数字水印综述

签名 ，生成新的嵌入水印的图像 ，其数学描述为
,=
(1)
值得注意的是水印 也许依赖于图像 。此时，由 (1) 式描述的
编码过程仍然有效。图 1 展示了编码的过程。
2.2 解 码 过 程
解码函数 接受输入图像 ,然后从图像 恢复出水印 。
图像 可以是被嵌入水印或者未被嵌入水印的图像，也可能是
被 损 坏 的 图 像 , 其 所 有 权 有 待 确 定 。在 此 过 程 中 ，还 包 含 一 个
Overview of digital watermark
ZHAO Xiang, HAO Lin (School of Information, Yunnan University, Kunming 650091, China)
Abstract：A digital watermark embeds an imperceptible signal into data such as audio, video and images, for different purposes, including captioning and copyright control. First, the basic principle, important properties and the main frame of digital watermarks are introduced. Then the digital watermark is classified into different types according to various aspects. Further more, various digital watermarking algorithms and its applications in different fields are analyzed. And the attacks on digital watermark are also simply introduced. Finally, the recent and future research in this field and the prospect of this technology are given. Key words：digital watermark; information hiding; watermark insertion; watermark extraction; watermark verification
的过程。
测试图像
提取出的水印 D
原始的图像
图 2 解码过程
提取的水印
X
原始的水印
图 3 验证过程
水 印 必 须 能 够 被 检 测 或 提 取 出 来 。根 据 水 印 嵌 入 的 方 式 和 水 印 算 法 的 本 质 ，各 种 水 印 策 略 可 以 是 大 不 相 同 的 。 在 一 些水印策略中，水印能够从图像中提取出来，这个过程称为水 印 提 取 。 在 另 一 些 策 略 中 ，仅 仅 只 能 检 测 出 特 定 的 水 印 是 否 被 嵌 入 图 像 ，这 个 过 程 称 为 水 印 检 测 。值 得 注 意 的 是 ，水 印 提 取 能 够 证 明 所 有 权 ，而 水 印 检 测 就 仅 仅 只 能 证 明 所 有 权 。
2 数字水印的框架
数字水印是将一些诸如水印、数字签名、标签或者商标等
水印信息嵌入到多媒体对象中以至于事后水印能够被检测或
提 取 出 来 的 一 个 过 程 ，从 而 能 够 证 明 多 媒 体 对 象 的 所 有 权 。多
媒 体 对 象 可 以 是 图 像 、音 频 或 者 视 频 。 数 字 水 印 的 一 个 简 单
－ 1946 －
作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥和私有密钥)体 系 来 加 强 ，在 水 印 的 嵌 入 和 提 取 时 采 用 一 种 密 钥 ，甚 至 几 种 密 钥联合使用。
数字水印的特性如下： （1）透明性：对于以模拟方式存储和分发的信息 (如电视 节目)，或是以物理形式存储的信息 (如报刊、杂志)，用可见的 标 志 就 足 以 表 明 其 所 有 权 。 但 在 数 字 方 式 下 ，标 志 信 息 极 易 被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型和几何特性， 利用用户提供的密钥将水印隐藏到一系列随机产生的位置中， 使人无法察觉。 （2）鲁 棒 性 ：水 印 必 须 对 一 般 的 信 号 处 理 操 作 ( 如 滤 波 、平 滑 、增 强 和 有 失 真 压 缩 等 )、删 除 攻 击 和 迷 惑 攻 击 等 具 有 鲁 棒 性 。 除 非 对 数 字 水 印 具 有 足 够 的 先 验 知 识 ，任 何 破 坏 和 消 除 水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。 （3）不 可 检 测 性 ：包 括 两 方 面 的 含 义 ：① 水 印 信 息 与 原 始 载 体 数 据 具 有 一 致 的 特 性 ，使 攻 击 者 无 法 通 过 信 息 分 析 手 段 判 断 多 媒 体 数 据 中 是 否 存 在 水 印 ；② 水 印 信 息 本 身 具 有 不 可 统 计 性 ，避 免 攻 击 者 通 过 统 计 多 个 多 媒 体 数 据 进 而 分 析 存 在 的相似性来进行攻击。 （4）安 全 性 ：指 水 印 嵌 入 算 法 具 有 较 强 的 抵 抗 攻 击 的 能 力 ，能 够 承 受 一 定 程 度 的 人 为 攻 击 而 使 水 印 不 会 被 破 坏 。 （5）自 恢 复 性 ：经 过 一 些 操 作 或 者 变 换 之 后 ，可 能 会 使 原 始 载 体 数 据 产 生 较 大 的 破 坏 ，如 果 从 留 下 的 片 断 数 据 能 够 恢 复 信 号 ，就 是 所 谓 的 自 恢 复 性 。
序 列 比 较 ，然 后 产 生 一 位 二 进 制 输 出 。如 果 签 名 匹 配 ，则 输 出
为 1，其它则输出为 0，可以用公式表示为
1源自文库 ≤
, =0，其它
这里 是相关器， = , 。 是两个水印 和 的相关
性， 是确定的阀值。为不失一般性，水印策略可以被描述为
一三元组 ， ， 。图 2 展示了解码的过程，图 3 展示了验证
0引 言
当 前 ，计 算 机 的 普 及 使 得 很 多 文 学 或 艺 术 作 者 直 接 将 作 品 以 数 字 方 式 记 录 和 存 储 下 来 ，而 网 络 的 飞 速 发 展 也 为 数 字 作 品 的 传 输 提 供 了 便 利 。这 些 条 件 使 得 数 字 作 品 与 传 统 作 品 相 比 ，在 创 作 和 传 播 上 具 有 很 大 的 优 越 性 。 数 字 作 品 具 有 极 易 被 理 想 复 制 的 特 性 ，这 是 其 能 够 被 快 速 传 播 的 重 要 原 因 之 一 ，但 这 一 特 性 也 会 被 侵 权 者 非 法 利 用 。目 前 ，盗 版 已 成 为 对 数 字 化 产 业 最 大 的 威 胁 ，这 在 相 当 程 度 上 阻 碍 了 其 自 身 的 发 展 ，对 数 字 媒 体 版 权 所 有 者 来 说 ，反 盗 维 权 的 要 求 迫 在 眉 睫 ， 而数字作品的版权保护不仅仅是一个立法问题，也是一个 技术问题。
例子就是一个可见的印章被置于图像上来标示版权。然而，
水 印 可 能 还 包 含 一 些 附 加 信 息 ，这 些 附 加 信 息 又 包 含 了 多 媒
体对象副本购买者的身份标示。
通常，任何一个数字水印算法都由 3 部分组成：①水印；②编 码器 (也称之为嵌入算法)；③解码器和比较器 (也称之为验证算
第 27 卷 第 11 期 Vol. 27 No. 11
计算机工程与设计
Computer Engineering and Design
2006 年 6 月 June 2006
数字水印综述
赵 翔， 郝 林 (云南大学 信息学院, 云南 昆明 650091)
摘 要：数字水印 将感觉不到的 信号嵌入到声频 、视频和图 像中以实现不同 的目的。例如: 添加标题和版 权保护。首先 介绍 了有 关数字水印的基 本原理、重要属 性及其主体框架 。然后,将数字水 印按不同角度划 分为不同种类。讨 论了各种各样 的数 字水印算法以及数字水印在不同领域的应用,并简要介绍了对数字水印的攻击。最后,给出了数字水印当前的研究现状和发 展形式及前景。 关键 词：数字水印; 信息隐藏; 水印 嵌入; 水印提取 ; 水印验证 中图 法分类号：TP309 文献标 识码：A 文章编号：1000-7024 (2006) 11-1946-05
1 数字水印技术的基本原理
数 字 水 印 的 思 想 源 于 古 代 的 隐 写 术 ，是 通 过 一 定 的 算 法 将 一 些 标 志 性 信 息 直 接 嵌 到 多 媒 体 内 容 当 中 ，但 不 影 响 原 内 容 的 价 值 和 使 用 ，并 且 不 能 被 人 的 知 觉 系 统 觉 察 或 注 意 到 。水 印 信 息 可 以 是 作 者 的 序 列 号 、公 司 标 志 或 有 特 殊 意 义 的 文 本 等 ，可 用 来 识 别 文 件 、图 像 或 音 乐 制 品 的 来 源 、版 本 、原 作 者 、 拥 有 者 、发 行 人 或 合 法 使 用 人 对 数 字 产 品 的 拥 有 权 。 与 加 密 技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可 以 判 别 对 象 是 否 受 到 保 护 ，监 视 被 保 护 数 据 的 传 播 、真 伪 鉴 别 、非 法 拷 贝 、解 决 版 权 纠 纷 并 为 法 庭 提 供 证 据 。
传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证也具 有 一 定 的 局 限 性 。首 先 ，加 密 方 法 只 用 在 通 信 的 信 道 中 ，一 旦 被 解 密 ，则 信 息 就 完 全 变 成 明 文 ；另 外 ，密 码 学 中 的 完 整 性 认 证 是 通 过 数 字 签 名 方 式 实 现 的 ，它 并 不 是 直 接 嵌 到 多 媒 体 信 息 之 中 ，因 此 无 法 察 觉 信 息 在 经 过 加 密 系 统 之 后 的 再 次 传 播 与 内 容 的 改 变 。这 样 ，数 字 水 印 技 术 作 为 加 密 技 术 的 补 充 ，在 多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。
数 字 水 印 是 新 近 提 出 的 一 种 版 权 保 护 手 段 。它 是 利 用 数 字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌入在数 字 作 品 本 身 ，从 而 起 到 保 护 数 字 作 品 版 权 的 一 种 技 术 。 数 字 水 印 可 以 标 识 和 验 证 出 数 字 化 图 像 ，视 频 和 声 频 记 录 的 作 者 、 所有者、发行者或授权消费者的信息，还可追溯数字作品的非 法分发，是目前进行数字作品版权保护的一种较为有效的 技术手段。
为 了 给 攻 击 者 增 加 去 除 水 印 的 难 度 ，目 前 大 多 数 水 印 制
收稿日期：2005-04-30。 基金项目：云南省自然科学基金项目 (2002F0010M)；云南省信息网络开发技术专项计划基金项目 (2004IT06)。 作者简介：赵翔 (1980－)，男，云南昆明人，硕士研究生，研究方向为信息安全； 郝林 (1955－)，男，山东日照人，教授，研究方向为信息安 全和人工智能。
法，还可以称之为提取算法或检测算法)。每一个所有者都有惟
一的水印，或者一个所有者能够将不同的水印嵌入到不同的对象
中。嵌入算法将水嵌入到对象中，把水印和对象合为一体。验证
算法用于鉴别对象以决定其所有者和其完整性。
2.1 编 码 过 程 我们用 来表示图像，用 = 1, 2, 来表示签名,也称为水印，
用 来表示嵌入水印后的图像。 是编码函数，它接受图像 和
原始图像
嵌入水印的图像
水印
图 1 编码过程
附加的图像 ，图像 通常是 的未被嵌入水印的原始图像。这
是 由 于 在 实 际 当 中 ，一 些 编 码 策 略 可 能 会 利 用 原 始 图 像 来 提
供额外的健壮性以使其能够抵抗有意或无意的像素损坏。
其数学描述为
,=
（2）
被提取的水印 将会通过比较函数 来与所有者的签名