数字水印技术综述（湖北武汉 430070）摘要：介绍了数字水印技术的基本原理。

并对其特点、分类、攻击技术及应用领域进行了阐述。

同时对数字水印的各种算法进行了分类研究与深入分析。

最后指出数字水印今后的研究方向。

关键词：数字水印；水印原理；水印算法；水印应用Overview on Overview on Digital Watermarking Technology( Wuhan, Hubei 430070, China)Abstract：The basic concepts of watermark techniques are first introduced，and then the characteristics、classification、attacking techniques and application and applications first expatiated．For further understanding．the watermark technique from the various aspects aye classified and some conventional watermark techniques and algorithms are analyzed in detail．Finally，research direction of digital watermark technology is pointed out．Key words：digital watermarking；watermarking principle；watermarking algorithms ；watermarking application；0数字水印随着Internet与数字媒体技术的飞速发展，信息安全问题日益突出，因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。

数字水印是通过一定的算法，在图像、视频、音频等多媒体数据中嵌入一个可以标示其知识产权的水印信息。

水印信息可以是文字、商标、印章或序列号等可以识别作品的作者、来源、版本、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。

水印信息通过特殊的方式，可以从宿主信号中提取出水印或是检测出它的存在性。

水印不占用额外的带宽。

是原始数据不可分离的一部分，并且它可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。

1数字水印的特征一般认为数字水印应具有以下特征（1）鲁棒性水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持其完整性或仍能被准确鉴别的特性。

（2）知觉透明性数字水印的嵌入不应引起数字作品的视/听觉质量下降，即不向原始载体数据中引入任何可知觉的附加数据。

（3）内嵌信息量(水印的位率) 数字水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化的要求。

（4）安全性水印嵌入过程(嵌入方法和水印结构)应该是秘密的嵌入的数字水印是统计上不可检测的，非授权用户无法检测和破坏水印。

对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该能一直保持存在，直到图像已严重失真而丧失使用价值。

（5）实现复杂度低数字水印算法应该容易实现。

在某些应用场合(如视频水印)，甚至要求水印算法的实现满足实时性要求。

（6）可证明性数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。

2 数字水印的分类2.1按照嵌入的位置按照嵌入的位置可分为：(1)空域数字水印：空域数字水印的嵌入是通过直接修改图像的灰度值或是强度值来完成的。

(2)变换域数字水印：变换域的数字水印是将图像进行某种变换，通过修改变换域系数来达到嵌入水印的目的。

2.2按照水印的检测方式按照水印的检测方式可分为：(1)私有水印：私有水印又称为非盲检测水印，它在检测时需要用到原始的载体图像(这种检测方式又称为源检测)，是在分析原始载体图像和含水印图像差别的基础上进行检测的。

(2)半私有水印和公开水印：半私有水印和公开水印在检测时仅仅需要待检测的含水印的图像(这种检测方式又称为盲检测)，它的检测是独立于原始图像进行的。

也就是水印的提取是由含水印的图像来决定的。

2.3按照水印的抗攻击能力按照水印的抗攻击能力可分为(1)易损水印：易损水印的设计是为了能够检测出对作品的任意篡改。

同时它还要能够对篡改进行空间分类和定位。

这类水印的要用来进行图像的篡改提示和图像完整性的检测。

(2)鲁棒水印：与易损水印相反的。

它对常见的图像处理具有较强的抵抗能力，可以从已被破坏的含水印的图像中提取原始水印，因此这类水印主要用于作品的版权保护以及真伪鉴别等等。

2.4按照水印的选取形式按照水印的选取形式可分为：(1)序列水印：序列水印所选取的水印是满足一定分布的伪随机序列，水印检测时只能回答出水印的有无，并不能够给出水印的特征信息，通常检测是通过计算相关函数来进行的。

(2)标识信息水印：将制作者、产权者以及购买者的标识信息直接作为水印嵌入到载体图像中去，这也是水印发展的一个趋势。

(3)标志图像水印：为了增强水印的说服力增加视觉上的形象性，可以采用具有一定代表性的标志图像作为有意义的水印。

2.5按照水印的可见性按照水印的可见性可分为：(1)可见水印：可见水印的主要用途在于明确标识版权，防止非法的使用。

(2)不可见水印：不可见水印是将水印隐藏到载体图像中，并保证水印在视觉上不可察觉。

2.6按照载体数据的性质按照载体数据的性质可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等等。

3数字水印的理论模型一般而言数字水印算法由3部分组成：水印嵌入算法、水印提取算法、水印检测算法。

图1～3图给出了数字水印系统通用模型的示意图。

各部分的含义与数学模型说明如下：图1数字水印嵌入过程示意图水印生产算法G 数字水印嵌入式算法E m 水印载体数据X w水印W 原始数据X水印密钥K图2 数字水印信息提取过程示意图图3数字水印检测过程示意图(1)X 为原始的数据，是水印的嵌入载体。

(2)W 为水印信息。

(3)K 为水印密钥(也称为标示码)。

(4)G 为水印生成算法，输人为X 的特征值和K ，输出为水印信息W ，即：G: X ×K →W ，W=G(X ，K)(5)E m 是水印嵌入算法，输入为水印信息W 和原始多媒体数据X ，输出为加入水印的多媒体数据Xw ，即：E m : X ×W →X w ，X w =)E m (X ，W)(6)Ex 是水印提取算法，其功能是从带有水印信息的多媒体数据中提取水印信息。

算法输入为原始数据X 、带有水印的多媒体数据Xw 和水印密钥K ，输出为水印信息w ，即：Ex ：(X ×Xw)×K →W ， W=G-1(Ex(Xw ，X)，K)(7)De 是水印检测算法，其功能是检测对象中是否存在特定的水印信息。

算法输入为特定水印信息W 、X 、Xw 和K ，其输出为O 或l ，0表示不存在，1表示存在。

水印载体数据X w数字水印提取算法E m 原始数据X水印密钥K水印W水印密钥K水印存在与否？ 数字水印检测算法D e 水印W原始数据X水印载体数据X w4 数字水印的常见算法及评价标准由于应用需求的推动，数字水印技术的研究取得了很大的进步，出现了很多水印算法。

可以把水印算法分为：空间域算法、变换域算法和压缩域算法等。

4.1空间域算法空间域算法的基本思想是直接将水印信息嵌入到多媒体数据中，通常这些位置不影响被嵌入对象基本属性，从而实现了水印的隐藏。

该类算法实现比较简单，早期的数字水印算法基本上都属于该类。

但是由于水印嵌入的位置在很大程度上相似，因此水印的鲁棒性比较差。

4.2变换域算法变换域算法的基本思想是通过修改多媒体数据的变换系有离散余弦变换 (DCT)、离散小波变换(DWT)、离散傅立叶变换(DFF)、矢量变换等。

变换域算法因其不可见性和鲁棒性好成为当前研究的主流，出现了较多基于DCT的优秀算法：而基于DWT产生的水印因具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力成为当前研究的热点和未来最重要的方向。

4.3压缩域算法压缩域算法是将水印信息嵌入压缩后的数据流或索引中。

特别是基于JPEG和MPEG标准的压缩域数字水印系统节省了完全解码和重新编码过程，因而在数字电视广播和VOD中具有很大的实用价值。

4.4基于融合的数字水印算法图像融合主要有两种方式。

一种是将两幅图像按照某种方式叠加生成一个新的图像，使新图像中包含两个图像的信息。

采用较好的融合算法能保证恢复时无需原始公开图像。

另一种是利用数字图像的自相关性，通过放大原始公开图像来隐藏与公开图像同样大小的数字图像。

此方法对于彩色图像的隐藏比较实用，尤其适用于BMP彩色图像的加密隐藏，而且对所要隐藏的图像进行置乱处理后，安全性更高。

除了以上数字水印算法外，还有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法、生理模型算法等。

4.5数字水印算法的评价数字水印算法的评价标准主要有以下三种：（1）容量数字水印系统中的容量是指当存在攻击时衣服数字作品所能加载的最大信息量。

容量越大，所含版权信息越多，不可见性会随之下降。

(2)保真度保真度是衡量数字作品在处理前后相似性的度量，即含水印作品和原始作品是不可区分的。

目前使用的评价准则有信噪比SNR、峰值信噪比PSNR和均方差MSE等。

其中MSE最简单，但在实际应用中会对图像的感知质量进行低估或高估；SNR和PSNR是最通用的评价指标，其从一定程度上反映了作品处理前后的变化情况。

(3)鲁棒性鲁棒性是指水印算法在经过有意或无意的攻击后，仍能够检测到水印的能力。

水印算法的鲁棒性可以用归一化相关NC和误码率BER来度量。

NC主要用来判断提取的水印与嵌入的水印是否一致，NC值越大越好；BER是指错误解码占所有信息的比率，BER 值越小越好。

5数字水印的应用数字水印主要应用于以下几个领域：5.1版权保护在网络时代，数字作品的销售过程给盗版或篡改提供了可乘之机，版权保护越显重要。

作品的所有者可用密钥产生水印，并将其嵌入到原始数据，然后公开发布其作品。

当该作品出现版权纠纷时，所有者可从被盗版作品中获取水印来作为保护其合法权益的依据。

版权保护是数字水印应用的一个很大的方面，可以将其细分为以下三类：5.1.1所有者鉴别水印以不可见方式嵌入到数字作品中，且与包含水印的内容密不可分，因此水印可能比文本标记更适合于所有者鉴别。

这类应用主要通过检测器来提取水印信息，以判断作品的所有者。

5.1.2所有权验证这种应用针对的是未经授权的去除以及嵌入，即攻击者可能在其盗版的作品中再嵌入他自己的水印信息而引起版权纠纷。