数字水印技术 PPT课件

与现代光学技术相结合
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PART3 基于数字全息的水印技术
基于数字全息的水印技术
•
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gmark (x, y) g0 (x, y)=gmark (x, y) exp[i2(x, y)]
Gmark ( ,) g0 (x, y) exp[2 i( x y)]dxdy R(,) R0 exp[2i(a b)]
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数字水印技术（Digital Watermarking）
• 数字水印为计算机网络上的多媒体产品的版权保护等问题提供了有效 的解决方案。
• 它通过在原始数据中嵌入秘密信息(水印)来证实该数据的所有权。 • 被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。
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特点
• 数字水印技术具有以下几个方面的特点：
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基于数字全息的水印技术
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g0(x, y)的傅里叶变换谱与参考光波R发生干涉，其光强分布可以表示为
H ( ,) Gmark ( ,) R( ,) 2
(4)
Gmark ( ,) 2 R( ,) 2 Gmark ( ,)R( ,)* Gmark ( ,)* R( ,)
(4)式中第一二项为傅里叶变换全息图的晕轮光和中心亮点，对再现像的质量影 响很大，应该去除，去除后变为：
盗版
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• 保护数字产品的知识产权和阻止盗版已经成为数字产 品和网络应用面临的严峻问题。
• 对数字图像、音频、视频等多媒体产品进行水印处理 已经成为近年来研究的热点领域之一
如何在网络环境中实施有效的版权
保护和信息安全？
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信息隐藏
• 信息隐藏是把机密信息隐藏在大量信息中不让对手发觉的一种方法。

原始语音信号（“床前明月光”） 去掉低2比特位的语音信号（声音信号听不出差别）
去掉低4比特位的语音信号（声音信号听不出差别） 去掉低6比特位的语音信号（声音中有极少的背景噪音，不易被察觉）
去掉低8比特位的语音信号（声音中有较明显的背景噪音） 去掉低10比特位的语音信号（声音中有很强的噪音，但话音仍较清晰）
1.6 常见的音频数字水印攻击
音频文件遭受主动攻击后，即使合法用户也不能正确读取水印信息；被动攻 击尝试破解数字水印算法，难度要大得多。在实际的应用中，破解数字水印算法 比较困难，数字水印主要面临的是主动攻击。尽管常见的信号处理操作不是一种 攻击，但它也会对水印信息造成一定程度的破坏。所以，一种有效的水印算法要 能够有效地抵抗常见的信号处理操作。
（4） 离散小波变换域（DWT）算法
小波变换具有良好的时频局部特性，利用小波变换在音频信号中嵌入水印， 可以获得较好的鲁棒性，含水印音频信号能够在一定程度上抵抗攻击。钮心忻 等[34]在2000年提出了一种基于小波变换的数字水印算法，该方法嵌入的不是一 般的水印信号，而是把高斯白噪声作为水印信号嵌入到音频信号的小波变换域 中。该方法先利用小波变换对原始音频信号实施小波分解（ 级小波分解），对 于前 级的粗糙分量不作任何处理，然后通过处理第 级的精细分量来嵌入水印。
2.2 变换域音频数字水印算法
（1）相位水印算法
Bender W等人在1996年提出了相位水印算法，它利用人耳听觉系统对绝 对相位不敏感，而对相对相位敏感的特性，用代表水印信息的参考相位来替 换原始音频段的绝对相位，然后调整其它的音频段，这样就可以使各音频段 之间的相对相位保持不变。相位水印算法的一个不足是：如果水印信息的参 考相位发生剧烈变化，那么就会有明显的相位差异（Phase Dispersion）出现， 这不但会增加接受方译码的难度，还会影响水印信息的感知透明性。

Robust against user level operations, e.g. image
compression.
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按可见性分类
•不可见水印 •可见水印
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按检测方式分类
•非盲检测 Non-blind detection
Use the original signal.
隐秘通道 隐写术 阈下信道 数字水印 可视分存
隐写 隐写分析 鲁棒水印 脆弱水印
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普通水印 数字指纹
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数字水印定义
•Digital watermarking is the process of embedding information into a digital signal. The signal may be audio, pictures or video, for example. If the signal is copied, then the information is also carried in the copy. •数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据) 中具有可鉴别性的的数字信号或模式，而 且并不影响宿主数据的可用性。
•Additive and multiplicative noise (gaussian, uniform, etc.)
•Filtering (High pass, low pass, linear, nonlinear, etc.)
•Lossy compression (JPEG, MPEG-x, H.26x, etc.)
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5. 串谋攻击
•
所谓串谋攻击就是利用同一原始多媒体数
据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似
的多媒体数据集合，以此来逼近和恢复原始数
据，其目的是使检测系统无法在这一近似的数
据集合中检测出水印信号的存在。
6. 跳跃攻击
• 跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击， 其一般实现方法是在音频信号上加入一个跳跃信号， 即首先将信号数据分成500个采样点为一个单位的数据 块，然后在每一数据块中随机复制或删除一个采样点， 来得到499或501个采样点的数据块，然后将数据块按 原来顺序重新组合起来。实验表明，这种改变对古典 音乐信号数据也几乎感觉不到，但是却可以非常有效 地阻止水印信号的检测定位，以达到难以提取水印信 号的目的。类似的方法也可以用来攻击图象数据的数 字水印系统，其实现方法也非常简单，即只要随机地 删除一定数量的象素列，然后用另外的象素列补齐即 可，该方法虽然简单，但是仍然能有效破坏水印信号 存在的检验。
• 1.水印基本原理和评价方法的研究，包括水印 理论模型、水印结构、水印嵌入策略、水印检 测算法、水印性能评价以及水印的标准化等
• 2． 现有水印算法分析 • 3． 基于特征的数字水印技术 因基于统计特
征的数字水印技术容易受到非线形等变换方法 的攻击，而基于图象高层特征的数字水印技术 如基于边界信息等则具有较好鲁棒性。
1 原始图像
2 加入水印后的图像 3 水印
ห้องสมุดไป่ตู้
数字水印的特性
透明性（隐藏性）。 强壮性（免疫性）：所谓的操作包括：传输过程
中的信道噪声、滤波、增强、有损压缩、几何变 换、D/A或A/D转换等。所谓的攻击包括：篡改、 伪造、去除水印等。
隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据 的内容之中，而非文件头等处，防止因格式变换 而遭到破坏。

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时间同步问题
•Temporal synchronization problem
frame dropping, insertion, transposition, averaging; 1）intentional attack; 2）network stream video. 导致： 1）密钥失去同步； 2）相关性检测失去同步。
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多帧合谋问题
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多帧合谋问题解决办法
•Solution of multiple frame collusion
Make watermark statistical invisibility.
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X k ( m ,n ) U k ( m ,n ) k ( m ,n ) W k ( m ,n )
•基本思想：1）利用模板来推断所经历的RST变换；
2）确定RST变换参数需要三个点坐标。
xyac dbxyef
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时间模板
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扩频调制
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时间模板的嵌入与检测
•时间模板
vi , v j ij vi 2 ,
[2] Zhao Yao and Reginald L. Lagendijk. Video watermarking scheme resistant to geometric attacks. Proceedings of the international conference on image processing, 2002, Vol.2, II145-II148

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压缩攻击对AC系数的影响 • 压缩的哪一步会造成图像数据的损失？
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压缩攻击对AC系数的影响
59 60 58 57
23.625 4.5169 1.75 1.1056
含水印图像：F 61
62 59
59 59 61
59 60 60
57 58 56
DCT变换 D1.05920.17681.17130.7803
以抵抗压缩攻击
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NEC算法的原理 • 考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？
– 从水印不可见性考虑
• 将水印嵌入DCT变换域的AC高频系数
– 从水印鲁棒性考虑
• 将水印嵌入DCT变换域的DC系数或AC低频系数
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NEC算法的原理 • 为了解决水印不可见性和鲁棒性的矛盾，COX等人通
过类比通信中的扩频技术，将水印信息嵌入到图像的 AC低频系数，产生了第一个基于扩频思想的数字水印 算法。
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NEC算法描述 • 水印的产生
– 将1bit水印扩展成能量小的水印序列 – 产生一个长度为N的随机序列W作为水印信息
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NEC算法描述
• 水印的嵌入 – 对图像数据进行二维DCT变换 – 寻找最大的N个DCT系数X用来携带水印信息 – 根据下式得到含水印的DCT系数S
• Si=Xi (1+αWi)，其中W是水印， α是尺度因子，用于控制 水印的嵌入强度
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NEC算法实现
• %文件名:COX_Embed.m • %函数功能：将均匀分布的随机序列(水印信号)按照
cox扩频方法嵌入到载体图像的DCT系数中 • %格式:J = COX_Embed (I, W, alpha, N) • %参数说明： • %I: 原始图像矩阵 • %W:水印信息 • %alpha: 水印强度 • %N :嵌入水印长度 • %J:嵌入水印图像矩阵

(2) 透明性: 在数字产品中嵌入数字水印不会引起 明显的降质, 并且不易被察觉, 不影响宿主数据 的可用性。
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(3) 鲁棒性: 在经历多种无意或有意的信号处理过程的攻
击后, 数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。 除了各种恶意攻击外，对关系数据库的正常维护和更新
也会修改数据值。数据库水印的鲁棒性是指水印数据库不 会因为数据的某种改动而导致水印信息丢失的能力。倘若 攻击者修改的元组数量很多，嵌入在数据库中的水印信息 遭到破坏，那么该关系数据库也会因数据修改太多而失去 其本身的使用价值。
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数据库水印的特点
数据库水印是指用信号处理的方法在数据库中嵌入不易 察觉且难以去除的标记, 在不破坏数据库内容和可用性的 前提下, 达到保护数据库安全的目的。由于数据库的特殊 性, 在其中不易找到能插入水印标记的可辨认冗余空间, 因 而研究具有一定难度, 成熟的水印算法还很少。与多媒体 数据相比, 数据库水印的主要区别在于:
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(1) 多媒体数据对象是由大量的位组成的, 并且许多位是 冗余的。关系数据库则是由许多独立的元组组成, 难以找 到可辨认的冗余空间。 (2) 多媒体数据对象各个点之间主要存在空间上的有序关 系, 而组成关系数据库的元组之间以及元组的属性值集合 之间是无序的, 数据间一般存在依赖关系。
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数字水印典型算法
目前，典型的数字水印算法主要有空域算法、变换域算 法、压缩域算法、NEC算法和生理模型算法五类。
。
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数字水印技术
随着计算机技术和通信技术的飞速发展，数字信息可以 以多种形式在网络上方便、快捷地传播。人们通过网络看 电影、听音乐、看新闻、网上购物等，网络与数字信息已 成为许多人生活、工作不可缺少的部分。

数字水印的分类
02 根据应用需求和嵌入方式，数字水印可分为可见水印
和不可见水印。
数字水印的功能
03
数字水印具有版权保护、内容认证、数据追踪等功能
。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
内容防伪
数字水印可以用于标识多媒体内容的真伪，防止伪造和假冒。
内容追溯
数字水印可以用于追踪多媒体内容的传播路径和源头，帮助发现 和处理安全威胁。
01
数字水印技术的挑 战与展望
数字水印技术的挑战
鲁棒性
透明性
数字水印需要能够抵抗各种常见的图像处 理操作，如压缩、滤波、噪声添加等。
数字水印不应明显改变原始数据的视觉效 果，以免影响其使用价值。
数字水印技术是一种将特定信息隐藏在数字媒体 （如图像、音频、视频等）中的技术，这些信息 可以用于标识版权、追踪数据来源或验证数字媒 体的完整性。
鲁棒性
数字水印应能在数字媒体的常规处理过程中保持 完整性和可检测性，如压缩、滤波、剪切等。
不可见性
数字水印通常不会影响数字媒体的正常使用，人 眼无法直接观察到水印的存在。
《数字水印技术》 ppt课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
目录CONTENTS
• 数字水印技术概述 • 数字水印的分类与原理 • 数字水印算法的实现 • 数字水印技术的应用案例 • 数字水印技术的挑战与展望 • 参考文献
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数字水印技术概述
定义与特点
定义
03
易攻击: 水印算法可能被恶意攻击者破解。
04
计算成本高: 水印嵌入和提取过程计算复杂 度高。

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空间域算法举例
• Patchwork算法：首先选中N对像素点， 然后通过增加一个点的亮度值，而相应 降低另一个点的像素值，以此来嵌入信 息。
为了提高水印的鲁棒性，算法将像素对 扩展为像素区域对。
对有损的滤波、压缩、扭转等具有较好 的抵抗能力。
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文本水印算法
• 文本水印算法：通过改变行间距、字间 距、字符特征或同义词替换等来嵌入信 息。
Embed 101 • • •
marked
130 = 10000011 123 = 01111010 117 = 01110101 ••••••••••
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DCT变换
正变换：
F c (,) M 2c (N ) c () M 1 N 1 f( x ,y ) c2 o N ( 2 x s 1 )[ ] c2 o M ( 2 y s 1 )[ ] x 0 y 0
• 信息隐藏：将机密信息隐藏于公开信息中，通 过传递公开信息而传递机密信息。
• 数字水印：数字水印是以可感知或不可感知的 形式嵌入到数字多媒体产品（文本、音频、视 频、图形和图象等）中的、用于版权保护、内 容检验或提供其它信息的信号。
• 数字水印处理技术是水印生成、嵌入、抽取和 检测以及攻击等过程的统称。
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NEC算法
• NEC算法：NEC实验室的COX等人提出的水印算 法,原则为：
• 水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要 的部分。在频谱空间中，这种重要部分就是低 频分量。这样，攻击者在破坏水印的过程中， 不可避免地会引起图象质量的严重下降。
• 水印信号应该由具有高斯分布的独立同分布随 机实数序列构成。这使得水印经受多拷贝联合 攻击的能力大大增强。

PKI），是一种遵循既定标准的密钥管理平 PKI），是一种遵循既定标准的密钥管理平 台,它能够为所有网络应用提供加密和数字 签名等密码服务及所必需的密钥和证书管 理体系。 完整的PKI系统必须具有权威认证（CA）机 完整的PKI系统必须具有权威认证（CA）机 构、数字证书库、密钥备份及恢复系统、 证书作废系统、应用接口（API）等基本构 证书作废系统、应用接口（API）等基本构 成部分 。
本章总结
本章需要重点理解的是密码学的基本概念 DES加密技术的优缺点 DES加密技术的优缺点 RSA加密算法的基本原理 RSA加密算法的基本原理 掌握使用PGP加密工具进行文件和邮件的加 掌握使用PGP加密工具进行文件和邮件的加
密。
本章习题
【1】、密码学包含哪些概念？有什么功能？ 【2】、简述对称加密算法的基本原理。 【3】、利用对称加密算法对“1234567”进行加密，并进行解密。（上 、利用对称加密算法对“1234567”
机完成） 【4】、简述非对称加密算法的基本原理。 【5】、利用非对成加密算法对“1234567”进行加密，并进行解密。 、利用非对成加密算法对“1234567” （上机完成） 【6】、比较对称加密算法和公开密钥算法，分析他们的异同。 【7】、恺撒密码是公元前50年古罗马恺撒用过的密码，加密方法是把a 、恺撒密码是公元前50年古罗马恺撒用过的密码，加密方法是把a 变成D 变成D，b变成E，c换成F，依次类推，z换成C。这样明文和密文的字母 变成E 换成F，依次类推，z换成C 就建立一一对应的关系。加密原理其实就是：对明文加上了一个偏移值 29，即“a”对应的ASCII码位97，“D”对应的ASCII码为68，相减得到29。 29，即“ 对应的ASCII码位97， 对应的ASCII码为68，相减得到29。 编写程序1：实现恺撒密码加密单词“julus” 编写程序1：实现恺撒密码加密单词“julus”。（上机完成） 编写程序2：实现解密，将程序1 编写程序2：实现解密，将程序1得到的密文进行解密。（上机完成） 【8】、简述PGP加密技术的应用。 、简述PGP加密技术的应用。 【9】、使用PGP软件加密文件，并将与其他人交换密钥。（上机完成） 、使用PGP软件加密文件，并将与其他人交换密钥。（上机完成）

数字水印的工作过程
密钥Key
原始水印 d
原始数据 X
变换 水印信息
嵌入密钥 Kin
对 比
对 比
原始数据
X
原始水印 d
水印信息 逆变换
嵌入算法 嵌入水印
提取密钥 Kin
水印提取 检测
含有水印 的数据Xd
历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯 的变化资料
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[自读教材·填要点]
一、铁路，更多的铁路 1．地位 铁路是 交通建运设输的重点，便于国计民生，成为国民经济 发展的动脉。 2．出现 1881年，中国自建的第一条铁路——唐山 至开胥平各庄铁 路建成通车。 1888年，宫廷专用铁路落成。
DSS的签名和验证过程
数 据
M
连
接
发送方
公共参数p 私钥Ks
摘要D
Hash
签名
发送方
公共参数p 公钥Kg
M
Hash
s
r
验证
比较
随机数k
发送签名方
接收验证方
DSS采用的是SHA散列函数计算消息摘要D。签名方在签名时，将消息摘要D和 一个随机数k一起作为签名函数的输入。签名函数使用发送方的私钥Ks和一组公 共参数P，产生两个输出（s，r）作为签名结果。验证方就是通过比较接收到的 签名结果与自己计算出来的签名结果，根据它们是否相等来判断签名的有效性。
2．特点 (1)近代中国交通业逐渐开始近代化的进程，铁路、水运和 航空都获得了一定程度的发展。 (2)近代中国交通业受到西方列强的控制和操纵。 (3)地域之间的发展不平衡。 3．影响 (1)积极影响：促进了经济发展，改变了人们的出行方式， 一定程度上转变了人们的思想观念；加强了中国与世界各地的 联系，丰富了人们的生活。 (2)消极影响：有利于西方列强的政治侵略和经济掠夺。

128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
• 信息隐藏（Information Hiding）
✓ 利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
✓ 载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
✓ 被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字
保信实号证息验的指 伪 表 目纹装明的和技，。实术这体研种A的究改相的变关内对性容古包典括音信乐息信隐号藏数和据信也息几的乎信版感息算权觉嵌法认不证到入，，信但息是访却问可不道的以合非安法常身有全份效信认地定阻等止。水印信信号息算的提法检取测定位，以达到难以提取Ｂ水印信
TTP（可信第三方）秘数密字消水印息协m议
信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息

内容完整性
数字水印技术可以用于验证数字 内容的完整性，通过提取数字作 品中的水印信息，可以检测数字 作品是否被篡改或损坏。
内容来源追溯
数字水印可以用于追溯数字内容 的来源，通过提取水印信息，可 以确定数字作品的作者或发布者 ，保证数字内容的真实性和可信 度。
内容篡改检测
数字水印技术还可以用于检测数 字内容的篡改行为，通过比较原 始水印和提取的水印信息，可以 发现数字作品是否被篡改或恶意 修改。
电子票据防伪
数字水印技术可以用于电子票据的防伪，以防止 伪造和篡改。
数字水印技术的发展历程
1993年，Caronni等人提 出了数字水印的概念，并 进行了初步的实验研究。
2000年左右，随着数字 媒体技术的普及，数字水 印技术的应用范围逐渐扩 大。
ABCD
1997年，国际信息隐藏 学会成立，推动了数字水 印技术的进一步发展。
利用深度学习技术提高水印的 鲁棒性和隐蔽性，以及利用神 经网络进行水印的生成和检测 是未来的一个重要方向。
动态水印技术的研究
随着媒体内容的动态变化，研 究如何在水印中嵌入动态信息 ，以实现更高级别的版权保护 和内容追踪是未来的一个研究 方向。
跨媒体水印技术的研究
随着多媒体内容的普及，研究 如何在水印中同时嵌入图像、 音频和视频信息，以实现跨媒 体版权保护和内容追踪是未来 的一个研究方向。
水印容量与嵌入强度的关系
水印容量决定了能够嵌入的信息量，而嵌入强度则影响水印的鲁棒性 ，如何在保证水印鲁棒性的前提下提高水印容量是一个挑战。
跨媒体一致性问题
数字水印需要在多种媒体上保持一致性，包括图像、音频和视频等， 这需要解决不同媒体间的水印同步问题。
数字水印技术的未来发展方向

检测过程示意图
产品输入输出 产品数据
数据变换
关
变换域数据
联 数
结果解释
字
结果数据 水印信息检测»
水 印
水印信息数据
技 术
用户信息输入 用户输入数据 随机序列产生
水印信息嵌入
位置信息序列P
关
联 数
特征提取 特征集I 嵌入» 特征集I’ 数据置换
字
水
印
技
术 频域数据Df
水印信息
视觉模型
频域数据D’f
数 字
映射到实数空间，且维持映射的唯
水 印
一性。
技 术
保证水印密码的不可猜测，提高水
印对输入的敏感性，增加水印序列
的随机性。
关联措施
采用混沌方法，将输入的密码和个人信息
映射到实数空间，以保证密码空间足够大。
关 联
同一种子产生随机位置序列和水印信息序
数 字
列，保证系统的关联可靠性。
水 印 技
使种子的生成对输入敏感，采用动力混沌 方法。
一维小波变换
l1
关 联 数 字
cj1,k hmcj,m2k m0
l1
dj1,k gmcj,m2k
低通 高通
正 变 换
水
m0
印
技
逆
术
l 1
l 1
cj 1,k hmcj,m 2k gmdj,m 2k
变 换
m 0
m 0
关联随机序列
保证水印方案过程的单向性，单向
映射。
关 联
保证水印密码空间足够大，将输入
数字水印技术技术介绍
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。