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数字水印技术研究综述 杨兴江 )阿坝师专 数学系，四川 汶川 *!%"""+ ,摘要- 数字水印技术提供了一种解决网络环境下多媒体文挡版权保护的方案，目前已经成为了国际研究热点。本文简单

讨论了数字水印的概念、特征、分类和应用，全面分析了现有的典型的水印算法，提出了数字水印下一步的发展方向。 ,关键词- 信息隐藏；版权保护；数字水印

,中图分类号- ./%$&0#& ,文献标识码- 1 ,文章编号- &""2—#&#!（!""#）"#(""$3("#

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&0引言

随着 O9>AB9A> 的普及和电子商务与电子政 务 的迅猛发展，给社会带来方便的同时，信息的安全 保护问题也变得日益突出。盗版者能以低廉的成本 复制及传播未经授权的数字产品的内容，数字产品 的所有者迫切需要有办法解决知识产权保护的问 题。传统的数字产品保护方法主要采用加密的手 段，非法用户不能解读。然而，仅采用加密技术有一 个重大缺点：即一旦密文被授权用户解密后，非法 的复制与传播就变得非常容易了。为了弥补这一缺 点，人们提出了数字水印技术。

的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字产品 防伪的有效手段。数字水印技术目的是鉴别出非法 和盗用的数字产品，从而确保数字产品版权所有者 的合法利益。因此，数字水印技术一经提出就迅速 成为了热点研究问题，出现了许多水印方案，也有 许多公司已推出了数字水印的产品。 本文简单介绍数字水印的概念、特征与分类， 重点分析了现有的水印算法，给出了数字水印的重 要应用，对数字水印技术未来研究方向进行了展 望。 !0数字水印技术特性及其分类

数字水印（ =8:8>ABC!0& 字产品版权保护技术，它将特定意义的标记（ 水 印） 不可感知地嵌入被保护的数字产品（ 数字图 像、音频、视频和文档）中，在产生版权纠纷时，通过 相应的算法提取该数字水印，用以证明著者对其数 字产品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的依 据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息

不同的应用对数字水印系统的要求不尽相同，对数 字水印系统的特性理解也会随应用的不同而变化。 一般认为数字水印应具有如下特点： （ &）鲁棒性：指不因数字产品的某种改动而导

致水印信息丢失的特性。 （ !）不可感知性：数字水印应是不可知觉的， 收稿日期!!""#""$"!% 作者简介!#$%&&$’&(’()(*+,-.(/01234561(789:;<=>?@AB ?@CD!EFGH(3IJ K(LMEFNOB ,4/(（ -D,，-） （ !）

被唯一的鉴别确定，而且在遭到攻击时，确认所有

者等信息的精度不会太多降低。 $%$ %数字水印的分类

数字水印的分类方法有很多，分类的出发点不 同导致了分类的不同，它们之间是既有联系又有区 别。最常见的分类方法有以下几类：&）按水印特性 划分为可见水印和不可见水印，其中不可见水印又 包括脆弱性水印（ 或易碎水印）和稳健性水印；$） 按水印所附载的载体数据划分为图像水印、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；!） 按水印的检测过程划分为非盲水印、 半盲水印和盲水印；"）按水印内容划分为有意义水 印和无意义水印；#） 按用途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；’） 按水印隐藏的位置划分为时（ 空）域数字水印和变 换域数字水印，其中变换域数字水印又包括 ()* 域、(+* 域和 (,* 域。 !%数字水印原理与典型水印算法

对于数字水印嵌入和提取算法，纵观近几年来 相关的报道和文献，从整体框架构思到具体实现细 节，可以说是百花齐放，设计思想取决于研究人员 的研究背景和不同的研究角度。一般来讲可依据数 字水印所附载的载体数据划分为图像水印算法、音 频水印算法、视频水印算法、文本水印算法和三维 网格水印算法。本文主要以图像水印算法为主分析 一些典型水印算法及其特点。 !%& 数字水印一般原理

通用的数字水印算法包含两个基本方面：水印 的嵌入和水印的提取或检测。水印可由多种模型构 成，如随机数字序列、数字标识、文本及图像等。从 鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化 以及加密处理。设 - 为数字作品，, 为水印，. 为密

）/ "&，, 不存在

或 （) ,，,4E=，! （ "） 1，, 不存在

其中 ,4 为提取的水印，. 为密码，函数 ) 做 相关检测，! 为决策阈值。这种形式的检测函数是 创建有效水印框架的一种简便方法。检测器的输出 结果如充分可信则可在法庭上作为版权保护的潜 在证据。那么这实际上要求水印的检测过程和算法 应该完全公开。 !%$ 典型的数字水印算法

数字水印技术的研究主要集中于图像、音频、和视频等方面。图像水印技术是研究的最为广泛和 最为成熟的水印技术之一，音频水印技术和视频水 印技术的很多算法思想都来源于图像水印技术。而 文本文档在结构上同数字图像、数字视频、数字音 频等数字作品有很大的不同，所以文本水印算法应 根据文本文档的结构来设计。本文图像水印为例来 说明典型的数字水印算法。 !%$%& 空域算法

空域图像水印技术是在图像的空间域中嵌入 水印的技术。实现该技术的最简单和有代表性的空 域算法是用水印信息代替图像的最低有效位56789 或者多个位平面的所有比特的算法。&::! 年，*;<=>? 等人提出了数字图像水印的一种方法。该方法将 序列的伪随机信号以编码形式的水印嵌入到灰度 图像数据的 678 中。为了能得到完整的 678 位平 面而不引入噪声，图像经过自适应直方图处理，首 先将每个像数值从 @A;B 压缩为 CA;B，然后将编码信 息作为第 @ 个比特（ 即像数值的 678）。该方法是 单个 678 编码方法的扩展，在单个 678 编码方法 中，678 直接被编码信息所代替。

由于 678 位平面携带有水印，因此在嵌入水印 图像没有产生失真的情况下，水印的恢复直接从含 水印图像的 678 位平面提取即可，而且这种方法是 码，那么处理后的水印

,!/（+ -，,，.）

由函数 定义如下： （ &） 盲水印算法。但是由于使用了图像不重要像数位，在水印的嵌入过程如下：设有编码函数 0，原 第 Z 期 杨兴江：数字水印技术研究综述 !"

!"# 算法出现的缺陷，一些研究人员对空域图像水

印技术进行了改进，使算法的稳健性和安全性得到 了提高。最为著名的是 $%%& 年 #’()’* 等人提出的 +,-./01*2 算法。这是一种统计算法，即在一个载

体图像中嵌入具有统计特性的水印。+,-./01*2 算 法的水印嵌入过程是利用一个密钥 2 和伪随机发 生器来选择 3 对像数点 ，将每个补丁 ,! 处的亮度

其中 U! ，U;! 分别是修改前和修改后的频域系 数，, 是缩放因子，0! 是第 ! 个信息水印位。一般说 来，乘法准则的抗失真性能要优于加法准则。水印 的检测是通过计算相关函数实现的。从嵌入水印的 图像中提取 M;! 是嵌入规则的逆过程，把提取出来 的水印同原水印作相似性运算，与指定的阈值比 较，可确定是否存在水印。这是鲁棒性水印的奠基 性算法，得到了广泛的使用。随后许多人在此基础 上进行了大量的工作，结合基于分块 JLK 的图像 压缩算法，将水印嵌入到受攻击影响最小的系数 中，结合人类视觉特性，设计图像自适应图像水印 算法。下面是一些典型的 JLK 域算法。在给定噪声 敏感指数的局部感知分类器基础上，K,1 等提出了 一种自适应 JLK 水印技术；+1)PW./X2 等提出了可 值提高 ! ， ! 的取值一般取值为 45& 的 $6756之 间，每个 8! 处的亮度值降低同样的值 ! ，这样整个 图像的平均亮度保持不便。水印的检测过程是对含 有水印的图像利用同样的密钥 2 和伪随机发生器

来选择 3 对像数点9,!8!: ( 。计算 ";

(

( ";( 8（!: :>98!>! ?<4(! 5）

! < $ ! < $ 感知水印的方法；#,*(P 等提出一种利用 YU"（

类视觉特性） 的基于 JLK 的水印算法。 4I小波域9JMK 域:图像水印算法

人 当 ( 的值很大时，有 @9";( :!4(! （ &）

而在不知道密钥 2 的情况下，随机选取像数 对，假设它们是独力同分布，就有 @9";( :!A（ B） 这就表明，只有水印嵌入者或授权者可以对水 印进行正确检测，攻击者无法判断图像中是否含有 水印。适当的调整参数，+,-./01*2 算法对 C+@D 压缩、EFG 滤波以及图像裁剪有一定的鲁棒性，但该 方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信 息，可以将图像分块，然后对每个图像块进行嵌入 操作。 HI4I4 变换域算法

由于图像空域中嵌入水印固有的不足，其稳健 性不是很好，为了改变空域水印的缺点，人们提出 了在图像变换域中加入水印的方法，最常用的变换 域有 JEK 域、JLK 域和 JMK 域。该类算法中，大部 分水印算法都采用了扩频通信技术。 $IJLK 域图像水印算法

基于典型的 JLK 域算法是由 L1N 等人提出的 一种基于 JLK 变换的扩频水印技术。它将要嵌入 的信息位用伪随机信号调制成 O 个实数组成的伪 随机序列，呈平均值为 A，方差为 $ 的正态分布。这 样将水印能量分散到一个很大的频率范围，而在每 个 频 率 上 值 很 小 。 然 后 对 图 像 做 离 散 余 弦 变 换 9JPQ.*’-’ L1QP(’ K*,(QR1*S,-P1( T 简 称 JLK 变换:，得到图像的频率域形式。它利用一些嵌入规 则将扩频序列（ 扩频后的水印信号）加入到图像的 JLK 变换后视觉重要系数中。目前，最常用的嵌入