数字图像水印技术及其算法

2011年05月

科教纵横

数字图像水印技术及其算法的研究

文/曾玲

摘 要：随着信息技术和计算机网络通讯技术的迅速发展，数字图像水印技术得到了越来越多的关注，然后其研究刚刚起步，需要解决的问题也还很多。本文首先介绍了数字水印的概念，并在此基础上数字水印的生存、嵌入及检测三个方面阐述了数字水印技术的基本内容，并对数字水印技术的算法进行了归纳与讨论。

关键词：数字水印；嵌入；算法

中图分类号：X796 文献标识码：A 文章编号：1006-4117（2011）05-0217-01

信息技术和计算机网络通讯技术的迅速发展，加快了信息的交流和沟通，然而也带来了一系列的新问题。如非法复制传播就给社会造成了巨大的经济损失。因此，如何保护数字产品的安全及完整是一个急需解决的问题。随着计算机运行能力的不断加强，以密码学理论为基础的传统信息安全技术已经变得越来越不可靠。数字水印技术就是在这种情况下为加强信息安全而出现的一种新型的信息安全技术。然而，数字水印技术的研究还刚刚起步，因此，开展数字水印技术的研究具有十分重要的理论与现实意义。

一、 数字水印的概念

Tanaka等人于1990年最早提出了数字水印技术。经过二十多年的发展，数字水印技术取得了许多成绩，但始终没有出现一个统一的定义。比较公认的说法是，数字水印技术是将代表作品所有者的信息，如指定的标志、身份信息、序列码等按照某种方式嵌入到被保护的信息中。这种被保护的信息的形式多种多样，可以是一般性的电子文档，也可以是视频、音频或图像。水印通常隐藏与原始数据之中，在受到攻击后才会显现出来。

二、 数字水印的基本内容

数字水印的产生、嵌入及检测是通用的数字水印算法的三个基本方面。

1、数字水印的产生。实际上，数字水印产生的过程就是将原始版权信息、认证信息及保密信息等一系列的有关信息生成水印信号的过程。当然，水印信号必须嵌入到原始载体中，其生成过程也必须在密钥的控制下进行。

2、数字水印的嵌入。通过什么方法，以及在载体数据的什么位置嵌入水印是数字水印嵌入需要重点考虑的问题。水印嵌入的过程实际上是将水印信息、载体数据及密钥通过嵌入算法，转化为水印数据的过程。水印信息与原始载体数据是输入信号，原始载体可以为视频、音频、文本等，密钥则可以用来加强水印算法的安全性。此外，水印的嵌入还必须选好嵌入位置，将水印信号嵌入到图像中后还必须对其加以调整才能得到合适的图像。

3、数字水印的检测。水印算法中最重要的是水印检测，水印检测有提取与检测两种判断方式。一般情况下，提取适用于无意义水印，以判断得到的水印与原始水印是否相符；而检测则适用于无意义水印，以判断图像中是否存在制定的水印。此外，虚警与漏检是水印提取与检测过程中常发生的两种错误，因此，在水印算法设计中，应根据不同的水印系统，综合选择不同的指标以求取得最佳平衡。

三、数字水印的特点

不同的领域对水印算法的要求也不尽相同，其特点也有所差别。但是不同的水印技术仍存在着一些共性。

1、鲁棒性。鲁棒性是指图像经过有损压缩、噪声干扰、伸缩等处理操作后仍能检测到水印的能力。数字水印必须能够抵抗水印受到的攻击，也就是说，水印方案的设计必须考虑图像处理的鲁棒性。

2、不可见性。不可见性主要体现在视觉上，即观察者无法觉察经过水印嵌入的图像，且攻击者也难以通过统计方法发现并删除水印。一般来讲，当嵌入的水印不能引起人眼注意时，就说明该水印具有不可见性的特点。

3、安全性。安全性的关键性在于密钥。在不知道密钥的情况下，非法用户是不能破解一个安全的嵌入算法的。也就是说，非法用户在不知道密钥的情况下，及时非常了解其提取算法，也不可能正确恢复嵌入信息。嵌入水印必须具有安全性，以防止非法用户的发现及销毁。

四、常见的数字水印算法

1、时域、空域数字水印技术。为了实现水印的嵌入，时域/空域方法修改像素的某个分量值。Tirkel等人最早提出了空域嵌入技术的经典算法——最低有效位LSB。然后，这种算法的鲁棒性较差，其水印信息很容易被破坏。Schyndel等人提出的空域技术抗JPEG压缩的鲁棒性也不是很好。Bender等人于1995年提出的“拼凑”算法则在很多方面做了改进，且其抵抗力也明显加强，还能嵌入多比特的水印。在国内，刘瑞祯和谭铁牛提出的基于奇异值分解的非盲水印算法也受到了众多学者的关注。

2、变换域数字水印技术。嵌入的信息量过少、抗信号失真的能力较差、鲁棒性不好是空间域水印算法的最大缺点。有鉴于此，近几年来，变换域数字水印技术得到了广泛的关注。该种数字水印技术要求首先对整个载体或者载体的各部分信息进行某种正交变换。与嵌入空间某些频带相对应的系数则按照嵌入算法的规则进行交换。载体的高频信息的鲁棒性较差，容易被压缩技术所剔除；而载体的低频率信息则反映载体的主要轮廓，但嵌入水印量过大会引起失真。因此，中频系数是最好的选择。变换域数字水印技术弥补了空域数字水印技术的不足，在变换域中将水印分散到全距，大大加强了抵抗攻击的能力。此外，变换域能量分布比较集中，其嵌入水印的强度通过与人类视觉体系模型的结合也得到了一定程度的加强。

3、基于内容的数字水印技术。很多学者从视觉系统的感知模型等方面进行了研究以此来保证水印的透明性，然而他们对利用图像的内容特征来嵌入水印的研究却寥寥无几。Kutter等人提出的第二代水印改变了这种状况，他们认为在感知有意义的特征区域进行水印嵌入是解决问题的关键。这些特征既可以是宿主数据抽箱的特征，又可以是语义上的特征。图像既可以边缘区域，也可以使重点区域。Bas等人提出的机遇图像特征点的水印方案进一步完善了这种观点。华先胜等人提出的局部化数字水印算法则能够通过这些特征点来定位并提取水印。

结束语：数字水印技术弥补了密码术与数字签名技术的缺陷，是一种新型的隐藏技术，能够保护数字产品的版权证明，已引起了广泛了关注，且众多的学者也对此进行了大量的研究并取得了一定的成就。然而，数字水印技术正处于起步阶段，其相关的理论体系还有待改善，其体系框架与标准也还很不城西，需要解决的问题也还很多，其实际应用仍任重而道远。

作者单位：湖南衡阳技师学院参考文献：

[1]宋琪,吴林东,朱光喜等.一种基于Hvs的利用零树编码的水印算法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(5):5—7.

[2]刘瑞祯,谭铁牛.基于奇异值分解的数字图像水印[J].电子学报,2001,29(2):168—171

[3]黄继武,谭铁牛.图像隐形水印自动化学报[J].2000,26(5):645—655.

[4]张志明,周学广.采用奇异值分解的数字水印嵌入算法[J].微计算机息,2006,22(7):69—71.

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