图像数字水印在信息隐藏中的应用

摘要：发展数字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护和信息隐藏，随着这项技术在众多领域的应用，引起了越来越多的学者重视。根据数字水印技术当前发展形势，比较全面、详细的阐述了数字水印系统的流程，深入探究图像数字水印技术在信息隐藏中的应用原理及算法的性能评估。

关键词：数字水印；鲁棒性；典型算法；性能评估；信息隐藏

中图分类号：TP18 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)31-pppp-0c

Image Digital Watermarking Technology in the Application of Information Hiding

ZHANG Mao

(Graduate Student Department, Engineering University of CAPF, Xi'an 710086, China)

Abstract: The driving force of the development of digital watermarking technology is in order to provide copyright protection of multimedia data and information hiding. Along with the application of this technology, more and more scholars pay more attention on it. According to the current development situation of digital watermarking technology, it descripts the process of digital watermarking systems more comprehensively and more minutely, and researchs in-depth image watermarking technology information in the application of information hiding principle and algorithm performance evaluation.

Key words: digital watermarking; robustness; typical algorithms; performance evaluation; information hiding

数字水印技术是近年来兴起的前沿研究领域，在多媒体信息的版权保护和完整性认证方面得到了迅猛发展，数字水印技术是一种应用于信息隐藏的多学科综合的新兴技术。它涉及信号与数字图像处理、计算机科学、混沌、密码学以及数据通信等领域，是一门交叉学科。虽然目前还没有形成较为完善的理论体系，但随着数字水印技术日趋成熟，它必将成为版权保护的重要工具。

1 数字水印系统

所谓数字水印技术就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入多媒体数据中，以起到保护版权、秘密通道、数据文件的真伪鉴别和产品标志等作用。

1.1 数字水印的基本模型

通过对多种水印的算法研究，一套完整的数字水印系统基本包括生成水印、水印的嵌入、水印的提取、水印的检测四个部分。一般情况下，每种水印信号的设计与水印的嵌入和提取算法相关性不大。由于无意义水印信号和有意义水印信号的不同，生成水印的方法也不一样，无意义水印一般使用伪随机序列作为信号或使用混沌序列产生水印信号，有意义水印则需要对其本身进行预处理。嵌入、提取和检测过程如图1、2、3所示。

1.2 数字水印的分类

1) 空域水印和频域水印根据在数字图像的还是频域中嵌入水印信息来区分。一般来说，频域水印的鲁棒性要比空域水印强，频域水印容量比空域水印容量大。

2) 鲁棒性水印和脆弱性水印根据数字图像抵抗攻击操作的能力来区分。鲁棒性水印是指攻击后仍然能够检测或提取水印(用于版权保护)；而脆弱性水印则指能直接反映图像水印是否受蓄意篡改等(用于法院证据等)。

3) 盲水印和明文水印根据检测图像水印时是否需要原图像来区分。盲水印是指检测时不需要原始图像，只需要密钥；而在检测过程中需要原始数据的水印是明文水印。在应用范围上，盲水印比明文水印实际应用广，但研究的难度也相对较大。就水印特性而言，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。

4) 可视性水印和不可视性水印根据人眼是否看出图像水印来区分。不可视水印是指从视觉上无法分辨出原图像和嵌入水印图像的区别，是当前数字水印技术的主要研究领域；而可视水印是以人眼可见的形式在原始图中嵌入水印，与不可视水印技术相比，该技术有着自己独特的领域，它可用来强调所给出的图像是一个样品，或者通过在图像中嵌入商标或者版权标记来阻止非法复制。

5) 公有水印和私有水印根据嵌入的图像是否让公众知道来区分，尤如加密中的公钥和私钥的含义，从应用上讲，两种都有其应用前景,但最终在网络化时代，公有水印有更大的应用空间。

以上这些分类方法有一些是相容的，恰如一个图像既可以是鲁棒的、盲的和不可视的，甚至是公有的，这些由实际应用环境来确定。

1.3 数字水印的特性

1）嵌入有效性是指嵌入过程后马上检测得到肯定结果的概率。在某些情况下，水印系统的有效性既可以根据在大量测试图像集合嵌入水印的实际结果确定，也可以通过系统的分析确定。只要集合中的图像数目足够大而且同应用场合下的图像分布类似，输出图像中的检测出水印的百分比就可以近似为有效性的概率。

2）鲁棒性鲁棒性指在经过常规信号处理后能够检测出水印的能力。在实际信号传输过程中，会受到噪声等攻击。一般针对图像的常规操作包括空间滤波、有损压缩、几何剪切等。对嵌入水印后的图像进行常规攻击后，鲁棒性水印算法仍能从含水印图像中提取出水印。而与鲁棒性水印相对立的脆弱水印，则与鲁棒性水印特性完全相反，在经受任何攻击后都会引起图像信息的丢失，从而可以防止对数字作品的修改与盗用。

3）不可见性。水印在通常情况是不可见的（某些情况需要使用可见水印），水印的不可见性指数字产品中嵌入水印后与原始作品之间在人类主观感觉上没有区别。对于图像来说，嵌入水印后的图像应不影响其视觉效果。

4）安全性安全性是指水印能够抵抗有意篡改和恶意攻击的能力。它有别于鲁棒性所涉及的普通信号失真。嵌入的水印信息必须是经授权的单位或个人才能检测提取，非法用户不能判断水印是否存在，或者即使检测出水印，也不能获取或去除水印信息。

此外，与水印有关的特性还包括逼真度、数据容量、盲检测和明检测、虚检率、密码与与水印密钥等。但在数字水印系统中，不可见性和鲁棒性是两个最基本的指标，也是研究的重点。水印不可见性和鲁棒性是一对矛盾体，鲁棒性的提高必然会引起水印不可见性的降低。实际上，成功的数字水印算法是要寻求不可见性和鲁棒性之间的最佳平衡，即在保证不改变原始图像视觉感知效果（即不可见性）的前提下，尽量使水印具有较好的鲁棒性。

1.4 数字水印的典型算法

1）空间域它主要包括最低有效位（LSB）算法、文档结构微调方法、拼凑方法、纹理块映射编码方法、量化方法、自适应方法和半色调图像的水印算法。数字水印的算法研究最早是从空域开始的，其算法优点是计算速度快、时间复杂度低、过程相对简单、实时性较强，但与压缩域和变换域相比，鲁棒性较差。

2）变换域 主要是离散傅里叶变换（DFT，Discrete Fourier Transfrom）、离散余弦变换 (DCT，Discrete Cosine Transform)、离散小波变换(DWT，Discrete Wavelet Transfrom)。其中基于DCT的数字水印算法是目前水印技术中研究得最多、最深入,也是最成熟的。与空间域图像水印相比，变换域图像水印对压缩、滤波和其他一些处理算法具有较强的鲁棒性，与常用的图像压缩标准兼容；另一方面，为保证水印的不可察觉性，可以在空间域的任何位置上嵌入水印信号能量；同时在水印编码过程中，又能方便地结合人类视觉系统和听觉系统的某些特性(如频率掩蔽效应)，因而变换域水印算法得到了广泛的重视。

除以上变换域算法，近年来还有一些变换域算法崭露头角。文娟等人将神经网络与Contourlet变换相结合，实现水印盲提取。朱宁波等人将遗传算法引入数字水印中。另外，利用生理模型、扩频技术、奇异值分解的水印算法也在广泛的应用。

1.5 数字水印的性能评估

水印系统的性能评估主要包括透明性和鲁棒性，这两者一般是相互矛盾的。水印的嵌入量、嵌入强度、图像大小对水印的鲁棒性都有影响。通常嵌入量越多，嵌入强度越大，鲁棒性越好，但是透明性差。所以在设计水印算法时，要对这两者综合考虑，进行折中，为了使性能评估有效，必须在各种不同的测试图像集中进行测试。一般在实验中用到的参数有峰值信噪比（PSNR）和相关系数(NC)。

2 结论

数字水印作为一个技术体系，目前尚不完善，由于每个研究人员的介入角度各不相同，研究的方法和设计策略也各不相同，但是鉴于图像数字水印技术在信息隐藏等领域的应用价值, 有必要对水印技术进行深入研究。未来可能值得关注的研究领域将有以下几个方面: 一是数字水印的基本理论和算法的研究;二是数字水印的标准化研究;三是数字水印的网络应用研究; 四是与其它领域先进技术的结合研究。

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收稿日期：2011-08-15

作者简介：张茂（1987-），男，吉林九台人，硕士，主要研究方向为数字图像水印研究。