数字水印技术简介
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摘要：数字水印作为一种保护数字媒体文件产权的方法，近几年来已成为国内外研究的热点。本文简要介绍了数字水印技术的需求背景及研究意义、数字水印的系统模型、数字水印的分类和数字水印技术的主要应用，最后介绍了数字水印技术存在问题和未来的研究方向。
关键词：数字水印；数字媒体；版权保护
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-02
The Introduction of Digital Watermarking Techniques
Li Yang
(Xi’an Vocational and Technical College,Xi'an710077,China)
Abstract:As an effective method to provide copyright protection for digital media,digital watermarking has received considerable attention all over the world in recent years.This paper introduces the background of the demand for and research significance of digital watermarking techniques,the basic communication model of watermarking,the classification of watermarking,applications of watermarking and last open issues and possible future research directions.
Keywords:Digital watermarking;Digital media;Copyright protection
一、数字水印技术的需求背景及研究意义
数字媒体和计算机网络的迅速发展为社会生活提供了巨大便利。与模拟媒体文件相比，数字媒体文件具有质量优、易于编辑、可实现对媒体信息的精确复制、方便进行网络传输的优点。然而数字媒体文件的这些优势，对传统的版权保护方法提出了严峻的挑战。如何对数字作品版权进行有效地保护，成为了当今版权保护中亟待解决的问题。
传统的加密方法只能在数据的传输过程中起保护作用。一旦数据被接收并被解密，对数据的复制和传播就无法检测和控制，难以满足版权保护的要求。而水印技术不是防止别人非法地读取数字信息，而是在非法用户成功地读取了这些信息后对其进行追踪，追究其法律责任。作为数字文件版权保护的一种有效办法，数字水印技术就是在这个背景下提出的。
数字水印技术作为一门新兴的学科交叉的应用技术，涉及了不同学科领域的思想和理论，如信号处理、图像处理、编码理论、密码学、数字通信、算法设计等，还包括公共策略和法律等问题。因此无论从理论角度还是应用角度来看，开展对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、数字水印系统模型
数字水印技术的基本思想是将含有作者电子签名、日期、商标以及使用权限等的数字信息作为水印信号，嵌入到图像、文本、视频和音频等数字媒体中，并且在需要时，能够通过一定的技术检测方法提取出水印，以此作为判断媒体的版权归属和跟踪非法侵权的证据。
因此水印系统可分为嵌入和提取两个模块：定义[1]如下：
水印嵌入： 水印提取：
其中，I为原图像，W为水印，K为密钥， 为加入水印后的图像，也是待检测图像。1称为水印的非盲检测；2、3称为水印的盲检测。
Cox将数字水印看作通信问题，提出了一个数字水印系统的一般模型，如图1所示：
图1数字水印的一般模型
三、数字水印的分类
数字水印是指嵌入在载体数据中的，由版权所有者确定的版权信息，用以证明数据的所有权归属。从其表现形式上可以分为三大类，一类是有意义的字符，一类是伪随机序列，一类是可视的图片。
第一类是为了在作品中标注作品的所有者、创作日期、发行部门以及其他需要标注的信息，它们可以是明文字符，将这些字符串以比特流的形式嵌入数字作品中。在提取水印时，按照提取算法提取出这些比特流，转换成字符串，就可以得到需要的水印信息。这类水印直接明了，没有歧义，只要水印能够正确提取，就可以证明作品的版权，但健壮性较差，需要健壮性更强的水印嵌入算法来保证水印能够正确提取。
第二类数字水印克服了第一类水印的缺点，它不是直接将明文字符作为水印，而是将需要标识的信息与一个伪随机序列串对应起来。将伪随机数作为数字水印嵌入数字作品中。需要验证作品的所有权时，用相应的水印提取算法提取出数字水印，这时提取出的数字水印不需要与原来水印完全一致，通过相关性检测就可以判断有没有水印的存在。可以说利用相关性检测的水印是健壮性比较好的水印。因为它不要求精确的水印恢复，提取出的水印和原始水印在每一个样点上都可能是不同的，但是只要它们的相关值很大，就可以判断水印的存在。
第三类数字水印是一种可视图像，它可以是以二值图像（或灰度图像）的形式保存的一个人的手写签名、字符、徽标等。将这些二值图像（或灰度图像）变成比特串，作为数字水印嵌入作品中。水印提取时，也是提取这些比特串，并把它们复原成原图像，由于数字作品受到可能的信号处理的破坏，或恶意攻击，因此恢复出的比特串会有误码，但是在误码率不是很大的情况下，所组成的二值图像（或灰度图像）仍然能够通过人眼来识别出原来的手写签名、字符或徽标。这类水印主要是利用人眼的冗余性，它可以容忍较大的比特误码，只要仍然能够识别出原来的二值图像（或灰度图像）的样子，就可以判定有水印存在。因此这类水印从形式上来说，也是健壮性较好的水印。
四、数字水印技术的主要应用
目前，数字水印的应用大体上可以分为版权保护、数字指纹、使用控制、票据防伪、标题与注释、内容保护等几个方面。
（一）版权保护[2]：为了表明对数字产品内容的所有权，所有者A用私钥产生水印并将其插入原图像，如果B声称对公开的有水印的图像拥有所有权，那么A可以用原图像和私钥证明在B声称的图像中有A的水印，由于B无法得到原图像，B无法作同样的证明。
（二）数字指纹[2]：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索其指纹来追踪其来源。
（三）使用控制[3]：在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和使用，插入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印的内容，将允许的拷贝数减一，以防止大规模的盗版，DVD就是这种应用的实例。
（四）票据防伪[4]：为了在需要时能够追踪伪造票据的打印机，可以在每个打印机输出图像中嵌入能够标识打印机的序列号，作为伪造追踪的线索。
（五）标题与注释[5]：将作品的标题、注释等内容（如，一张照片的拍摄时间和地点等）以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。
五、数字水印技术存在问题和未来的研究方向
数字水印技术是一门相当复杂的新技术，还有许多未触及的研究课题，现有技术也需要改进和提高。根据水印的研究现状分析，数字水印技术存在的问题和未来的研究重点[6]总结如下：
（一）由于数字水印技术难以解决复杂的异步攻击问题，数字水印技术在版权保护及访问控制等方面的应用受到限制，该问题需要得到解决。
（二）基于DCT和DWT的方法将继续成为主流，同时压缩域方法也是重点研究方向。
（三）盲水印技术将成为应用的主流，高性能的盲水印算法需要进一步研究。
（四）音频水印的研究将继续成为研究热点。
（五）数字水印算法的性能分析需要更高标准的方法。
（六）数字水印的标准化研究。
（七）数字水印的网络应用研究。
参考文献：
[1]张焕国,郝彦军,王丽娜.数字水印、密码学比较研究[J].计算机工程与应用,2003,9
[2]吴秋新,钮心忻,杨义先.信息隐藏技术―隐写术与数字水印[J].北京:人民邮电出版社,2001:72
[3]Nikolaidis A,Tsekeridou S,Tefas A,et al.A survey on watermarking application scenarios and related attacks[c]//Proc of the 2001 IEEE International Conference on Image Processing.Washington:IEEE Press,2001:991-994
[4]戴明辉,刘真祥.数字水印技术研究与展望[J].网络安全技术与应用,2010,8:22
[5]Potdar V M,Han S,Chang E.A survey of digital image watermarking techniques[c]//2005 3rd IEEE International Conference on Industrial Informatics.Perth:IEEE Press,2005:709-716
[6]冯雪,朱新山,汤帜.多媒体数字水印技术研究进展[J].计算机工程与应用,2007,43(13):6
[作者简介]李洋（1984.10-），女，本科学历，所在单位：西安职业技术学院，职称：助教，研究方向：软件工程。