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背景     隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展 ，各種形式的多媒體數(shù)字作品 (圖象、視頻、音頻等 )紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表 ，其版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)迫切需要解決的問題 。由于數(shù)字水印 (digital watermarking)是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法 ，因此如今已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn) ，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支 。該技術(shù)即是通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息--水印 (watermark)來證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán) 。這種被嵌入的水印可以是一段文字、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等 ，而且這種水印通常是不可見或不可察的 ，它與原始數(shù)據(jù) (如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù) )緊密結(jié)合并隱藏其中，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而能保存下來 。數(shù)字水印技術(shù)除了應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外 ，還有著其固有的特點(diǎn)和研究方法 。在數(shù)字水印系統(tǒng)中 ，隱藏信息的丟失 ，即意味著版權(quán)信息的丟失 ，從而也就失去了版權(quán)保護(hù)的功能 ，也就是說 ，這一系統(tǒng)就是失敗的 。由此可見 ，  數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性和透明性 。典型數(shù)字水印系統(tǒng)模型圖 1為水印信號(hào)嵌入模型 ，其功能是完成將水印信號(hào)加入原始數(shù)據(jù)中；圖 2為水印信號(hào)檢測(cè)模型，用以判斷某一數(shù)據(jù)中是否含有指定的水印信號(hào) 。 數(shù)字水印主要應(yīng)用領(lǐng)域    版權(quán)保護(hù)　即數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個(gè)水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布他的水印版本作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者即可利用圖3或圖4的方法從盜版作品或水印版作品中獲取水印信號(hào)作為依據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán)益。      加指紋　為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行，出品人可以將不同用戶的ID或序列號(hào)作為不同的水印(指紋)嵌入作品的合法拷貝中。一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來確定它的來源。 標(biāo)題與注釋　即將作品的標(biāo)題、注釋等內(nèi)容(如，一幅照片的拍攝時(shí)間和地點(diǎn)等)以水印形式嵌入該作品中，這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。 篡改提示　當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)時(shí)，常需確定它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實(shí)現(xiàn)該目的，通?？蓪⒃紙D象分成多個(gè)獨(dú)立塊，再將每個(gè)塊加入不同的水印。同時(shí)可通過檢測(cè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊中的水印信號(hào)，來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測(cè)水印信號(hào)時(shí)，不需要原始數(shù)據(jù)。 使用控制　這種應(yīng)用的一個(gè)典型的例子是DVD防拷貝系統(tǒng)，即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，這樣DVD播放機(jī)即可通過檢測(cè)DVD數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護(hù)制造商的商業(yè)利益。 典型數(shù)字水印算法     近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行了分析，除特別指明外，這些算法主要針對(duì)圖象數(shù)據(jù)(某些算法也適合視頻和音頻數(shù)據(jù))。      空域算法。該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上 ，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由于使用了圖像不重要的像素位 ，算法的魯棒性差 ，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個(gè)常用方法是利用像素的統(tǒng)計(jì)特征將信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是隨機(jī)選擇Ｎ對(duì)像素點(diǎn) (ai，bi) ，然后將每個(gè)ai點(diǎn)的亮度值加 1 ，每個(gè)bi點(diǎn)的亮度值減 1，這樣整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)，Patchwork方法對(duì)JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對(duì)每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。      變換域算法。該類算法中，大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信 (spread spectrum communication)技術(shù)。算法實(shí)現(xiàn)過程為：先計(jì)算圖像的離散余弦變換 (DCT)，然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前ｋ系數(shù)上(不包括直流分量)，通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前ｋ個(gè)最大分量表示為Ｄ={ di }，i=1 ，… ，ｋ，水印是服從高斯分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列Ｗ ={ wi }，i=1 ，… ，ｋ，那么水印的嵌入算法為di = di(1 + awi)，其中常數(shù)a為尺度因子 ，控制水印添加的強(qiáng)度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像I。解碼函數(shù)則分別計(jì)算原始圖像I和水印圖像I＊的離散余弦變換 ，并提取嵌入的水印Ｗ＊，再做相關(guān)檢驗(yàn)       以確定水印的存在與否。該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴的水印拷貝。一個(gè)簡(jiǎn)單改進(jìn)是不將水印嵌入到ＤＣＴ域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調(diào)節(jié)水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外，還可以將數(shù)字圖象的空間域數(shù)據(jù)通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類型，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)，選擇某些類型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù)字圖象的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。該類算法的隱藏和提取信息操作復(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強(qiáng)，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。 壓縮域算法　基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。相應(yīng)地，水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。下面介紹一種針對(duì)MPEG-2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。雖然MPEG-2數(shù)據(jù)流語法允許把用戶數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)流中，但是這種方案并不適合數(shù)字水印技術(shù)，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單地從數(shù)據(jù)流中去掉，同時(shí)，在MPEG-2編碼視頻數(shù)據(jù)流中增加用戶數(shù)據(jù)會(huì)加大位率，使之不適于固定帶寬的應(yīng)用，所以關(guān)鍵是如何把水印信號(hào)加到數(shù)據(jù)信號(hào)中，即加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中。對(duì)于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言，它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量(用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)和DCT編碼信號(hào)塊3部分，在方案中只有MPEG-2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對(duì)DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman碼進(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個(gè)DCT系數(shù);其次，把相應(yīng)水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數(shù)，再重新進(jìn)行量化和Huffman編碼，最后對(duì)新的Huffman碼字的位數(shù)n1與原來的無水印系數(shù)的碼字n0進(jìn)行比較，只在n1不大于n0的時(shí)候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流位率。該方法有一個(gè)問題值得考慮，即水印信號(hào)的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號(hào)，而基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來，為解決此問題，該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨竵淼窒蛩⌒盘?hào)的引入所引起的視覺變形。 NEC算法　該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實(shí)現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯N(0，1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖象的哈希值組成，其次對(duì)圖象做DCT變換，最后用偽隨機(jī)高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺最重要的部分，這種水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布N(0，1)的特征。 生理模型算法　人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統(tǒng)HAS。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用，同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導(dǎo)出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而能避免破壞視覺質(zhì)量。也就是說，利用視覺模型來確定與圖象相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插入水印。這一方法同時(shí)具有好的透明性和強(qiáng)健性。來源：IBM中國 作者：戴元軍