数字水印技术大全11篇

时间：2022-04-06 09:06:00

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数字水印技术

篇（1）

中图分类号：TP391.41

文献标识码：A

引言

随着计算机多媒体技术及网络技术的迅速发展，文字、图形图像、音视频等信息可以通过数字媒体广泛地传播。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和Internet的全球传播能力给人们带来信息共享的同时也带来了许多负面的影响。由于对数字信息的复制非常容易，而且所得复制品和原件几乎完全相同，因此有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者许可的情况下复制、修改、传播有版权的内容，甚至非法用作商业用途，严重侵犯了作者及版权所有者的利益。为了有效地解决信息安全和版权保护等问题，近年来出现了加解密、数字签名、数字指纹、数字水印等多种技术。其中数字水印是20世纪90年代出现的一门崭新的技术。它通过在数字产品中嵌入水印信息来确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性，它弥补了加解密技术不能对解密后的数据提供进一步保护的不足，弥补了数字签名不能在原始数据中一次性嵌入大量信息的弱点，弥补了数字指纹仅能给出版权破坏者信息的局限。

2　数字水印的概念和基本原理

2.1数字水印定义

数字水印(Digital Watermark)技术是用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，但不会影响原内容的价值和使用，它不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、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、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、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。作为数字水印技术应当满足下面几个方面的要求：

’a.隐蔽性：数字水印应该是不易被察觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；

b.安全性：加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易被破解，即使被黑客检测到了也不能读出(数字水印需要加密)；

c.鲁棒性：当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不容易被破坏。

2.2数字水印技术的基本原理

一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测、提取两个阶段。数字水印的生成阶段，嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印(如字符串或图标等)，或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强，在水印的嵌入，提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用。水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示：

3　数字水印的分类

数字水印技术可以从不同的角度进行划分。

3.1按特性划分

按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，它必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

3.2按水印所附载的媒体划分

按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

3.3按检测过程划分

按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。

3.4按内容划分

按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。

3.5按用途划分

按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。

3.6按水印隐藏的位置划分

按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时／频域数字水印和时间／尺度域数字水印。

4　数字水印的应用

4.1

数字作品的知识产权保护

数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据中，然后公开他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。

4.2商务交易中的票据防伪

随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。此外在电子商务中会出现大量过渡性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。

4.3篡改提示

当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定他们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常将原始图像分成多个独立块，每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。

4.4访问控制

在多媒体发行体系中，人们希望有一种拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。在封闭或私有系统中，可用水印来说明数据的拷贝状况。一个典型的例子是DVD防拷贝系统。将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。

4.5信息隐藏

数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容隐藏，无需额外带宽且不易丢失。此外，数字水印还可用于隐蔽通信，这在国防和情报部门将得到广泛应用。

5　数字水印技术研究展望

数字水印技术有着广泛的研究前景和巨大的商业潜能。但作为一种新兴的技术，它还面临着许多尚未解决的难题。从目前的技术和应用分析，数字水印技术未来的研究方向体现在以下两个方面。

第一，不断完善水印技术理论框架。数字水印技术要得到广泛应用必须建立一系列标准或协议，完善水印评价的理论体系，制定水印的测试和评价标准，设计一个能对各种不同水印算法进行公正比较评价的水印评价系统。

第二，水印算法研究。通过现有数字水印算法的研究，结合数字信号处理技术，寻找它们的关系，设计出更好的算法。

参考文献

篇（2）

【中图分类号】TP309.7 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0204-02

一、脆弱数字水印的产生

随着计算机网络和多媒体信息处理技术的迅速发展，使得图像、视频和音频等各种形式的多媒体数字作品的制作、编辑、复制和传输变得极其便利。然而，新技术必然会带来一些新的问题，例如，软件产品的盗版、数字文档的非法拷贝、数字多媒体产品的版权保护等等；尤其，当数字多媒体作品被用于法庭、医学、新闻和商业用途时，需要确定其内容是否曾被修改、伪造或者特殊处理过，必须保证数字多媒体作品内容的真实性和完整性。在开放的网络环境下，人们对信息安全的要求越来越迫切，都希望能在信息传播的过程中对自己的秘密信息加以保护。数字水印技术作为版权保护和安全认证的有力工具诞生于90年代初，并且在数字多媒体产品中的应用需求日益增加，呈现出巨大的商业潜力。

数字水印作为信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是一种可以在开放的网络环境下，保护多媒体产品版权和认证来源及完整性的新型技术。数字水印技术通过将数字、序列号、文字和图像标记等版权信息嵌入到多媒体当中，在嵌入过程中对多媒体载体进行尽量小的修改，以达到最强的鲁棒性，当含有水印信息的多媒体受到攻击后仍然可以恢复或者检测出水印的存在，这也是实现多媒体产品版权保护的有效办法。数字水印技术的诞生为多媒体产品的信息安全问题注入了新的生机与活力。数字水印技术是一个多学科交叉的新兴研究领域，它涉及了信号处理、密码学、通信理论、数理统计理论、编码理论、数据压缩和人类视，听觉理论等多门学科。数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们已经发现了数字水印技术更多更广的应用。

第一种应用于图像的水印技术是由Caronni等于1993年提出的“’。后来，数字水印技术的应用范围逐渐扩展到其它数字媒体，如音频、视频等。数字水印技术的功能也逐渐由最基本的多媒体作品版权保护，发展到访问控制、票据防伪、多媒体数据篡改提示、隐蔽通信等更多的应用需求方面。与图像和视频数字水印相比，由于人类听觉系统HAS（Human Auditory System）比视觉系统HVS（Hman Visual System）具有更高的敏感度，对随机噪声相当敏感，使得可以嵌入的水印数据量非常有限，所以向音频信号当中嵌入水印信息时，对水印的隐蔽性有着更高的要求，水印的隐藏也显得更加困难，因此，国内外对音频数字水印的研究并不多见。而且通常情况下，由于多媒体传播环境的开放与复杂，多媒体编辑处理工具的广泛开发，使得多媒体数据总是会受到有意或者无意的攻击操作，于是，目前的研究大多集中于数字水印的鲁棒性设计，希望多媒体产品无论受到何种变形操作，都能从中提取出水印来，但是，对用于真实性和完整性保护的脆弱数字水印的研究却相对较少。

与一般的数字水印一样，脆弱数字水印也是在保证多媒体作品一定视觉或听觉质量的前提下，将序列、文档、或者图像作为水印信息，以人类不可感知的方式嵌入到多媒体作品当中。但是与鲁棒性数字水印不同的是，当嵌有脆弱数字水印的多媒体作品数据发生篡改时，通过对水印的检测或者提取，可以对多媒体载体的真实性和完整性进行鉴定，并且能够指出被篡改的位置，甚至是篡改的程度和篡改类型等等。介于鲁棒性水印和脆弱性水印之间的是半脆弱数字水印，它对恶意篡改非常敏感，同时又对一些常规的信号处理操作（如添加噪声、滤波、MP3压缩等）有一定的鲁棒性，主要用于选择认证，保护一般的多媒体数据内容。而对一些要求极其精确的数字媒体，如文档、医学图像、法律证据音频录音等，即使是非常轻微的修改都可能造成实质上完全不同的信息，脆弱数字水印正是针对这类应用而设计的，它能够准确地检测出对多媒体数据内容的任何修改并且能够对修改的部分进行精确定位。无论从理论角度还是应用角度来看，开展对脆弱性数字水印技术的研究，不但具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。

二、脆弱数字水印的特点

脆弱数字水印技术就是在保证多媒体文件在一定听觉/视觉质量的前提下，将序列号、文字、图像标志等版权信息，以人类不可感知的方式，嵌入到多媒体文件的数据中。脆弱数字水印主要用于多媒体文件的内容及版权等关键信息的真实性鉴定，防止非法篡改和伪造，强调的是一种多媒体数据完整性和有效性的标注功能，以及对多媒体数据破坏和攻击的定位分析能力。因此，脆弱数字水印是一类对常见信号处理操作都比较敏感的水印，只要含有水印的多媒体文件稍作修改，嵌入其中的水印就能反映出多媒体文件发生的轻微变化，只有这样才能通过对水印信息的检测或提取来鉴定多媒体文件的真伪以及被篡改的情况。

用于多媒体作品完整性和真实性认证的脆弱数字水印，除了具有数字水印的基本特征如不可感知性、安全性以外，还必须具有对恶意篡改的敏感性和脆弱性。在实际应用中，一个实用的脆弱数字水印应该具备以下特征：

（1）良好的透明性。对多媒体文件来说就是不可感知性，嵌入水印后的多媒体文件要让人在视觉或听觉范围内，感觉不到任何变化，这样才能保证原始多媒体文件的使用价值，保证文件内容的真实性，因此在水印的不可感知性要求上，对脆弱性数字水印的要求比鲁棒性水印要更高些。

（2）盲检测认证。在完整性认证阶段不需要原始的多媒体文件，这对用于认证的脆弱数字水印来说是必须的，如果能确知原始的多媒体文件，就不存在真实性保护的问题了；另一方面，某些应用中根本就没有原始数据，比如询问证人的证词录音，为保证证词的真实性，需要在录音时自动嵌入水印，否则无法实现真实性的鉴别。

（3）良好的敏感性。要求多媒体文件中的脆弱水印能灵敏地被最普通的信号处理技术所改变。理论上，在检测端作完整性认证时，应该能够检测到所有影响多媒体文件质量的恶意篡改，即对恶意篡改的检测概率趋向于100%。

（4）防止“伪认证”攻击的能力。意思就是防止多媒体数据被篡改后仍能通过认证。对脆弱数字水印来说，不必强调其对恶意攻击的抵抗能力，因为对脆弱数字水印的攻击不是将水印信息除去或者使其不能被检测到，而是设法篡改多媒体的内容数据且不损坏水印信息，即使多媒体文件的内容发生了改变，但仍能通过认证。在图像应用中有例为证，Kundur基于小波的脆弱数字水印算法，当不采用“量化密钥”时，根据一个已嵌入脆弱水印的图像数据，可使任意一个与其相同尺寸的图像完全通过认证。音频应用中也存在这样的可能性。

（5）对篡改攻击部分进行定位。当含有水印信息的多媒体文件被恶意修改时，检测算法能指明文件内容被篡改的位置，这些信息可以用来推断篡改动机和篡改的严重程度。

如果在实际问题中有更高的要求，往往还需具备以下特征：

（6）对篡改的部分进行恢复。在篡改定位的基础之上，进一步恢复出多媒体文件被篡改前的真实内容，并且能够根据恢复的内容推断出篡改的方式以及篡改的类型，以提供篡改的证据。

（7）能与鲁棒性数字水印很好地共存。有时候单单依靠脆弱数字水印并不能同时满足多种用途，需要同时嵌入多个水印，不同的水印担负不同的使命，这样多媒体文件才能够更好地适应复杂多变的环境，满足不同应用场合的需求，同时实现多媒体文件版权保护和内容认证的功能。

三、脆弱数字水印算法概述

从1993年开始就有研究者从事脆弱数字水印算法的研究，初期的研究大多都是借用密码学的观点和方法，研究者常常使用密码学中的哈希（Hash）函数作为脆弱水印完整性认证的方法。Friedman利用密码学中的哈希函数，通过保存经过Hash后的图像数据，从而达到认证的目的，但是这样需要保存额外的认证数据――Hash值，并且认证得到的结果只有两种：“是”或“否”，并不能报告图像数据失真的具置。

Schneider和chang提出基于图像内容的方法，利用图像特征（如亮度直方图、DCT系数、边缘信息等），通过哈希函数得到用于认证的消息，因为图像本身的特征具有一定的稳定性，如果图像内容发生改变，则图像特征也会有所改变，这样可以保护图像数据中的每一个像素都不能改变。但是，它仍然需要保存额外的数据，不过提取图像特征的方法值得借鉴。

张和王在Yeung和PingWah的研究基础上提出了一种利用查找表和哈希函数的小波域脆弱水印算法。首先利用小波变换的时频特性，在图像的LL子带用查找表的方法嵌入一个标识水印，用于检测和定位篡改；再选取HL子带或LH子带的哈希值作为水印嵌入到HH子带中，用于抵抗各种伪认证攻击。该算法既提高了基于分块的脆弱水印算法的安全性，又保持了良好的局部修改检测性能。

李和侯提出了一种新的混沌脆弱数字水印算法，该算法利用混沌系统对初值的极端敏感性和块不相关水印技术，将图像DCT次高频系数和水印密钥合成为Logistic混沌映射的初值，从而生成水印，再将水印嵌入到图像DCT的高频系数中，利用图像DCT系数之间的关系，实现了水印的嵌入和盲检测。该算法计算简单，具有较高的峰值信噪比和良好的篡改定位能力。

脆弱数字水印技术在图像领域中的研究应用得到了很好的发展，随着多媒体介质类型的增加，音频、视频在网络上的应用需求逐渐增大，研究学者们逐渐将研究方向转向到音频领域，很多良好的算法也从图像领域移植到了音频领域。

Radhakfishnan和Memon根据听觉质量相似的两个音频之间的掩蔽曲线必定一样的原理，提出了一种基于特征的音频内容认证技术。首先计算音频掩蔽曲线的Hash值，然后采用已知的数据隐藏方法将Hash值作为水印信息嵌入到音频信号当中。检测时，将水印信息提取出来与之前计算的Hash值进行比较，计算其相关系数，再与事先设定的相关系数门限值进行比较，判断内容是否被篡改。检测算法可以将常规的音频信号处理与恶意篡改操作区分开来。

王等利用离散小波变换的多分辨率特性，提出了一种小波域脆弱音频水印算法，通过等概率随机量化音频信号不同子带的小波系数，并将视觉可辨别的有意义的二值图像作为水印嵌入其中，该算法对滤波、有损压缩、重采样等攻击具有很强的敏感性，通过比较提取出的水印和原始水印的归一化相关系数，可以很容易对音频信号是否被篡改做出结论。

全和张以改进的心理声学模型为基础，提出了一种小波包域的脆弱音频水印算法。该算法将改进后的心理声学模型用于比小波域灵活性更大的小波包域中，首先根据子带掩蔽阈值，水印嵌入和提取端要求的计算复杂度，自适应地选择最好小波包基函数，对音频信号进行接近于临界频带的分解，然后采用量化小波包系数的方法自适应地嵌入二值图像水印信号。检测算法不仅能够认证音频的完整性，而且能够在时域和频域中定位被篡改区域，可用于衡量法庭证据及新闻广播等的可信度。

袁等提出了一种音频内容认证系统。该算法通过计算音频帧之间的相似性，得到基于音频特征的位置序列，将其置乱和调制后，嵌入到原始音频的离散小波域中。采用相关检测来实现对音频内容的认证，并通过提取出的位置序列，找到被篡改帧的最相似帧，进行篡改内容的近似恢复。该算法在抵抗中等强度的MP3压缩、上下行采样等保持内容的音频信号处理的同时，能够检测出篡改、剪切等恶意攻击操作，能够对篡改位置进行精确定位对被篡改的音频片段进行近似恢复。

冯等利用音频特征生成数字水印，提出了一种用于音频内容认证与恢复的数字水印算法。该算法将音频分段后的每段主要DCT系数及其位置信息作为主要特征，经过量化和加密生成水印，再将水印嵌入到另一个音频段的最低比特位中。该算法不仅能检测和定位对音频内容的篡改，而且能够对篡改的音频段进行近似的恢复，保持较好的复原质量。

篇（3）

(1)对于Γ的任何一个授权子集A∈Γ，A中的全体成员可以利用他们所拥有的秘密份额来恢复秘密S；

(2)对于Γ的任何一个非授权子集BP，BΓ，B中的成员无法利用他们的秘密份额来重新恢复秘密S。

秘密共享的概念最早由Shamir和Blakley在1979年提出，并给出(r，n)秘密共享门限方案。所谓(r，n)(其中r、n为正整数，且r≤n)秘密共享门限方案是指在用户数为n的用户集团内共享某个秘密(如K)的方法。在这个方法中，任意r个属于集团的用户都能合作计算出K的值，但当用户个数少于r时不能计算出K。如n个用户间共享一个密钥K，每个用户i持有一个密钥碎片ki(i=1，2，3，…，n)，基于其中任意不同的r(r≤n)个密钥碎片ki1，ki2，…，kir(1≤i1，i2，…，ir≤n)都可以恢复出密钥K，而由任意r-1个或更少的密钥碎片都不能得出关于密钥K的信息。

应用(r，n)秘密共享体制，攻击者必须获得超过一定数量(门限值r)的秘密碎片才能获得密钥，这样提高了系统的安全性；当某些碎片(不超过n-r个)丢失或被毁时，利用其它秘密份额仍然能够获得秘密，这样提高了系统的可靠性。在恢复秘密K时，参与者必须提供正确的秘密份额，否则恢复会失败，不正确的秘密份额又称为恶意子密。秘密共享体制在实际当中应用广泛，可用于分散重要的信息，如通信密钥的管理、数据安全、银行网络管理、导弹控制发射等。

对于联合数字水印来说，其嵌入过程与一般水印的嵌入过程相同。但是在联合用户的应用背景下，当检测过程不成功时，嵌入单一联合数字水印不具备分辨单个联合用户的能力。例如设用户为A、B，当水印检测成功时，即可认定用户A、B都为具有部分联合所有权的用户，而且A、B一起拥有对水印作品的所有联合所有权。但当水印检测不成功时，无法分辨下列三种所有权分布情况：

(1)用户A、B皆为不合法的联合用户。

(2)仅用户A为不合法的联合用户。

(3)仅用户B为不合法的联合用户。

为了分辨单个联合用户，除了嵌入生成的长度为2L的联合数字水印W外，用户A可以嵌入自己的长度为L的水印W1，同时用户B也嵌入属于用户B的长度为L的水印W2。这样检测结果可能有以下情形：

(1)成功检测到所有水印：W、W1、W2。

(2)水印W、W1检测不成功，仅成功检测水印W2。

(3)水印W、W2检测不成功，仅成功检测水印W1。

(4)所有水印检测均不成功。

对以上情形分别判断为：

(1)所有水印被成功检测，用户A、B都为合法联合用户。

(2)仅成功检测水印W2，那么仅用户B都为合法联合用户。

(3)仅成功检测水印W1，那么仅用户A都为合法联合用户。

(4)所有水印均不能被成功检测，用户A、B都不具备联合所有权。

[摘要]本文简要介绍数字水印技术的定义，给出了数字水印系统框架的描述，并大致介绍了联合数字水印的一些思想。针对DCT变换在比特率较低时，会出现明显块效应的缺点，提出一种采用Gabor变换的嵌入方法，使联合数字水印技术更加完善。

[关键词]数字水印联合数字水印秘密共享体制离散余弦变换DCT

参考文献：

[1]陶亮，陶林.DGT与DCT在图像编码中的性能比较.

[2]陈海永.DCT域图像水印算法的研究.

篇（4）

0　引言

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。

1　数字水印技术原理及特征

数字水印技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中。目前大多数数字水印制作还采用加密(包括公开密钥、私有密钥)体系来加强保护，在水印的嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥。水印的嵌入和提取方法分别如图1和图2所示。

数字作品嵌入数字水印不应引起明显的降质，并且不易被察觉。水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。

鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数／模与模／数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。

在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个要求往往不能同时实现。不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。

2　数字水印技术在电子签章中的应用

2．1　电子印章的原理

电子印章是在电子政务或电子商务实施中使用计算机技术添加在电子文件的文字内容上面的印章图像。经过这种技术处理的有电子印章图像的电子文件，可以在本地或异地直接使用计算机控制下的文件印制设备输出有效的纸质盖章文件。作为现代密码学与东方印鉴文化相结合的产物，电子印章实际上就是数字签名加印章图片，数字签名是安全的保证，而印鉴则是权威的象征。电子印章技术要求电子印章和纸质盖章文件紧密结合，同时使用电子印章不能引起本单位盖章印件的混乱。电子印章的使用，可防止伪造纸质盖章文件的犯罪行为。然而，电子印章技术普及使用的前提条件是电子印章必须能被相关法律赋予合法性，同时在法院案件审理时能为印章持有人提供有效和权威的证明。

通过数字水印技术的使用，能实现电子印章的防伪性和不可否认性。所谓数字水印技术，是指采用信息处理技术把版权信息、认证信息等秘密信息(这些信息即数字水印)，嵌入到原始数据中去，但不影响原内容的价值和使用。数字水印信息可以是产品的序列号、版权所有者的标志等认证信息。通过特定的算法恢复和检测被嵌水印后，可有效地分析信息失真的情况，判断信息是否被篡改，为版权所有者提供信息被盗版的有利证据。因此，实用的数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和不可见性。

基于数字水印的电子印章将数字签名技术与数字水印技术有机地结合在一起。其中数字签名技术主要是对电子文档进行验证；而数字水印技术则侧重于解决电子印章打印出来之后印章的防伪问题，其基本原理是，在印章图片中嵌入不可见的水印信息，通过电子印章软件将含有水印信息的印章加盖到文件中。带水印的电子印章的生成和检测如图3和图4所示。

当盖有电子印章的电子文件发送到收文方时，接收方通过电子印章中所含的数字签名，以验证电子文档的完整性和真实性。验证通过后，文件可以被打印在纸质材料上。通过手持式水印检测仪对纸质文件中水印的检测，可以实现对文件的真实性、有效性的鉴别，以达到防伪的目的。如果没有手持式水印检测仪此类专用设备，也可以将打印出来的印章扫描进电脑，通过水印提取软件提取水印信息来鉴别印章的真实性。

2．2　电子签章应用

基于数字水印技术的电子印章可实现文档签章、手写签名、签章验证、身份认证、撤销签章、证书查看、移动签章的功能。电子印章在应用时，具有以下技术特点：①利用PKI技术，保证了电子印章中的数据的完整性和真实性(抗否认性)；②通过采用数字证书和电子印章或手写签名信息的绑定，确保签章信息来源可靠；③系统为每一个电子印章生成惟一序列编号，并与证书绑定，即使是同一个签章图片在不同的时刻生成的电子印章，其序列编号也不一样，从而防止印章位图的非法制作拷贝；④采用标准的散列算法(HASH)产生文件内容数字摘要，确保电子签章和被签文件的紧密绑定；⑤采用标准的RSA、DES算法加密电子签章实体数据，加强了签名信息的安全；⑥通过数字水印技术，实现了签章的不可复制性，即使对整篇文档进行复制，粘贴到新文档中的签章也将显示无效，彻底杜绝利用已有电子签章仿造新的文件。

篇（5）

1.DCT变换原理

离散余弦变换简称DCT，是一种实数域变换，其变换核为实数的余弦函数，计算速度较快，而且对于具有一阶马尔柯夫过程的随机信号，DCT十分接近于Karhunen-Loeve变换，因此它是一种近似最佳变换，很适合于图像压缩和随机信号处理[1]。

一维离散余弦变换（DCT）及其反变换公式定义如下：

2.DCT变换域系数选择

在基于变换域的水印系统中，水印嵌入位置的选择很重要，可以直接影响到水印系统的成功与否。目前版权保护是数字水印技术的重点应用领域，其特点是要求水印在日常环境或某些特定条件下是不可见的，而且把版权信息嵌入到普通图像后，嵌入的水印信息能承受对宿主图像进行的常规处理，且处理后的图像中仍然保存有可用的版权信息。由于对图像的常规处理主要影响图像高频信息部分，因此，要达到这一目标，在DCT变换域，应该选择DCT域中的低频系数，同时要排除DC分量[2]。

在日常生活与工作中，常规的图像处理软件处主要是对图像进行几何变换以及对图像锐度、色度的处理。这些处理主要对图像频谱中高频成分影响较大[3]。通过对图像进行DCT变换后的结果分析可知，变换后的低频系数一般远大于高频系数，且低频系数到高频系数的衰减很快。这表明图像本身的信息量基本位于低频区域。如果把水印信息嵌入到高频系数中，对宿主图像进行处理时，很容易把高频分量删掉，因此会造成水印信息的丢失，这对水印的保护不利。另一方面，由于图像的低频系数携带图像本身较多的信号能量，即使对图像进行常规处理后，仍能保留低频分量的主要成分，因此，如果把水印信息嵌入到宿主图像的低频分量，将使得水印信息不易受到攻击者的破快，将能好的保护水印信息。

结合人眼感知特点来分析，由于人眼对图像的灰度等低频信息较为敏感，因此，如果在图像的低频分量嵌入的水印信息过大时，将不能保证水印的不可见性。一般的解决方法是利用人眼的视觉特征，尽可能选择对低频系数改变不大、信息量小的水印信号[4]。通过扩频通信技术分析。如果将水印信息视为某信道中传输的信号，则图像低频系数可以视作为一个通信信道，对嵌入水印后的图像进行的攻击可以视为信号中的噪声。在实际的通信中，为了使得通信中的某个窄带信号能量不被察觉，通常采取的方法是把这个窄带信号通过一个较大的宽带信号进行传输，因此，把水印信息嵌入到图像的低频分量是合理的。但值得注意的是，由于DC分量所携带的信号能量远远大于其他的低频系数，因此水印算法中对低频分量的选择应该排除DC分量。

3.DCT变换域的数字水印嵌入方法

从本文前述所知，水印信息应该加在DCT变换的低频系数中。因此DCT变换域的数字水印嵌入算法首先需要从DCT变换结果中抽取若干个DCT低频系数，把水印信息嵌入到这些低频系数中，然后将嵌入了水印信息的低频系数重新插入到图像的频谱中，并对其进行IDCT反变换，得到嵌入水印后的图像。数字水印嵌入过程如图1所示。

在图1所示水印嵌入过程中，假设I宿主图像，D为存放DCT变换后生成的系数文件，D1为存放在D中加入水印后新系数的文件，I1为经过IDCT变换后得到嵌入水印后的图像。则水印嵌入过程描述如下：

（1）对宿主图像I进行DCT变换，将变换后所得的频谱系数保存到文件D。

（2）将文件D中DCT系数进行降序排序，然后抽取前N个最大值（除DC分量外），形成矢量T={t1，t2，…，tn}。

（3）将水印信号X={x1，x2，…，xn}依次加入T={t1，t2，…，tn}中，得到新的矢量T1={t11，t21，…，tn1}，如果需要，还可以对X={x1，x2，…，xn}加密后再进行处理。

（4）将T1={t11，t21，…，tn1}放回到原始文件D中矢量T所在的位置，得到加入水印后DCT系数，并且把这些系数存放到文件D1中。

（5）将D1进行IDCT反变换，生成加入水印后的图像I1。

4.DCT变换域的数字水印提取方法

水印的提取过程与水印的嵌入是互逆的。在水印的提取过程中，假设原始图像为I，加入水印后的图像为I1。水印提取的步骤可描述如下：

将加入水印后的图像I1分别进行全图的DCT变换，从DCT变换后的系数中抽取前N个最大值（排除DC分量），计算出水印信号X={x1，x2，…，xn}。在实际应用中，由于嵌入水印后的图像在传输的过程可能被攻击者恶意攻击，导致待检测图像和原始水印图像不同，所以实际提取的水印与原水印存在一定的差别。实际应用中还需要进行相关性判断。

图2为水印提取过程。水印的检测/提取过程为：对所须检测的图像进行水印的提取，其过程为水印嵌入的逆过程，将提取的水印与根据密钥生成的原始水印进行比较检测，确定水印是否存在。

5.实验与分析

实验过程在VC++环境中完成。使用如图3中（a）图为原始图像，其规格为256×256的24位彩色图像，水印图像如图3中（b）图所示，其规格为64×64的8位灰度图像。图4中（a）图为直接嵌入水印后的图像，对比图3中（a）图可以看出嵌入水印后的图像与原图几乎没有区别，图4中（b）图为提取出的水印图像，对比图3中（b）图，提取出的水印效果较好，由此可见DCT变换域的数字水印技术具有较好的实用性。

参考文献

[1]阳鑫.基于DCT变换的数字水印研究及其MATLAB实现[J].信息技术，2010，11：129-131.

[2]黄松，杨华千，张伟等.一种新的基于DCT的自适应数字水印算法[J].计算机科学，2006，33（6）：148-160.

篇（6）

随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。

一、数字时代的密写术———数字水印

数字水印（DigitalWatermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：

（一）隐蔽性

嵌入水印后的数据与原始数据相比，应感觉不到差别。嵌入水印后的数据不应该包括人们可以感觉到的失真而造成原始数据质量下降，这是一个具有主观性的属性，因而目前没有一个定量的标准来衡量。

（二）鲁棒性

所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。嵌入水印后的数据经受对数据一些恶意的处理，譬如滤波、再量化、抖动等以及一些蓄意的攻击后，应该还能得到嵌入的数据。

（三）密钥的唯一性

即不同的密钥不应产生等同的水印。

（四）检测的可靠性

水印检测出错的概率应小于某一合适门限值。这一特性描述了水印检测算法必须具有一定的确信度。

二、数字水印的分类

数字水印技术可以从不同的角度进行划分。

（一）按特性划分

按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。

（二）按水印所附载的媒体划分

按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

（三）按检测过程划分

按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。

（四）按内容划分

按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。

（五）按用途划分

按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。

（六）按水印隐藏的位置划分

按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。

三、数字水印的应用

多媒体技术的飞速发展和Internet的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。

（一）数字作品的知识产权保护

数字作品的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。（二）商务交易中的票据防伪

随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。另外，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。

（三）声像数据的隐藏标识和篡改提示

数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。

（四）隐蔽通信及其对抗

数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时（空）域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。

四、数字水印的未来

数字水印技术还有很多其它用途，并且其应用领域还在不断扩大。除了技术发展，市场营销和商业规划也极为重要，并且需要有深度的分析与战略计划。技术推广和普及也必不可少，以保证市场为接受数字水印技术做好准备。对此提出一些想法。

第一，如何利用水印算法，在网络环境中解决多媒体信息安全问题，成为了当前一个研究热点。多媒体信息的安全问题是：安全传递、访问控制和版权保护。通迃加密解密可以实现前两个目的，但是，解密后的数据可以随意在网络上分布、传播。在数字内容中嵌入唯一的标志（即数字水印），在出现争端纠纷时，根据提出的水印，可以证明真正的版权拥有者，或者找出非法传播的人。但是，这些应用只是被动的在争端发生时才体现出来，而且由于缺乏相应的法律支持，这些想法没有真正的实施。因此，有人提出数字水印，利用移动技术，在网络上自动搜寻非法或未授权的数字媒体内容，但是，其前提是主机需要安装相应的程序，因而带来了新的安全问题。我们提出在网络通信路上，如在路由器中加入水印检测算法（数字水印），在网路上检测非法传播，从而杜绝网络上数字媒体内容的非法传播。

第二，目前关于多播体系下嵌入水印的方案有人已经提出。但是，在此方案下的水印需要满足的具体特性，还没有详细的考察。传统的多播基于Internet首先要研究多播体系下的水印算法需要满足的特性，然后，针对特性设计相应的水印算法。

第三，数字影院的建设需要利用数字水印保护，通过嵌入不同版本的水印，跟踪非法泄漏。其中，对于小规模的应用，只要嵌入鲁棒水印，就可以很好地满足要求。对于大规模应用，则主要考虑共谋攻击。另外，还要结合数字影院的体系结构，如果采用多播，则要结合网络特性和压缩编码。

第四，提出activewatermark概念。首先，在媒体中嵌入不同等级的水印，决定用户的权限，在网络中检测提取水印，路由器根据这些水印的权限，决定是否转发，并且提供截获的详细报告。其次，在防火墙中嵌入水印模块，对出去的媒体内容，提取水印，根据水印判断是否为重要的内容，不能外泄，对局域网的多媒体内容提供有效保护；对传进来的多媒体内容，可以根据提取的水印判断员工是否有权使用，从而防止出现不必要的违法侵权行为。

【参考文献】

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中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)32-9043-02

Overview of Digital Watermarking Techniques for Binary Images

XU Nan, LI Wang-yan

(Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract: In the era of computer network, it is essential to take measures for copyright protection and data authentication of binary images, whose transmission is a major activity during everyday communication. Digital watermarking techniques have been proposed to address the issue. This paper reviews various watermarking algorithms for binary images, and analyzes their advantages and disadvantages. The paper also proposes several research topics at next stage.

Key words: binary image; digital watermarking; robustness

数字水印技术作为信息隐藏技术研究领域的重要分支,是实现多媒体版权保护与信息完整性认证的有效方法,现成为信息领域的一个研究热点。目前,大量的参考文献主要涉及到灰度图像、彩色图像以及视频、音频水印技术研究,二值图像因只有两个亮度等级,水印实施困难,故相关文献较少。但随着全球信息数字化进程的日益加快,大批的重要资料,如个人档案、医疗记录、学历证书、专利证件、手写签名、设计图样、馆藏图书、机要文件等,已扫描成数字化文档备存。再者,随着电子商务、电子政务的日趋流行,对网上发行的电子刊物进行盗版追踪,对来往的电子信函、公文或传真进行完整性认证也日益紧迫。而这其中,绝大部分信息资料为二值图像格式。因此二值图像数字水印技术研究也就显得尤为重要。

1 二值图像水印技术研究需解决的问题

二值图像即黑白图像, 其每个像素点只用一位表示,“0”代表黑,“1”代表白,这个特点决定了任意修改像素值是不可行的。在二值图像中嵌入水印时,不能像灰度图像和彩色图像中那样孤立的考虑一个像素点,而必须考虑该像素邻域情况,否则会引起视觉异常。与灰度图像和彩色图像相比,二值图像的视觉冗余少,二值图像的水印技术应重点考虑视觉的空间屏蔽效应(即视觉上的隐蔽性)问题。

二值图像水印技术的嵌入容量与鲁棒性是一对矛盾。很明显,鲁棒性越强嵌入容量越小,鲁棒性越弱嵌入容量越大,增强技术的鲁棒性会以牺牲隐藏容量作为代价。因此需在鲁棒性与嵌入容量之间寻求一种平衡,根据应用需求不同对鲁棒性与嵌入容量做不同的侧重。

2 二值图像数字水印典型算法

二值图像水印算法可按嵌入原理的不同分为:行移或字移、基于图像分块的水印算法、变换域水印算法等几类。

2.1 基于行移和字移的水印算法

文本行移位和字符移位的嵌入方法就是将文本图像的一行字符, 一个字符或是一个字符群做微小的整体移位来携带信息。这种方法适用于文本内容的二值图像。

Low 发表文章[1-2] 讨论基于字符移位、行移位的水印方法。该技术通过修改字符间距、行间距来携带信息, 修改幅度为1/150 英寸(1/381 cm) 。嵌入策略非常简单, 比如说字符行向上移嵌入“1”, 向下移嵌入“0”; 字符行向左移嵌入“1”, 向右移嵌入“0”, 嵌入的水印可以经的起扫描和打印的攻击,具有一定的鲁棒性。由于水印在打印或扫描时难免会引入量化噪声, 水印恢复时用极大似然法来判别。

2.2 基于图像分块的水印算法

分块嵌入的二值图像水印方法是一种较为典型的水印方法, 由于其算法简单、嵌入容量大,相对于其它算法而言具有更强的实用性。这一类嵌入方法就是把图像分成大小为M×N 的子块, 然后对划分的子块按某种规则进行计算确定嵌入策略,根据嵌入策略找出可以修改的像素, 然后直接对该像素进行修改。这种方法对所有的二值图像均适用。

2.2.1 修改块内黑白像素个数的奇偶性

Wu等人[3]提出一种算法,其主要思想是使通过控制“可翻转”的像素并利用置乱操作嵌入大量信息,信息的提取不需要原始图像的参与,可用于内容的认证和篡改提示,但确定可翻转像素是个复杂的过程。具体实现方法是,首先根据每个像素在其3×3邻域内的连通性和平滑度来计算该像素的翻转优先级,然后对图像置乱使可翻转像素点分散到整个图像。最后将图像分块,根据每个图像块中黑白像素的奇偶性分别嵌入“0”和“1”。

文献[4]对该算法进行了改进,把基于距离倒数的失真侧度(DRDM)引入到计算像素的翻转优先级,以减少图像嵌入信息后的失真度。

文献[5]中提出,将二值图像分割成大小为2×2 的图像块,利用图像块的奇偶性将一条二进制信息嵌入到黑白像素邻近的块中,嵌入1 位信息平均修改0.5 个像素,具有计算量小、嵌入信息量大、图像质量下降少、安全性高的优点。

文献[6]中提出,为了使可翻转像素在空间上均衡分布, 对原始图像进行随机排列和分块后, 在每一块中嵌入相同数量的水印。并根据随机排列的统计特性, 自适应地确定可嵌入水印像素, 以尽量减少对图像质量的损害。实验结果表明, 嵌入的水印不易被察觉。

2.2.2 修改黑白像素的比例

Koch和Zhao[7]提出一种算法,把图像被分成8 ×8 的子块, 用每个子块中黑白像素的多少来表示嵌入的信息, 具体的嵌入策略为: 根据图像中为“1”的像素所占百分比, 设定一个门限, 用子块中为“1”像素的百分比超过门限来表示“1”, 低于门限则表示“0”。对每个子块按上述嵌入策略进行修改即可完成嵌入。该方法具有一定鲁棒性, 但嵌入水印的图像块质量会明显降低。

2.3 变换域

在变换域水印技术方面,对二值图像来说,在变换域嵌入水印信息,再返回到空间域后,为了确保图像的二值性,需进行二值化处理,而这种二值化操作通常会大大削弱水印强度,甚至会除去水印信息,因此不能直接变换域上通过简单地修改系数来嵌入水印。

Lu[8]等人证明:对于二值图像,若通过修改DCT系数的直流系数(DC)来嵌入水印,则经二值化操作后,水印将不复存在;对于灰度图像,若通过修改来嵌入水印,当二值化阈值取为最大亮度与最小亮度的中值时,水印信息也将被除去。为此,他们提出将二值图像先经模糊预处理转换为灰度图像,通过修改灰度图像的DC来嵌入水印,在空间域进行二值化处理时,采用由水印信息动态决定的有偏阈值。该算法对局部剪切和噪声具有一定的鲁棒性,但提取水印时需原始图像。由于修改分量相当于将空间域的每个像素DC叠加上一个常数。

文献[9]中提出了一种基于DCTCDWT的二值文本频率域数字水印算法。算法结合了DCT 和DWT 二者的特点,将水印信号进行分块DCT 变换,按照从低频到高频的顺序对各块系数进行重新排列,对应嵌入到原始图像的DWT 分解子带中,强化了不可见性。对JPEG 压缩、加入高斯噪声、椒盐噪声以及剪切具有一定的鲁棒性。但该算法只适用于纹理复杂的二值图像,且提取水印时需原始图像。

3 几种典型的水印算法的分析和比较

行移或字移、基于图像分块的水印算法属于空域水印,相比变换域水印算法,该类算法特点是水印嵌入方法简单,但鲁棒性较差。而变换域水印的抗攻击能力很强,但是嵌入量较小,计算更为复杂。在实际应用中,根据实际需要,选取合适的算法。文本行行移位, 文本字符移位法属于大块图像做微小平行移位的嵌入方法,该方法水印嵌入容量小,但可以抵抗打印扫描、打印、影印、传真传送等这些二次量化引入的噪声的攻击,具有一定的鲁棒性。分块嵌入水印算法,水印嵌入容量较高,但鲁棒性较差。变换域水印,可以抵抗局部剪切和噪声等攻击,鲁棒性较好。表1给出几种典型算法的各自的特点和不足。

4 结论

在数字水印技术中,水印嵌入算法一直都是人们关注的焦点,由于二值图像只有两个亮度等级,过去二值图像数字水印算法研究主要集中在空域算法,在变换域嵌入水印认为几乎是不可能的,但是现在有越来越多的研究尝试并成功地在变化域的嵌入水印,相信今后随着多媒体产权保护和信息安全维护的推动,在这个领域将有更多、更好的成果出现。

参考文献:

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[5] 刘春庆,戴跃伟,王执铨.一种新的二值图像信息隐藏方法[J].东南大学学报:自然科学版,2003,33(z1):98-101.

[6] 周波,陈建.一种适用于二值图像的数字水印算法[J].上海交通大学学报,2004(09):1505-1508.

篇（8）

本文对数字水印这种先进的防伪印刷技术进行了介绍，由于在印刷品市场中盗版比较猖獗，造假人员会利用高精度的打印设备以及扫描设备对防伪标识进行模仿，这些盗版产品质量较差，缺页与重复的情况比较多，影响了正常的阅读与使用，对消费者造成了较大的损失。为了解决这一问题，相关人员利用了数字水印技术，其是一种新兴的防伪技术，防伪标志很难被模仿，在现代印刷中有着广泛的应用，而且取得了良好的应用效果。

1、数字水印技术在印刷中的防伪作用

数字水印是一项新型的防伪印刷技术，其是利用现代的信息技术将信息导入专业的软件中，并隐藏在载体数据中，在对印刷品进行防伪鉴定时，只需要将载体输入电脑中即可。这种防伪技术有着较高的工作效率，而且检测的准确性高，利用专业的软件，对载体数据进行提取，不需要借助其他的仪器或者设备，而且应用的成本比较低。数字水印是一种具有较高识别性的标识，其还具有一定隐藏性，人眼一般很难识别，其是一种不可见的形式将防伪标识隐藏在印刷品中，在辨识时必须利用计算机，在自然光下无法发现标识图像的差异。所以在检测真伪时，需要利用特殊的仪器、工具。数字水印是利用数字技术将水印隐藏在印刷品中，其有着多种形式，可能是图像，也可能是文本信息，还可能是指纹等新型的生物信息，隐藏的水印不会出现变质问题，其保存的时间比较长，不会随着外界环境的变化而改变。数字水印是一种嵌入式的防伪技术，在设置时，还具有随机性，所以，造价人员很难对其进行复制。另外，水印的位置也是随机的，其具有变化的特性，印刷品很难为仿造。

2、数字水印的防伪方法

以印刷品的图像为载体，在应用数字水印技术时，需要先制作出图像，然后利用专业的水印软件将水印信息嵌入到图像中，从肉眼无法发现原始图像与嵌入水印后的图像之间的差别，只有利用计算机检测设备，才能发现图像的差异性。所以，从外观上，两种图像看不出差别，伪造者无法采用打印或者扫描设备进行模仿。检测时将印刷品中的图像扫描到电脑里，对扫描进来的图像先进行校正、去噪等处理，然后用提取软件检测水印信息，根据提取水印信息的情况对印刷品进行辨别真伪。对造假者而言，这种方法很难伪造因为隐藏的信息看不到他们既不知道水印嵌入所用的方法，也不知道嵌入的信息是什么，所以无法对隐藏的信息进行模仿隐藏，只能照猫画虎，对所能看到印刷品的内容进行仿制；这样的话由于盗版者不知道水印的嵌入方法和检测方法，根本检测不出能证明版权的水印信息。

3、数字水印技术的防伪方案设计

现在的印刷品神非常多，如商标、严品包装、书刊、址书、证件、邮票、磁卡、出版物、音像制品封面、货币、有值票券、入场券、单据、广告、挂历台历、名片、护照等，数字水印都可以应用到这些产品的印刷防伪中，但是每一种防伪方案的设计会有所不同。下面举例介绍一下数字水印在酒产品印刷包装中的应用方案，其他印刷品的防伪方案可以参考。

3.1在内、外包装盒上分别制作离散与非离散，可见、不可见的数字水印防伪电子标贴，这样既不改变生产工艺流程，又可有效防止造假者大规模仿制造假，同时方便广大消费者和物流环节工作人员的直观识别和工具检测，也利于市场管理人员打假检测。

3.2制作数字水印防伪标贴。将其贴于包装封口处、瓶盖开启处、瓶盖与瓶颈结合处，这主要是为防止小规模造假者回收旧包装翻新重复使用。技术方案是在商标或适当位皿分别加入内容各不相同的不可见非离散数字水印和不可见离散数字水印防伪信息分别供厂家主管、销售部门、配送流通等环节掌握实现防伪信息的分级管理。非离散水印消费者或管理者可以通过配送给销售网点的数字水印专用检测工具，方便地辨别产品的真伪：离散水印僻通过专用的数字水印提取设备或软件提取水印，鉴别真伪。

3.3在内、外包装上使用非离散的、隐含区域标示的不可见数字水印可以实现定向生产和定向销售防止区域窜货。

3.4如果厂家需要还可在防伪标签或标贴上制作并提供"数字编码计算机物流管理系统"，将防伪与物流管理系统有机地结合起来，提高厂家的计算机管理效率。

4、数字水印防伪技术的应用管理

数字水印防伪技术具有无须数据库支持、便于使用识别、便于分级管理的特性。核心管理者可掌握各层用户防伪信息，市场流通各环节负资人均只能掌握各自用户防伪信息，而普通消费者只需了解最基本的防伪标示信息即可。为满足各不同层面对数字水印防伪信息的检测与识别的需要，数字水印技术提供商已分别开发出数字水印提取软件、数字水印智能检测设备、非智能检测设备和简易检测工具，可以根据僻要分别配备到打假部门、核心管理者、流通环节负责人、各经销商或集团、个人消费者手中。同时，我国已在商贸部外经贸系统建立了国内第一个数字水印防伪查询认证中心，并将建立更多的查询认证中心，支持广大客户通过互联网上查询认证和实现数字水印在线技术服务。

5、国内外印刷数字水印研究成果

目前，数字水印技术正在如火如茶地发展，世界上有很多团体和专家在对该技术进行研究，不断探索新的算法，以达到更好的防伪效果。下面介绍一下当前比较著名的几个提供数字水印技术的公司以及它们的产品，供大家参考。

5.1美国Digimarc公司

该公司率先推出了世界上第一个商用数字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到AdobePhotoshop 4.0和CorelDraw 7.0图像处理软件中。随后，推出的媒体桥（media bridge）技术开拓了访问Internet的一条新途径，通过在杂志广告、产品包装、目录甚至各类票据中隐藏不可见的数字水印用户只要将这些传统媒体放在网络摄像机（web camera）前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与印刷图像内容相关的网络站点并在计算机上显示出产品的相关信息。

5.2英国的Signum公司

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一、数字水印技术

所谓数字水印是利用数字信号处理的相关技术，在多媒体数据中永久镶嵌具有可鉴别性的某些数字信息，用于文件真伪鉴别、版权保护并检查数据是否被破坏。嵌入的信息隐藏于宿主文件中，不影响原始文件的可用性和完整性。数字水印技术的基本思想是将某种信息嵌入到主数据中，使得如果嵌入的信息得到可靠的恢复后，那么该信息可以说明主数据和原始所有者之间的所属关系。数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以解决版权纠纷并为法庭提供证据。

1.数字产品的内嵌数字水印应具有以下基本特性

（1）鲁棒性

数字水印必须对各种信号处理过程具有很强的鲁棒性。鲁棒性是指数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括各种有意的或无意的，仍能保持水印的完整性和鉴别的准确性。成功的数字水印技术在解除信息不完备的情况下，任何试图去除水印的方法均应直接导致原始数据的严重损失。

（2）不易觉察性

一是指嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可见的，最理想的情况是水印图像与原图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；一是指水印用统计方法也是不能恢复的，即也无法提取水印或确定水印的存在。

（3）安全性

指隐藏算法有较强的抗攻击能力，难以篡改或伪造，数字水印往往结合密钥提高它的安全性。在没有密钥的情况下，未授权者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破坏水印信息。

（4）抗攻击性

在水印能够承受合法的信号失真的同时，水印还应能抗击试图去除所含水印的破坏处理过程。除此之外，如果许多同样作品的复件存在不同的水印，当水印用作购买者的鉴定，就可能遭受许多购买者的合谋攻击。水印技术必须考虑这些攻击模式，确保水印探测的准确性。

（5）可证明性

（6）稳健性

数字水印必须难以被除去，如果只知道部分数字水印信息，那么试图除去或完全破坏数字水印将导致载体严重降质或不可用，而且好的水印能够确定对图像的破坏位置以及部分地恢复图像。

2.数字水印的嵌入与提取分析

数字水印的通用模型包括两个阶段：数字水印的嵌入阶段和数字水印的提取或检测阶段。在水印信息的嵌入和提取算法中，需考虑到嵌入水印信息后的宿主信息往往会经过许多无意的或恶意的攻击，这就要求在宿主信息的使用价值下降不太大的情况下，水印能可靠地被提取或检测出来。

（1）水印嵌入过程：数字水印的生成阶段，嵌入算法的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。

设有算法E，原始图像I和水印W，那么水印图像Iw可表示为：Iw=E(I，W)

水印嵌入过程如下图1所示：

图1.数字水印嵌入模型

（2）水印提取过程：提取阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。

水印提取是水印嵌入的逆操作。若将检测过程定义为解码函数D，已知原始图像I、有版权疑问的图像^Iw，水印W和，密码K。则有：W =D(^Iw，I)

水印提取过程如图2所示：

2.数字水印的提取模型

二、数字水印技术在电子商务中的应用

1.电子商务中，版权问题已经成为人们关注的热点问题。数字水印技术利用隐藏水印信息原理使版权标志不可见或不可听而存在于数字作品之中。当出现版权纠纷问题时，所有者可以从作品中获取水印信号作为版权依据，从而保护了所有者的正当合法权益。这种用于版权证明的水印要求是鲁棒数字水印，用户在不知密钥的情况下很难去除或破坏其中的水印。

2.随着电子商务的发展，电子票据的使用越来越频繁。数字水印技术是电子票据防伪的关键技术，可以在交易双方的电子票据中嵌入交易时间和签名等不可见的认证信息，使交易过程不可抵赖，降低了伪造的可能性。水印具有法律效力，可以在交易出现法律纠纷时，作为证据使用。

3.目前，加密技术对于电子形式的身份验证信息具有良好的保护功能，但无法作为书面凭证进行鉴别，使得“造假”、“买假”成风，已经严重地干扰了正常的经济秩序，对国家的形象也有不良影响。而通过数字水印技术，把电子身份验证信息隐藏到普通的凭证图像当中，使身份凭证具有不可复制和不可抵赖等特性，实现了电子信息和书面信息的双重保护。

4.“电子签章”也叫“数字签名”，它能够认定签署人身份、信息的来源、信息的完整性与安全性等，因此被广泛地应用在加密信件、商务活动、远程金融交易等电子商务和电子政务等领域。虽然数字签名在电子商务应用中已经具备了很高的安全性能，但仍存在风险。使用数字水印技术，鲁棒性水印和数字签名相结合，它能够将电子签章信息以数据形式隐藏到普通印章图像中，与图像合二为一，能够取得“白纸黑字”的书面凭证，而且可以对纸质文档进行签名。打印后仍能提取，使得文件具备双重安全效果。

三、结束语

数字水印技术作为一种新兴的安全保护技术应用到电子商务中，表现出其显著的作用和功效。随着数字水印的深入研究，其在电子商务中的应用也将日益广泛。

篇（10）

一、数字时代的密写术———数字水印

数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：

（一）隐蔽性

（二）鲁棒性

（三）密钥的唯一性

即不同的密钥不应产生等同的水印。

（四）检测的可靠性

水印检测出错的概率应小于某一合适门限值。这一特性描述了水印检测算法必须具有一定的确信度。

二、数字水印的分类

数字水印技术可以从不同的角度进行划分。

（一）按特性划分

按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。

（二）按水印所附载的媒体划分

按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

（三）按检测过程划分

按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。

（四）按内容划分

（五）按用途划分

按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。

（六）按水印隐藏的位置划分

按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。

三、数字水印的应用

（一）数字作品的知识产权保护

（二）商务交易中的票据防伪

（三）声像数据的隐藏标识和篡改提示

（四）隐蔽通信及其对抗

篇（11）

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)02-429-03

Algorithmic Research of the Digital Watermark Technology in the Multimedia Information

DING Ai-ping

(Department of Information Engineering, Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475003, China)

Abstract: Through the analysis of the characteristics of the digital watermark, this paper deals with the basic principle of the digital watermark technology, analyses the currently popular watermark algorithm, points out the limitations in the current watermark technology and expects its development in the future.

Key words: digital watermark; media information; information release; copyright protection; algorithmic research

随着Internet 的迅猛发展,近几年来,多媒体信息的形式越来越丰富。网络的形式逐渐成为一种重要的形式,伴随而来的是多媒体数据的版权保护问题。因此,多媒体信息版权保护成了一项重要而紧迫的研究课题。为了解决这一难题,近几年国际上提出了一种新的有效的数字信息产品版权保护和数据安全维护的技术一一数字水印技术。

数字水印技术通过在原始媒体数据中嵌入秘密信息―――水印来证实该数据的所有权归属。水印可以?是代表所有权的文字、产品或所有ID、二维图像、视频或音频数据、随机序列等,主要应用于媒体所有权的认定(即辨认所有权信息、媒体合法用户信息),媒体的传播与算法研究,为实现有效的信息版权保护提供了一种重要的手段。

1 数字水印的基本原理

从图像处理的角度看,嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号,只要迭加的水印信号强度低于人类视觉系统(Human Visual System,HVS)的对比度门限,HVS就无法感到信号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响,因此通过对原始信号作一定的调整,有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。从数字通信的角度看,水印嵌入可理解为在一个宽带信道(载体图像) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号(水印信号),尽管水印信号具有一定的能量,但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码(检测),即是在有噪信道中弱信号的检测问题。

一般来说,为了使水印能有效地应用于版权保护中,水印必须满足以下特性:

1)隐蔽性。水印在通常的视觉条件下应该是不可见的,水印的存在不会影响作品的视觉效果。

2)鲁棒性。水印必须很难去掉(希望不可能去掉)。当然,在理论上任何水印都可以去掉,只是要对水印的嵌入过程有足够的了解,但是如果对水印的嵌入只是部分了解的话,任何破坏或消除水印的企图都应导致载体严重的降质而不可用。

3)抗窜改性。与抗毁坏的鲁棒性不同,抗窜改性是指水印一旦嵌入到载体中,攻击者就很难改变或伪造。鲁棒性要求高的应用,通常也需要很强的抗窜改性。在版权保护中,要达到好的抗窜改性是比较困难的。

5)安全性。应确保嵌入信息的保密性和较低的误检测率。水印可以是任何形式的数据(如数值、文本、图像等),所有的水印都包含一个水印嵌入系统和水印恢复系统。

6)低错误率。即使在不受攻击或者无信号失真的情况下,也要求不能检测到水印(漏检,false -negative),以及不存在水印的情况下而检测到水印(虚检、false -positive)的概率必须非常小。

2 数字水印典型算法分析

近几年来,数字水印技术研究取得了很大的进步,这里对一些典型的算法进行分析。

2.1空间域算法

数字水印直接加载在原始数据上,可以细分为如下几种方法[1-4]:

1)最低有效位方法(LSB)。

这是一种典型的空间域数据隐藏算法,L. F. Tumer 与R. G. Van Schyadel等先后利用此方法将特定的标记隐藏于数字音频和数字图像内。该方法是利用原始数据的最低几位来隐藏信息(具体取多少位,以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则)。该方法的优点是有较大的信息隐藏量,但采用此方法实现的数字水印很脆弱,无法经受一些无损和有损的信息处理,而且如果确切地知道水印隐藏在几位LSB中,数字水印很容易被擦除或绕过。

2)Patchwork 方法及纹理块映射编码方法。

这两种方法都是Bender等提出的。Patchwork 是一种基于统计的数字水印,其嵌入方法是任意选择N对图像点,在增加一点亮度的同时,降低另一点的亮度值。该算法的隐藏性较好,并且对有损的JPEG和滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力,但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像,而且不能完全自动完成。

2.2 变换域算法

基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷,往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图像变换,基于局部或是全部的变换,这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT)、傅氏变换(FT或FFT)以及哈达马变换(Hadamard transform)等。

其中基于分块的DCT是最常用的变换之一,现在所采用的静止图像压缩标准JPEG也是基于分块DCT的。最早的基于分块DCT的一种数字水印技术方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块,在频域的中频上稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。选择在中频分量编码是因为在高频编码易于被各种信号处理方法所破坏,而在低频编码则由于人的视觉对低频分量很敏感,对低频分量的改变易于被察觉。该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是稳健的。另一种DCT数字水印算法[5]是首先把图像分成8×8的不重叠像素块,在经过分块DCT变换后,即得到由DCT系数组成的频率块,然后随机选取一些频率块,将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。该算法是通过对选定的DCT系数进行微小变换以满足特定的关系,以此来表示一个比特的信息。在水印信息提取时,则选取相同的DCT系数,并根据系数之间的关系抽取比特信息。

除了上述有代表性的变换域算法外,还有一些变换域数字水印方法,它们当中有相当一部分都是上述算法的改进及发展,这其中有代表性的算法是I. Podichuk 和ZengWenjun 提出的算法[6]。他们的方法是基于静止图像的DCT变换或小波变换,研究视觉模型模块返回数字水印应加载在何处及每处可承受的JND(Just Noticeable Difference,恰好可察觉差别)的量值(加载数字水印的强度上限),这种水印算法是自适应的。

2.3 NEC算法

该算法由NEC实验室的Cox[5]等人提出,该算法在数字水印算法中占有重要地位。其实现方法是,首先以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,密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成,其次对图像做DCT变换,最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图像除直流分量外的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。

2.4 其他一些水印算法

1)近年来,利用混沌映射模型实现数字水印、保密通信等成为混沌应用研究的热点。特别是自从Cox等借用通信技术中的扩频原理将水印信号嵌入到一些DCT变换系数或者多层分解的小波变换系数以来,人们已经提出了一些混沌数字水印方法。水印的嵌入与检测是基于人类视觉系统(HVS)的亮度掩蔽特性和纹理掩蔽特性,折衷水印的不可见性和鲁棒性之间的矛盾。结果表明,该方法嵌入的水印具有不可见性和鲁棒性,并且这种基于密钥的混沌水印方法更好的抗破译性能。

2)目前比较流行的还有一种基于盲水印检测的DWT算法。该算法首先对原始图像进行小波变换,根据人类具有的视觉掩蔽特性对低频分量进行一定的量化,同时可不影响视觉效果,并对作为水印的图像进行压缩和二值化处理,形成一维的二值序列,根据二值序列的值对上述量化后的原始信号的低频分量进行视觉阈值范围内允许的修改,从而实现水印的嵌入。水印提取过程是对含有水印的图像进行小波变换,对低频分量同样进行量化处理,为了增大算法的安全性,可以对水印形成的二值0,1序列在嵌入前进一步进行伪随机序列调制,相应地在水印提取过程需要增加用伪随机序列解调的步骤。这样,不知道伪随机序列的攻击者即使推测出水印的嵌入规律,也无法提取水印,大大增加了水印系统的透明性和鲁棒性。

3 水印技术的局限

为了对版权保护中使用水印的成功可能性进行评估,看能否满足实际应用需求,就需要对水印技术有更多了解。下面研究数字水印方案普遍存在的一些局限。

1)不知道能够隐藏多少位。尽管非常需要知道指定大小载体信息上可以隐藏多少比特的水印信息,但这个问题还没有得到圆满解决。事实上,对给定尺寸的图像或者给定时间的音频,可以隐藏信息量的上界,目前还不清楚。对图像水印,只能说目前使用的算法可以隐藏几百比特位的水印信息。

2)还没有真正健壮的盲图像水印算法。对于图像水印,鲁棒性还是个问题。目前还没有能够在经过所有普通图像处理变换后,仍能幸免的盲水印算法。尤其是能够抵抗几何处理的攻击,被认为是很难实现的目标。

3)所有者能去除标记。迄今为止提出的所有盲图像水印,实际上都是可逆的。已知水印的准确内容以及水印的嵌入和检测算法,则总能在没有严重损坏资料的前提下,使水印不可读取。目前,还不清楚这个缺点在将来还是否存在;同时在设计版权保护系统时,必须考虑如下问题:一旦水印内容已知,则有可能去除水印或者部分水印。

此外,迄今为止提出的水印算法,其可逆性使人们提出极大的疑问,即设计能够抗篡改的健壮公开水印技术是否可能?事实上,如果允许任何人读取水印,则任何人只要知道水印嵌入算法,就可以消除水印。

4 结论

随着电子商务的加速发展和网络用户的直线增长,媒体的安全要求将更加迫切,作为版权保护和安全认证的数字水印技术具有极大的商业潜力,作为一门学科交叉的新兴应用技术,它的研究涉及了不同学科研究领域的思想和理论,如数字信号处理、图像处理、信息论、通信理论、密码学、计算机科学及网络、算法设计等技术,以及公共策略和法律等问题,是近几年来国际学术界才兴起的一个前沿研究领域,得到了迅速的发展。但数字水印技术仍然是一个未成熟的研究领域,还有很多问题需要解决,其理论基础依然薄弱。随着一些先进的信号处理技术和密码设计思想的引进,必将日趋成熟且得到更为广泛的发展应用。

参考文献:

[1] Eepa Kundur. Dimitrios hatzinakos. Digital watermarking fortelltale tamper proofing and authentication[J].Proceeding of the IEEE,2007,87(7):1167-1180.

[2] 张春田,苏育挺.信息产品的版权保护技术――数字水印[J].电信科学,2006,14(12) :15-17.

[3] Bender W, Gruhl D. Techniques for data hiding[J].IBM sys2tem journal ,2007,35(3-4):313-336.

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