多媒体中的数字水印技术
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摘要：随着计算机网络技术的飞速发展，数字多媒体例如：图像、音频、视频以及文本文件在人类生活中的应用越来越广泛。由于数字媒体不仅容易在网络中传播，也容易被人非法复制、篡改。近十几年来，为了保护数字多媒体，数字水印技术慢慢发展起来。本文重点阐述了数字水印概念、特征以及基本原理，并对数字水印对多媒体的保护作用、发展现状和前景等方面进行了深入研究和探讨。
关键词：数字水印；多媒体；版权保护
The Digital Watermarking Technology of Multimedia
XUE Jun-ling,ZHENG Qing-Qiu
(JinLing Institure of Technology, Nanjing 210038, China)
Abstracts: With the rapid development of Computer Network Technology ，digital multimedia such as: images, audio, video and text files in the application of human life more and more extensive. Because digital media is not only easy to spread in the network will likely be illegally copied, altered. Over the last 10 years, in order to protect digital multimedia, digital watermarking technology developed slowly. This paper focuses on the concept of digital watermarking, features, as well as basic principles of the multi-media and digital watermarking the protective effect of current state and prospects of development in areas such as in-depth studying and discussion.
Key Words: digital watermarking; multimedia; copyright protection
1 引言
传统的密码技术，一般采用将明文加密成密文的秘密密钥系统或公开密钥系统。但是，加密的密文容易引起许多好事者的兴趣，激发他们积极破译的热情；而数字签名可用于保护电子文件的真实性、完整性，防止伪造、抵赖、冒充和篡改。但由于在多媒体中需要的签名量会很大，因而对多媒体保护就显得并不完全适用、也不方便。这样，就容易产生了大量的盗版，这些所谓的盗版给音乐、影视、广播和软件行业造成极大的经济损失。由此可见，目前的保密方法在当今广泛应用的Internet多媒体信息安全中难以起到全面的保障作用，在多媒体行业，数字水印就成为研究信息安全和隐藏的一个新方向。
2 数字水印概述
数字水印是信息隐藏研究的一个重要分支。它是通过一定的算法将一些重要的、标志性信息直接嵌入到数字多媒体产品中，这些信息的嵌入不能影响产品的价值和质量，但是也不容易被人从表面感知到，只有通过特殊的检测器或相应的计算机软件才能检测到隐藏的数字水印。对多媒体采用了相关的数字水印技术后，大大提高了数字图像以及视频版权的安全性，有利于软件版权的保护，很好地遏制了非法分子对软件产品的剽窃和篡改。
嵌入数字媒体中的水印内容可以是作者的相关信息、公司的标志、有特殊意义的文本图像等等。需要指出的是，数字水印技术并不能阻止复制、盗版活动的发生，而是保护和追踪数字媒体，使其被合法地使用和传播；倘若发现多媒体作品在被非法传播时，可以通过提取出的水印代码追查非法散播者。这样，人们就既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权。
根据数字媒体的载体不同，可以将数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印、图形水印以及用于三维网格模型的网格水印等。图像水印指在静止图像中加入水印，主要用于网上图片等；视频水印主要是在视频流中加入数字水印，从而控制视频的应用，如DVD的控制存取，数字广播的控制等。文本水印指在PDF、DOC等文本文件中加入水印，防止对文本文件的修改；图形水印指在计算机生成的二维或三维图形中嵌入水印，从而达到版权保护的目的。
无论载体如何，嵌入到多媒体中的数字水印一般都具有如下的特征：
（1）隐蔽性：在数字媒体中嵌入水印信息不会引起明显的降质，并且不易被察觉。一般用户即使知道一个数字作品中藏有水印，但用一般的统计方法是无法检测出并且删除水印的。如果用户试图删除，将对数字产品的质量产生巨大的破坏。
（2）隐藏位置的安全性：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。
（3）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。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。
（4）自相似性： 数字水印在多媒体作品经过较大的破坏后，仍能从原数据中恢复出隐藏的水印，而且在恢复过程中不需原图像，这需要水印算法本身具有自相似性。也可以认为是水印信息分布在载体数据的很多样本中，利用其中的小部分数据就可以恢复出水印。
（5）水印容量： 水印容量和鲁棒性之间是相互矛盾的。水印容量的增加会带来鲁棒性的下降，对隐蔽性也有影响。为抵抗各种变换，水印通常需要在数字媒体中按照一定的排列方式反复加入多次，当水印容量大时，这样做的结果会导致重复次数减少，而鲁棒性不好就会导致检测结果的不可靠。
3 数字水印的原理模型
通用的数字水印技术主要有两个基本的方面：水印信息的嵌入和水印信息的提取或检测。
目前的水印嵌入技术根据基于的域不同，其主要算法也相应地被分为时/空域、变换域和压缩域算法，其中变换域主要分为离散余弦变换域(DCT)、小波变换域(DWT)和快速傅立叶变换域(FFT)等算法。一般情况下，一个水印方案很难满足所有的应用要求，因此，数字水印算法往往是针对某类应用而设计的，因此要具体问题具体分析。在将水印嵌入到数字媒体之前，首先要对原始的数字媒体的特征加以分析，找到适合嵌入水印的区域，然后根据嵌入水印的目的和嵌入算法的特点，选择一种比较适合的方法。但无论哪一种方式，其嵌入原理都是相似的，如图1所示。
图1 水印的嵌入原理模型
对水印的检测，需要提供检测的密钥。在检测过程中，混沌置乱的密钥可以使用用户的私钥，也可以使用检测模型中的公钥。这两个密钥事实上可来源于密码学的一对密钥。对于水印信号的恢复以及重构，可由滤波器完成。水印信息的提取原理模型如图2所示。
图2水印的提取原理模型
4 数字水印技术的现状以及发展方向
近些年，虽然数字水印技术发展迅速，但是这仍是一个未成熟的新领域。特别是数字水印技术算法在原理上有许多雷同之处。但目前国内外的工作尚未能对这些有内在联系的不同算法中的共性问题进行高度提炼和深入的理论研究，因而缺乏对数字水印作进一步研究具有指导意义的理论结果。其理论基础依然非常薄弱，大多数水印算法还是经验性的。
在多媒体方面，特别是音频和视频水印的解决方案还不完善。大多数的视频水印算法实际上是将其图像水印的结果直接应用于视频领域中，而没有考虑视频应用中大数据量及近乎实时的特性。从未来的发展看，水印在包括dvd等数字产品在内的视频和音频领域将有极为广阔的应用前景。因此，如何设计成熟的、合乎国际规范的水印算法仍然悬而未决。
5 结束语
数字水印技术将在保护各种形式的数字媒体等方面发挥巨大的作用，并能产生可观的经济效益，从而促进学术界的研究热情。相信不久的将来，我们就会在多媒体或其他方面看到水印技术的广泛应用。
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收稿日期：2008-01-14
作者简介：薛俊玲（1979-），女，江苏南京人，金陵科技学院信息技术学院教师，研究方向：信息隐藏与检测。