数字水印的术语和基本原理

基本原理 数字水印是指在数字产品当中嵌入能证明该产品版权所有 者的标记。所有的水印系统都应包括两个基本模块：一个 是水印嵌入模块，另一个是水印提取模块。
Watermark M Host Data Watermark Insertion Watermarked Signal X
数字水印的技术现状
其次，由于压缩算法大都在频域进行，比如JPEG的DCT, EZW中的小波等，可以考虑采用频域的方法来提高抵抗压 缩操作攻击的能力； 再次，有些变换对某些变化有着固有的鲁棒性，比如DFT具 有仿射不变性，对图像的空间坐标平移不敏感，因而可以 利用它来恢复经过了仿射变化的图像当中的水印，又如对 数极坐标(LPM)变换，可以对旋转和缩放不敏感，因此利用 它可以使得对水印图像的任何旋转或缩放操作都不敏感， 而利用小波分析得多分辨特性，使得其对图像的剪切操作 不敏感；
Fragile watermarkin
Fingerprinting
Watermarking Visible
Imperceptible
信息隐藏的主要分支




隐蔽信道（Covert channels):在多级安全水平的系统环境 中，那些既不是专门设计的也不打算用来传输消息的通信路 径称为隐蔽信道； 匿名通信（Anonymity):匿名通信就是寻找各种途径来隐 藏通信的发送者和接收者； 隐写术（ Steganography):研究将实际存在的信息怎样隐藏 起来，而不引起别人的注意，这个名词起源于15世纪，来源 于希腊文，是“被掩盖的笔迹”的意思； 版权标记（Copyright marking):主要包括水印技术（Watermarking)和指纹(Fingerprinting),而水印又分脆弱性水印 （Fragile watermarking)和鲁棒性水印（Robust watermarking)
数字水印技术的基本概念和 现状
刘绍辉 哈尔滨工业大学 计算机学院
2001-12
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目录

信息隐藏的主要分支 数字水印的起源与发展 一些基本概念 数字水印的技术现状 数字水印的常用模型 数字水印的几个问题 数字水印技术的应用
信息隐藏的主要分支



随着数字多媒体的发展，各种数字产品层出不 穷，随之而来的版权保护等问题也日益尖锐； 一般都认为，通过加密可以使通信变得很安 全，但是在实际应用当中，这还不够！许多人 都想到用信息隐藏，而不是用加密！可以说， 信息隐藏是旧话重提； 信息隐藏的分类有很多，例如：
信息隐藏的分类
Information Hiding
Covert Channels Copyright Marking
Steganography
Anonymity
Linguistic steganography
Technical steganography
Robust copyright marking
数字水印的术语和基本原理
当在数字产品中加入水印后，会经历各种攻击和处 理，为建立一般的模型，统一将其视为失真，因此有 图3的系统：
Watermarked Signal X
Watermark Watermark M Insertion
Attack/Distortion Channel
Distorted Watermarked Signal Y
数字水印的术语和基本原理
鲁棒水印的特点： 水印在通常或特定视觉条件下不可见; 加水印的图像经过普通的图像处理技术后水印仍然 保持在图像中 ； 未经授权者很难检测出水印 ； 经授权者能很快地抽取出水印 ； 加水印的图像经过印刷或重新扫描后水印仍然能被 抽取出来
数字水印的术语和基本原理
Watermark Recovere Detection/Id Waterma entification
Host Data S
Secret Key/Public Key K Fig.3.Block diagram of a watermarking system
数字水印的术语和基本原理

盲检测与非盲检测 盲检测(Blind Detection)是指检测时不需要原始图像的 检测； 非盲检测 就是检测时需要提供原始图像的检测。
10
13
30
36
102
178
258
253
Note: Publications(1)is the result indexed by watermark or watermarking in title domain in EI compendex and Publications(2) is the result indexed by watermark or watermarking in all domains in EI compendex !
p

1
p
数字水印的技术现状-评价
信噪比 SNR=
2 p ∑ x, y 2 ( p − p ) ∑ x, y x, y x, y x, y
峰值信噪比 PSNR= XY
2 max p x ,y 2 ( p − p ) ∑ x, y x, y x, y x, y
基于通信扩频的数字水印模型

再介绍一下现在比较流行的一种水印方法，就是所谓的基 于扩频(Spread Spectrum)的水印技术 扩频是通信中经常采用的一种抗干扰抗噪声技术。所谓扩频 是指信号传输频带大于实际所需要的频带，且在每个频带 中信号都是极微弱的,不易觉察的，而且频带的扩展与信号 无关。图像频域可被看作是信号传输的频道而水印则看作 是要传输的信号。水印在任何频带中都是极其微弱的，而 且可利用人类视觉特性中的掩蔽效应（Masking）。图像所 有者由于知道水印的位置和内容，在验证水印时很容易把 扩散到所有频带上的弱信号集中起来得到高信噪比的水印 信号。
宿主数据(Host data) 这是指要加入水印的图像、音频、视频、文本等数字 载体 水印信息 加入的标记，也就是水印，或者叫消息 验证(Verification)和检测(Detection) 验证一般指某一媒质当中是否含有水印，只在乎其 ‘有’或‘没有’，而检测就是必须从中提取出具体的隐藏 信息，因此，一般也是有具体意义的，是可以解释的
信息隐藏的主要分支
而鲁棒性水印又可分为不可见水印（Imperceptible Watermarking)与可见水印（Visible watermarking)；

水印技术与隐写术是有区别的，水印技术常与原始信 息有关，例如隐藏版权标记等，是一对多的，而隐写 术一般是一对一的；
数字水印的起源与发展
数字水印的技术现状-攻击

一般的攻击包括： 信号增强(锐化、增加对比度、色彩校正等)； 加性和乘性噪声(高斯、均衡、斑点)； 线性滤波(低通、高通、带通)； 有损压缩(JPEG,MPEG,MP3)； 仿射变换(平移、旋转、缩放、剪切)； 代码转换(GIF JPEG)； D/A，A/D； 多重水印；
数字水印的技术现状-攻击
共谋攻击(collusion) 统计平均 目前已有各种免费的攻击软件： 如：Stirmark, UNzign等
数字水印的技术现状-评价

水印系统的评价 嵌入水印的数量 嵌入的强度 数据的大小和种类 失真度量

L
p
范数 E=
1 XY
∑p
x, y
x, y
− p x, y
可见水印
Watermark
Watermarked image
不可见水印
原图像
加了水印的 图像
水印
经过攻击后的水印
字水印的术语和基本原理
不可见水印 这是一种应用跟加广泛的水印，与前边的可视水印 相反，它加在图像或视频当中从表面上是不可察觉 的，但是当发生版权纠纷时，所有者可以从中提取 出标记，从而证明物品为某人所有！ 脆弱性水印或意碎水印 当加水印的图形或文本数据被修改时，水印可以对是 否进行了修改进行检测； 鲁棒性水印 是指加入的水印不仅能抵抗非故意的攻击，而且要 求能抵抗一定失真内的恶意攻击，并且一般的数据 处理对提取水印没什么影响；

从1996年到今年4月份，一共召开了4届国际信息隐藏学术会 议，而国内到今年8月份，也召开了3届关于信息隐藏的学术 研讨会。
数字水印的术语和基本原理

术语（Terminology)
这些术语大都出自第一届国际信息隐藏学术会 可视水印 是可以看见的水印，就像插入或覆盖在图像上的标识，它与 可视的纸上的水印相似。它主要应用于图像，比如用来可视 地标识那些可在图像数据库中得到的，或在Internet上得到的 图像的预览来防止这些图像被用于商业用途。当然也可用于 视频和音频当中，音频当中就是可听水印，比如电台播放广 告，广告商为了维护自己的权益，在录音带中录入某一特殊 的声音，从而从播放的广告当中这一声音出现的次数，可以 知道电台是否执行了合同；
数字水印的技术现状
纹理块映射编码法： 将一个基于纹理的水印嵌入到图像的具有相似纹理的一部 分当中，这个方法是基于图像的纹理结构的，因而很难察 觉水印。但是由于是嵌入图像某一部分当中，对剪切等图 像处理操作性能差，而变换域则能较好的解决这个问题。 变换域的方法有DCT,DWT,DFT以及Mellin-Fourier变换等。 变换域的方法相对于空间域方法来说，有许多优点： 首先，从提高水印的鲁棒性来看，应该嵌入到图像的视觉 上最重要的部分，而对图像来说，如果采用变换域的方 法，那么图像的低频部分就能直接标记出来；
数字水印的技术现状
另外，也有利于利用人类HVS(Human Visual System)和HAS (Human Audio System) 的特性来嵌入水印，正因为变换域的 诸多优点，变换域的方法才得以广泛的发展。