可辩认空间( perceptual headroom)，则不能被插入水印。

对于诸如PostScript、PDF、WPS、WORD 等类型的文档。

可以将一个水印嵌入版面布局信息( 如字间距或行间距) 或格式化编排中。

对于英文，一个文本文件一般由单词、行和段落等有规律的结构组合而成，对其作一些细微的改动不会影响到整个文本。

因此，Brassil和Low等人提出了几种不同的PostScript 格式文本中嵌入水印的方法。

如行移编码通过将文本的某一整行垂直移动插入标记，当一行被上移或下移时，不动的相邻行被看作是解码的参考位置；字移编码通过将文本的某一行中的一个单词水平移位插入标记，不动的相邻单词被看作是解码过程中的参考位置；特征编码通过改变某个单个字母的某一特殊特征来插入标记。

3.5 网格水印
网格空间的利用率是评价网格水印的一个重要参数，而空间利用率和稳健性之间通常会存在矛盾，因此也要协调好空间利用率和稳健性之间的关系。

空域3D 网格水印嵌入算法直接在原始网格中通过调整网格几何、拓扑和其他属性的参数嵌入水印。

最具代表性的算法是Ohbuchi等人提出的三角形相似四元组( Triangle Similarity Quadruple，TSQ) 算法、四面体体积比( Tetrahedron Volume Ratio，TVR) 算法。

另外还有剥离的三角形条带符号序列( Triangle Strip Peeling Symbol Sequenc，TSPS) 嵌入算法，基于形状属性调整的水印算法和网格密度模式( Mesh Density Pattern，MDP) 嵌入算法。

Yeung等人首次提出了一种用于对象验证的脆弱网格水印算法，用于验证3D多边形网格的修改是否经过授权。

德国Fraunhofer计算机图形研究所的Benedens提出了调整网格曲面法向矢量分布的隐秘水印算法，随后又提出了两种多边形网格的公开水印算法：顶点束算法和三角形束算法。

Mohsen等人提出把水印信号嵌入到用球面坐标表示的三维模型的顶点位置的新方法。

频域3D网格水印嵌入算法通过在变换和反变换过程中修改变换域系数来嵌
入水印有较好的稳健性。

3.6软件水印
所谓的软件水印就是把程序的版权信息和用户身份信息嵌入到程序中。

根据水印的嵌入位置，软件水印可以分为代码水印和数据水印。

代码水印隐藏在程序的指令部分中，而数据水印则隐藏在包括头文件、字符串和调试信息等数据中。

根据水印被加载的时刻，软件水印可分为静态水印和动态水印。

静态水印存储在可执行程序代码中，动态水印保存在程序的执行状态中。

静态水印又可分为静态数据水印和静态代码水印。

动态水印主要有3 类：Easter Egg水印、数据结构水印和执行状态水印。

现有的软件水印算法有：Cllberg和Thomborson提出的一种动态图水印技术，即把软件水印隐藏在程序动态建立的图结构拓扑中。

4 数字水印的基本框架及评价标准
4.1 基本框架
一个数字水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测。

数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。

而作为水印信息的重要组成部分——密钥，则是每个设计方案的一个重要特色所在。

往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等不同环节入手完成密钥的嵌入。

数字水印一般过程基本框架示意图如图4-1和图4-2所示。

图4-1水印嵌入的一般过程基本框架
图4-1展示了水印的嵌入过程。

该系统的输入是水印信息W、原始载体数据I和一个可选的私钥/公钥K。

其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列或伪随机序列；字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像等等。

水印生成算
法G 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。

水印信息W 可由伪随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。

密钥K 可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。

所有的实用系统必须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。

水印的嵌入算法很多，从总的来看可以分为空间域算法和变换域算法。

具体算法我将在后面详细介绍。

由图4-1可以定义水印嵌入过程的通用公式：
),,(K W I E I W = （1）
其中W I 表示嵌入水印后的数据（即水印载体数据），I 表示原始载体数据，W 表示水印集合，K 表示密钥集合。

这里密钥K 是可选项，一般用于水印信号的再生。

图4-2 水印检测的一般过程基本框架
图4-2是水印的检测过程。

由图4-2可以定义水印检测过程的通用公式为 ① 有原始载体数据I 时：
),,(ˆK I I D W W
= （2） ② 有原始水印W 时：
),,(K W I D W W = （3） ③ 没有原始信息时：
),(K I D W W = （4）
检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下，可以做嵌入信号的提取或相关性验证；二是在没有原始信息情况下，必须对嵌入信息做全搜索或分布假设检验等。

如果信号为随机信号或伪随机信号，证明检测信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验。

水印相似度检验的通用公式为：
W W W
W Sim ** = 或 W W W W W W Sim ***= （5） 其中W 表示估计水印，W 表示原始水印，Sim 表示不同信号的相似度。

4.2 评价标准
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一幅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S N R、峰值信噪比P S N R 和均方差M S E等。

其中M S E 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；S N R 和P S N R 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N C 和误码率B E R 来度量。

N C 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。

总之，在统一了评估标准以后，水印算法的作者只需提供一份测试结果列表，其他研究者就能对算法的性能产生较为全面的认识，有利于对算法的深入研究及推广。

5 数字水印的应用
数字水印技术的出现和发展都有着它深刻的历史背景。

但如同其它许多技术的发展一样，当一种技术发展到一定阶段，必将在其它领域找到它的应用。

接下来我们给出了几个典型的数字水印应用实例，并分析了这些具体应用环境对数字水印技术的要求。

5.1 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，可以将其细分为以下三类：
（1) 所有者鉴别
水印以不可见方式嵌入到数字作品中，且与包含水印的内容密不可分，因此水印可能比文本标记更适合于所有者鉴别。

这类应用主要通过检测器来提取水印
信息，以判断作品的所有者。

（2) 所有权验证
这种应用针对的是未经授权的去除以及嵌入，即攻击者可能在其盗版的作品中再嵌入他自己的水印信息而引起版权纠纷。

这类应用要求水印是不可去除的，而且攻击者不能在含水印的作品中再嵌入另外的信息。

（3) 操作跟踪
作品所有者在其发行的每个作品拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹”，该水印可根据用户的序列号和相关的信息生成，一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。

这种应用要求水印易于提取，且要有很高的鲁棒性。

5.2 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目，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目中，在播放终端播出前，提取水印信息进行验证，并去掉水印，以确保源内容还原播出。

全过程由计算机自动控制，效率高，实时性好，安全可靠。

5.3 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。

5.4 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”变为“看不见”，不会成为好事者的攻击目标。

6 数字水印技术研究展望
目前人们已经提出了许多数字水印的算法，但由于并未形成一个数字水印的标准，也没有形成一套数字水印的协议，而且许多算法也需要进一步的改进。

在
数字水印技术研究方面，也存在着很多尚待解决的问题，未来数据水印的主要研究方向有：
（1）抗几何攻击的稳健水印算法研究
在水印的盲检测中，水印抵抗几何/时间变攻击一直是一个困难问题。

目前国内外学术界虽然己经提出了许多不同的方法并取得了一定进步，但重大突破还没有出现。

（2）内容可恢复的半易损水印研究
如何使半易损水印算法能更好地区分善意的图像处理和恶意的局部内容篡改，甚至对图像局部内容的恶意篡改更准确定位，获取容失真的原因和具体的篡改方式，使遭受较大面积篡改的图像可以进行近似重建包括无损信息隐藏，是一个很值得进一步研究的有意义的方向。

（3）人类视觉系统感知模型的深入研究
虽然许多学者研究了各种人类视觉系统感知模型的使用，但是关于如何在保真度和鲁棒性限制下最优嵌入水印的成果却相对少；如何建立一个更准确的人类感觉模型(HVS /HAS)值得研究。

（4）非对称水印技术的研究
和密码学中的非对称密码相似，我们希望构造一水印，对于任何人来说，都能轻易地进行水印检测，而只有掌握密钥的人才能嵌入抹去水印。

目前, 真正满足这种要求的实用水印方案尚未见报道。

（5）水印技术的应用和印刷水印的检测研究
结合已有研究成果，将水印算法应于实际生活与生产中的研究。

进一步研究抗打印、扫描、印刷等攻击的水印，实现对印刷水印检测的技术，则是更深入和更富有挑战性的研究课题。

此外，结合光电技术，研究基于光学原理或光电结合的信息加密和信息隐藏新技术，也是值得今后研究的方向。

7 结论
尽管在过去的几年中数字水印技术得到了迅速的发展，出现了许多有效的水印方案，就总体而言，它还处于不断发展的过程中，还有许多问题需要解决。

我们认为，今后数字水印技术可能会在以下几个方面得到更好的发展：新的水印方案能够抵抗各种各样的攻击；对数字水印算法的性能评价需要有更标准的方法，可以预见数字水印技术将成为多媒体安全领域的技术基础。

数字版权保护技术作为版权保护和安全认证的有力工具,具有极大的商业潜能，特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字版权保护技术的研究更具现实意义。

目前数字版权保护技术还是一个尚未完善的学科，对这一技术的许多重。