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提起水印，我們就會立刻想到用于鈔票印刷的水印紙。它是大多數(shù)人比較熟悉的一種防偽技術，由于它具有良好一線防偽效果，所以被廣泛應用于許多紙幣、票證之中，然而，由于傳統(tǒng)防偽水印技術存在的一些技術不完善，使不法分子有機可乘。此外，對一些諸如音像制品、電影拷貝、網(wǎng)絡出版、電子圖書版權、證卡之類等防偽，這種傳統(tǒng)的水印紙也只能望洋興嘆了。如今隨著科技的不斷發(fā)展，開發(fā)出了新的防偽技術——數(shù)字水印，它們對于藝術品防偽、音像制品等電子產(chǎn)品以及網(wǎng)絡出版、電子圖書等防偽，起到了重要的作用。             　　數(shù)字水印技術不同于傳統(tǒng)的水印紙，它是利用數(shù)字信號處理的相關技術，在媒體數(shù)據(jù)作品中嵌入微量數(shù)據(jù)(一般為數(shù)字、序列號、文字、圖像標志等版權信息)。水印技術嵌入后，原始的媒體數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生改變，也不影響原始數(shù)據(jù)的正常使用。數(shù)字水印使人們無法從表面感知水印，只有專用的檢測器或軟件才可以檢測出隱藏的水印。例如，一幅經(jīng)過數(shù)字水印技術處理的山水畫，經(jīng)專家輸入計算機編程，人們從投影屏上清晰地看到了畫上各種個性化的版權標識，提取1次就見1種，提取4次就見4種。目前，已開發(fā)出印刷數(shù)字水印技術應用軟件。在采用了數(shù)字水印技術的一本書的封面上，加上一個視頻頭和一個專用軟件，就可以看到一個隱藏的防偽標識；從電腦上下載一段音樂，經(jīng)過特殊的軟件處理，可以顯示一篇數(shù)千字的文章。將數(shù)字水印技術用于印刷防偽，不僅安全可靠，還具有無需改變原有印刷工藝流程、無需增加印刷成本等特點，只需通過專用軟件處理就可將防偽信息嵌入印刷品。它在各種產(chǎn)品印刷包裝、商標，發(fā)票、支票、證券、信用卡的防偽造、數(shù)字媒體的版權保護和跟蹤，電子商務中的機要通信和防篡改、防抵賴等方面，有極為廣泛的用途。             　　一、數(shù)字水印的特點             　　數(shù)字水印也叫數(shù)碼水印，就是用數(shù)碼化技術將圖像、音頻、視頻、文本、網(wǎng)絡等目標直接隱藏在靜止圖像、活動圖像或其他數(shù)碼化傳播媒體中的技術，它被稱為圖像數(shù)碼化水印處理技術。其實質就是圖像信息的隱藏或稱為圖像水印處理技術。依據(jù)所嵌入的主媒體不同，主要可分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印和網(wǎng)絡水印。與傳統(tǒng)加密系統(tǒng)不同的是，數(shù)字水印技術應用的主要目的并不是限制對媒體的訪問，而是確保媒體中水印不被改變或消除，從而為媒體提供必要的證明信息；此外，也可用于保密通信和隱含信息標注等。             　　從視覺效果考慮，圖像水印分為可見和不可見兩種。由于可見水印的應用范圍和技術受到較大限制，因此應用范圍不太廣泛；而不可見（隱形）水印則是目前圖像水印的主要研究內容。通過在原始圖像中嵌入秘密信息——水印來證實該數(shù)據(jù)的所有權歸屬或數(shù)據(jù)的完整性。             　　水印可以是代表所有權的文字或ID、圖形、圖像、音頻數(shù)據(jù)、隨機序列等。從圖像處理的角度看，嵌入水印可以視為在強背景（原始圖像）下疊加一個弱信號(水?。?。由于人的視覺系統(tǒng)分辨率受到一定的限制，只要疊加信號的幅度低于HVS的對比度門限，HVS就無法感覺到信號的存在。對比度門限受視覺系統(tǒng)的空間、時間和頻率特性的影響。因此，通過對原始圖像做一定的調整，有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。另一方面，從數(shù)碼通信的角度看，水印編碼（嵌入）可理解為在一個寬帶信道（原始圖像）上用擴頻通信技術傳輸一個窄帶信號（水?。?。盡管水印信號具有一定的能量，但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測到的。水印的譯碼（檢測）則是一個有噪信道中弱信號的檢測問題。             　　在一些應用場合下，水印的檢測允許有原始圖像的輔助；而在另外一些場合下，有可能無法得到原始圖像。通常由于水印信號與原始圖像信號相比弱得多，沒有原始圖像輔助的檢測方法將更加困難。也就是說，借助原始圖像，水印算法的抗噪聲穩(wěn)健性能更好一些。在幾何變換和幾何失真的情況下，水印分量的同步問題也將使檢測更加復雜。隨機序列作為水印，只能給出“Yes”或“No”的結論，換句話說，放進圖像的秘密信息事實上僅為此1bit。在許多應用場合，要求嵌入圖像的信息是可讀的或可視的，如有意義的文字串或者一個圖像（商標、印鑒）等，這種有意義的水印與無意義的偽隨機噪聲相比，所具有的優(yōu)點是不言而喻的。如何在圖像中嵌入有意義的信息將是極具實際價值的研究內容。             　　對于圖像隱形水印來說，其基本要求有5個方面。             　　(1)不可見性。水印應該是視覺上不可見的，即它的存在不應該使原始圖像視覺質量發(fā)生變化或影響原始圖像的視覺效果；(2)穩(wěn)健性。即水印圖像經(jīng)過一些常見的改變后，水印仍具有較好的可檢測性。這些改變包括常見圖像處理（如數(shù)據(jù)壓縮、低通濾波、圖像增強、二次抽樣、二次量化、　A/D和D/A轉換等）、幾何變換和幾何失真（如裁剪、尺度拉伸、平移、旋轉、扭曲等）、噪聲干擾、多重水印的重塑等。對不同的應用場合，要求有不同的穩(wěn)健性。需要指出的是，存在另一種與穩(wěn)健水印性質相反的水印，稱為易損水印，它可用來證實原始媒體是否被改變過；(3)低復雜性。算法應容易實現(xiàn)，在某些應用場合（如視頻水印）下，甚至要求水印算法的實現(xiàn)滿足實時性的要求；(4)秘密性。嵌入過程（嵌入方法和水印結構）是秘密的，水印是統(tǒng)計上不可檢測的。對于通過改變水印圖像來消除和破壞水印的企圖，水印應該保持存在直到圖像已嚴重失真而喪失使用價值。對于原版媒體的證實，通過識別水印是否失真應能判斷原版媒體是否被改變過；(5)正確解決所有權的死鎖（不確定性）問題。即水印用來作為所有權證明時，應能給判斷提供惟一性的證據(jù)。             　　在上述5個方面中，不可見性和穩(wěn)健性是對隱形水印的最基本要求，也是一對矛盾的兩個因素。實現(xiàn)圖像隱形水印的原則是，在保證不改變原始圖像視覺感知效果(即不可見性）的前提下，實現(xiàn)水印具有較好的穩(wěn)健性和抗攻擊性。             在防偽印刷中，數(shù)字水印的印刷防偽技術與傳統(tǒng)的印刷防偽技術不同，它徹底更新了印刷防偽的傳統(tǒng)觀念，并在印刷防偽中具有獨特的性質，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。　             　　(1)　作為識別標志的水印以視覺不可見的形式隱藏在印刷品中，通過自然光和外界光源分辨不出未加水印的圖像與加入水印圖像的差異，只有通過計算機軟件或特定的檢測設備才可識別。             　　(2)　隱藏的水印標志可以是有意義的數(shù)字和隨機的數(shù)碼、文本信息、圖像甚至聲音。用戶可以根據(jù)被保護物品的不同要求加入不同內容的水印信息。檢測方式可以采取是否存在隱藏的水印，或從印刷品中提取出隱藏信息的實際內容等?！?            　　(3)　隱藏的水印信息在不同的時間、地點一直連續(xù)存在于印刷品的內部。其原理是將具有識別標志的數(shù)據(jù)隱藏到印刷品本身或打印圖像內，它不因印刷品經(jīng)過的各種地點和人員而變異，在這些環(huán)節(jié)上沒有泄露和擴散的可能性?！?            　　(4)　數(shù)字水印的加入和加入的內容具有隨機性。每一種印刷品所隱藏的數(shù)字水印可以不同，加入水印的位置也是隨機的，技術掌握人本身也不知曉水印的隱藏位置，這樣的隨機性和變化特征使偽造者難以仿冒偽造?！?            　　(5)　防偽技術可逐步升級。沒有永遠有效的防偽技術，一般的防偽技術在一段時期內有效，如不更新?lián)Q代，仿冒者會隨影循形。數(shù)字水印技術也在不斷升級變化，從而使相應的印刷防偽技術也可隨之不斷升級變化。　             　　(6)　防偽技術對印刷設備無特殊要求，盜版者難以察覺所在。數(shù)字水印印刷防偽技術是在制版或打印處理過程中將數(shù)字水印信息加入，不需改變印刷材料和設備，不增加印刷成本，因而其應用前景廣闊，經(jīng)濟效益很大。$分頁符$　　二、數(shù)字水印技術的研究             　　穩(wěn)健水印理論與算法是目前隱形水印的主要研究內容，影響水印的穩(wěn)健性的兩個關鍵的技術是水印的結構和水印的嵌入策略。為了使水印有較好的穩(wěn)健性和抗攻擊性能，大多數(shù)水印算法采用偽隨機序列（Gaussian序列、均勻分布序列、M進制序列）作為水印。有的研究人員提出，利用Gaussian隨機序列產(chǎn)生的水印具有更好和穩(wěn)健性。這是由于Gaussian分布的隨機序列與其他分布的等長的隨機序列相比，具有更大的自相關系數(shù)，因此，Gaussian分布的隨機序列應具有最好的性能。需要注意的是，由Gaussian隨機序列構成的水印當長度較長時，個別樣值可能會過大，必須對其加以限制以滿足不可見性的要求。             根據(jù)實現(xiàn)的過程，水印算法主要可分為空域的方法和變換域的方法兩種?？沼虻姆椒ㄊ峭ㄟ^直接改變主圖像某些像素值來嵌入水印，研究人員利用一個擴展的m序列作為水印，并把它嵌入到圖像每行像素的最低有效位（LSB）中，其主要缺點是抗JPEG壓縮和穩(wěn)健性不好，且由于所有像素的LSB都改變和利用m序列而易受攻擊。此后，又有人在此基礎上做了改進，把m序列擴展成二維，并應用相關函數(shù)改進了檢測過程，從而提高了穩(wěn)健性。也有人把LSB方法應用于彩色圖像，在LSB方法中，圖像的LSB平面先被設置為0，然后根據(jù)要嵌入的水印改變?yōu)?或不變。改變LSB的做法的依據(jù)，是不重要數(shù)據(jù)的調整對原始圖像的視覺效果影響較小，然而，由于最低有效位的數(shù)據(jù)最有可能在常見的信號處理過程（如數(shù)據(jù)壓縮和低通濾波）中丟掉，因而穩(wěn)健性差。這種方法只適用于噪聲（包括對嵌入水印的圖像進行處理所引起的等效噪聲）很弱的應用場合。又有一些研究人員提出了一個基于空域分塊的方法。通過改變塊均值來嵌入水印。也有人根據(jù)一個二進制偽隨機序列，把圖像中的所有像素分為兩個子集，改變其中一個子集的像素值來嵌入水印。變換域的水印算法是在變換域中實現(xiàn)的。在這一類算法中，某些變換系數(shù)被改變以嵌入水印。有人采用與調整LSB類似的做法，把水印嵌入頻域的高頻系數(shù)中。又有人則提出了一個不同的觀點，即水印應放在視覺上最重要的地方（主要對應于頻域的低頻系數(shù)），這種提法的理由是感覺上重要的分量是圖像信號的主要成分，攜帶較多的信號能量，在圖像有一定失真的情況下，仍能保留主要成分，作為水印載體，有利于提高水印的穩(wěn)健性，其方法現(xiàn)在已成為一種典型的模式。有人把圖像進行8×8DCT，然后將一個二進制序列作為水印放入DCT中頻頻帶；又有人則計算整個圖像的DCT，把一個實數(shù)序列嵌入DCT的中頻系數(shù)中。DCT域的方法計算量較小，且與國際數(shù)據(jù)壓縮標準（JPEG、MPEG、H261/263）兼容，便于在壓縮域中實現(xiàn)，目前用得最多。也有人提出了兩個DFT域的水印算法，一個把水印嵌入圖像DFT系數(shù)的相位信息中，其算法的依據(jù)是：從圖像的可理解性角度，相位信息比振幅信息更重要；另一個算法實現(xiàn)了水印的平移、旋轉和尺度拉伸不變形，這對于圖像在傳輸過程中產(chǎn)生幾何失真的情況是十分有意義的。有人則提出一種在DWT域實現(xiàn)水印的方法，其優(yōu)點是穩(wěn)健性好和層次性的檢測方法。有人利用時波變換和頻率掩蔽特性相結合，實現(xiàn)了多分辨率視頻水印。             　　而一些方法則把信息融合的思想引入到DWT域水印的實現(xiàn)中，　DWT域的方法由于DWT良好的空間-頻率分解特性（更符合HVS的特點）和即將成為新一代圖像壓縮標準的極大可能性，而有十分好的前景。變換域的方法應是水印算法未來趨勢的主流。             　　變換域的方法與空域的方法相比具有3個優(yōu)點：             (1)在變換域中嵌入的水印信號能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保證不可見性；(2)在變換域，HVS的某些特征（如頻率特性）可以更方便地結合到水印編碼過程中，有利于穩(wěn)健性能的提高；(3)變換域的方法可與國際數(shù)據(jù)壓縮標準兼容，從而實現(xiàn)在壓縮域內的水印算法。隱形水印與視覺系統(tǒng)緊密相關，提高水印穩(wěn)健性的有效途徑是充分利用人眼的視覺特征，在滿足不可見性的要求下，合理分配水印信號的能量，盡可能提高局部嵌入水印分量的強度?；谶@一思想的自適應水印算法已經(jīng)開始受到人們的重視。有研究人員在DCT域和DWT域算法中應用了視覺系統(tǒng)的頻率掩蔽特性。也有人應用JPEG算法中所采用的視覺模型，提出了基于圖像自適應性的DCT和DWT水印算法。并且，有很多研究人員都從不同側面，提出了一些算法，這些自適應算法都在一定程度上改善了水印的穩(wěn)健性。             　　圖像隱形水印本質上屬于數(shù)據(jù)隱藏技術的范疇，在多數(shù)算法討論隨機序列水印的同時，有意義水印的研究也引起了人們的注意。有關研究人員討論了幾種可能用于數(shù)據(jù)隱藏的技術并提出了兩個實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏的方法：統(tǒng)計的方法和視覺的方法，從方法分析看其抗失真性能不會太好。一些研究者探討了圖像容量問題，他們把數(shù)據(jù)隱藏等價為一個數(shù)碼通信問題，并試圖回答一定分辨率的圖像允許嵌入多少數(shù)據(jù)，盡管這類研究十分有意義，但由于嵌入的數(shù)據(jù)量與許多因素（圖像的紋理特征與尺寸、嵌入算法、噪聲類型與強度等）有關，要準確回答這個問題是困難的。有人把數(shù)據(jù)隱藏和水印嵌入過程模型化為一通信系統(tǒng)，理論上分析隱藏了數(shù)據(jù)的圖像在受到加性噪聲干擾、裁剪和線性濾波后所引起的誤碼率和水印作為所有權識別時的特性變化。也有人比較了水印嵌入和傳統(tǒng)通信問題的相似性和不同點，得出了幾種信號嵌入的特征。其他的研究則著重在如何隱藏數(shù)據(jù)上。有人所提出的算法在一幅512×512的圖像中隱藏了165bits的信息，其主要缺點是嵌入的數(shù)據(jù)量太少。也有人在512×512的圖像中分別隱藏了32個字符的信息和64×64×8的灰度圖像，隱藏的數(shù)據(jù)具有一定的抗噪聲能力。有人在一個視頻信號（主信號）中隱藏另一低分辨率的視頻信號，但穩(wěn)健性不好。一般說來，在不可見性的要求下，水印的穩(wěn)健性和水印的數(shù)據(jù)量構成一對矛盾，在相同的算法和一定的圖像尺寸下，嵌入的數(shù)據(jù)量越大，穩(wěn)健性越差。             　　由于數(shù)據(jù)壓縮在數(shù)碼媒體的傳播中起著十分重要的作用，嵌入水印的圖像很有可能遭遇數(shù)據(jù)壓縮過程。實現(xiàn)壓縮域內的數(shù)據(jù)操縱，從而簡化解壓縮、再壓縮的過程，降低處理復雜性，是當前多媒體技術領域里很受注意的問題。有關研究人員研究了如何在MPEG壓縮碼流中嵌入水印，這項研究需要考慮的問題是保持碼流比特率基本不變以及實現(xiàn)不需要原始媒體的盲檢測。有人將水印技術集成到小波編碼系統(tǒng)中，在實現(xiàn)壓縮的同時也完成了水印的嵌入。也有人開發(fā)了把水印和壓縮技術相結合的算法。             　　在大多數(shù)文章研究穩(wěn)健水印的同時，一些研究者也開始研究對水印的攻擊方法和水印作為所有權證明的有效性。這對于提高水印的抗攻擊性能是極為有意義的。有人研究了水印算法的不確定性問題，他們構造了不確定性的實現(xiàn)方法，證明潛在的非法拷貝者有可能誘使水印檢測器作出“Yes”的回答，在研究如何造成不確定性的機制的基礎上，部分地提出了解決該問題的方法——基于內容的水印。有人也提出了解決不確定性問題的雙水印模式。一種觀點認為，水印技術必須與相應的法規(guī)相配合，才可能最終解決版權爭議問題。還應該承認，到目前為止，不存在任何一種水印算法可以確保水印在遭受各種人為的攻擊之后仍然可靠地存在。             　　隨著學術界對圖像水印理論和技術的研究，產(chǎn)業(yè)界也對圖像水印的應用給予了足夠的重視。IBM在其數(shù)碼圖書館研究計劃中采用了可見水印技術。該計劃的研究成果已為美國國會圖書館等著名圖書館所采用。NEC公司則研究如何把水印技術應用于DVD系統(tǒng)的拷貝保護機制中。與此同時，一些公司已逐步推出了有關水印技術的商用軟件系統(tǒng)（如DICE的專利技術、劍橋大學的Stirmark等）。             　　隨著圖像水印技術應用的推廣，其標準化工作也開始受到重視。IBM、Sony、Hitachi、NEC和Pioneer等五家大公司在1999年2月聯(lián)合宣布了一個保護數(shù)碼視頻和數(shù)碼電影的水印標準協(xié)議，標志著水印標準化已逐步邁向正軌。             　　近年來，我國學術界對此前沿領域也傾注了極大的熱情，眾多的科研機構和高等院校開展了該方向的研究工作。2000年1月，由國家“863計劃”智能計算機系統(tǒng)專家組主辦、模式識別國家重點實驗室等單位承辦的我國首次數(shù)字水印技術學術研討會在北京舉行，表明我國數(shù)字水印研究隊伍已初具規(guī)模。 來源：中國印刷采購網(wǎng)