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     摘　要　數(shù)字水印是保護多媒體作品版權的有效手段。文章首先介紹數(shù)字水印必須具備的幾項基本特征，在此基礎上詳細分析了水印嵌入的代表技術——擴展頻譜法，最后對數(shù)字水印的應用前景做了展望。     關鍵詞　多媒體　版權　數(shù)字水印　擴展頻譜法1　引言　　隨著數(shù)字技術和因特網(wǎng)技術的快速發(fā)展，多媒體作品（圖像、視頻、聲頻）傳播的范圍和速度突飛猛進，但同時盜版現(xiàn)象也愈演愈烈。于是保護數(shù)字音像產(chǎn)品的版權，維護創(chuàng)作者的合法利益，成為關系文化市場繁榮的重大課題。數(shù)字水?。╠igital watermarking）技術正是在這個背景下誕生的，它通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息——水?。╳atermark）來證明多媒體作品的所有權。2　數(shù)字水印的特征　　數(shù)字水印中包含音像作品的版本、創(chuàng)作者、擁有者、發(fā)行人等信息，數(shù)據(jù)量并不大，一般控制在100位以內(nèi)，與動輒上兆字節(jié)的音樂、影視文件相比猶如藏在草堆中的一根針。數(shù)字水印必須具備如下基本特征：　　* 透明性（invisibility）：利用人類視覺和聽覺的特性，使帶水印的作品欣賞起來無異于原先的作品?！　? 不可檢測性（undetectability）：水印作品和普通作品在統(tǒng)計噪音分布上不存在區(qū)別，攻擊者無法用統(tǒng)計學方法確定水印的位置?！　? 魯棒性（robustness）：經(jīng)過一些處理，多媒體數(shù)據(jù)發(fā)生一定程度的變化后，版權所有者仍然可以證明水印的存在?？赡艿奶幚戆ǎ骸　。?）幾何變形——對圖像進行尺寸縮放、剪裁、扭轉(zhuǎn)等。　?。?）有損壓縮——常用的圖形文件格式JPEG就屬有損壓縮。它先將圖像用DCT函數(shù)轉(zhuǎn)換到頻率域，然后對其量化，在量化過程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以達到壓縮文件尺寸的目的。雖然肉眼看不出來，但經(jīng)過壓縮后的圖像其精度肯定有所降低?！　。?）信號處理——如調(diào)整圖像和視頻的對比度、亮度、色度，以及模／數(shù)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換等?！　? 安全性（security）：具有較強的抗攻擊能力，能夠承受一定程度的人為攻擊，而暗藏的水印不被破壞?！　∷∏度胨惴梢苑殖煽臻g域算法和頻率域算法兩大類，相比較，頻率域算法生成的水印魯棒性較強。由于JPEG壓縮、圖形縮放等均影響頻率域中的高頻部分，頻率域算法在嵌入水印時可以有針對性地避開這些單元。而且，疊加在頻率域上的信號經(jīng)逆轉(zhuǎn)換后會遍布整個空間域的所有像素，圖形被剪裁后水印能量損失較小。3　擴展頻譜法　　數(shù)字水印技術的一項重要成果是由Cox等人提出的擴展頻譜法（spread spectrum）。傳統(tǒng)水印嵌入技術一般都是將水印嵌入到圖像中的最不容易感知的區(qū)域（least significant region），但這樣區(qū)域常常會受普通的圖像處理操作的影響，因此水印較易喪失。如果將水印疊加到較容易感知的區(qū)域，就可以避開常規(guī)圖像處理操作的破壞。對于那些試圖通過直接修改這些單元的值來消除水印的攻擊者，在他們達到目的前，圖像早已失真。這樣，水印的魯棒性大大增強，但如何維持不可見性呢？擴展頻譜法巧妙地解決了這對矛盾?！　U展頻譜水印嵌入技術是受擴展頻譜通信理論的啟發(fā)而產(chǎn)生的。根據(jù)擴展頻譜通信理論，如果把一個窄帶信號放在大得多的帶寬中傳送，那么在任何單一頻率上的信號能量都會小到測不出來。依照這個思想，我們可以將水印擴散到一個廣泛的頻率范圍，使得在任何頻率單元上的能量都很弱，以至發(fā)現(xiàn)不了。擴展頻譜水印嵌入在頻率域上進行，流程圖見圖1 。圖1　水印嵌入流程圖　　水印嵌入的主要處理步驟有：　?。?）將要嵌入的信息位（bits）用偽隨機信號調(diào)制成M個實數(shù)組成的偽隨機序列，呈平均值為0、方差為1的正態(tài)分布。這樣就將水印能量分散到一個很大的頻率范圍，而在每個頻率上值很小。如要在一張256×256的圖像上嵌入80位的版權聲明，水印長度M可以達到16000?！　。?）對圖像做離散余弦變換（discrete cosine transformation，簡稱DCT），得到圖像的頻率域形式。兼顧不可見性和魯棒性，選取中頻區(qū)域放置水印，因此跳過前L個系數(shù)，對從L+1至L+M的系數(shù)進行修改。沿用上面的例子，L可以取25000。　?。?）系數(shù)修改采用公式：Dw(L+i)=D(L+i)+kD(L+i)W(i)。其中，D為圖像的DCT系數(shù)序列；i=1．．M；k為尺度因子（比如0.2），控制水印嵌入強度?！　。?）最后，對頻率域系數(shù)做逆轉(zhuǎn)換IDCT，得到空間域的水印圖像?！　D2a和2b分別是原始圖像和嵌入水印后的圖像，看起來毫無差別。 圖2a　原始圖像　　　　　圖2b　嵌入水印后的圖像　　要檢測一張可能受損的圖像是否含有水印，先分別計算這張圖像和原始圖像的DCT，兩者相減得到水印：W*(i)=(D*W(L+i)-D(L+i)/k。再計算這個提取出來的水印和原始水印的相關性：z=(1)/(M)∑Mi=1W*(i)W(i)。因為水印服從平均值為0，方差為1的正態(tài)分布，理論上，兩個不同的水印計算出來的相關性為0，而相同的水印則能得出高的相關性值。在實際應用中，如果提取出來的水印和某個水印的相關性大于閾值，就證明圖像中嵌入了這個水印。　　　　實驗表明，即使水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號處理而產(chǎn)生比較明顯的畫質(zhì)下降后，該方法仍能提取出一個可依賴的水印拷貝。例如，即使對水印圖像做10％質(zhì)量的JPEG壓縮，檢測器對原先嵌入的那個水印的反應（也就是相關性）仍達到0.016，而對其他水印的反應則小得多。又比如，將水印圖像的尺寸縮小一半，檢測時先將水印圖像恢復成原來的大小，這樣一縮一放后圖像的精度顯然要遭受損失，但檢測器反應還是達到0.017，高于檢測閾值，水印檢測的有效性得到了保證。4　應用前景　　隨著應用的日益深入，數(shù)字水印已不再局限于標注版權信息，它在多媒體作品的銷售、播放和使用的各個環(huán)節(jié)中都產(chǎn)生了新的用途。4.1　廣播監(jiān)測　　廣播監(jiān)測即監(jiān)測影視節(jié)目和音樂作品在電視臺和廣播電臺上播出的時間和次數(shù)。廣告是電視臺的主要收入來源，但讓廣告客戶放心不下的是，自己花了那么多錢，電視臺有沒有把自己的廣告播放足夠的時間長度；作曲家想確定電臺播出他們的作品的次數(shù)，好收取版稅；制片商要防止自己的影視產(chǎn)品被電視臺非法重播。如此等等都可以通過廣播監(jiān)測來解決。　　我們在影視或音樂作品播出前嵌入特別的水印，然后由自動監(jiān)測臺接收廣播，搜索其中的水印，從而確定這些作品在什么時候、由什么電臺播放。4.2　版權證明　　長久以來，版權聲明被印在書籍的扉頁、電影的結尾、唱片的包裝上，但這些都很容易被除去。數(shù)字水印提供了版權的補充證明，因為它融入多媒體作品中，隨時向人們提醒作品的版權所有者，是解決著作權糾紛的利器。4.3　真?zhèn)舞b別　　我們知道，數(shù)碼照片很容易修改，利用PhotoShop這樣的圖像處理軟件可以改頭換面、移花接木而不留一絲痕跡。因此數(shù)碼照片在法庭上不能作為證據(jù)使用。為了實現(xiàn)“可信任的攝影”，只需計算一張影片的特征標記（signature），哪怕其中一個像數(shù)的值被改動一位，圖像都無法和原先的特征標記相匹配。將特征標記作為水印嵌入照片中，必要時用它就能證明圖像的真?zhèn)??！　∵@種水印還提供了這樣的可能，能夠告訴我們圖像發(fā)生了什么篡改。因為改動圖像必定要改動到上面的水印，根據(jù)改變的特征標記可以推算出圖像被篡改的大致位置。4.4　交易水?。ㄖ讣y）　　廣播監(jiān)測和版權證明都是在相同的多媒體作品上添加相同的水印，但是有時需要為一個作品的不同接收者定制不同的水印，這種水印稱為交易水?。ㄒ卜Q指紋）。交易水印讓作品版權所有者或銷售者很容易查出非法拷貝的來源，對于打擊盜版源頭十分有利?！　∮耙暪驹陔娪爸谱鬟^程中經(jīng)常需將樣片送給有關單位審查，萬一誰不小心把樣片泄露出去，就極可能被不法之徒復制并流入市場，這將給制片商造成巨大損失。在這些樣片上針對不同的接收者加上不同的水印會令接收者對樣片加倍保護，因為是誰泄露的一查便知，責任難逃。4.5　拷貝控制　　實際上，無論版權證明還是交易水印都不能徹底阻止非法拷貝，只能作為有力的威攝和調(diào)查取證的工具，要杜絕非法拷貝最終離不開硬件上的改進。比如，讓錄制設備檢測到一個表明禁止轉(zhuǎn)錄的水印就停止復制。要做到這點，所有錄制設備都要增加檢測水印的電路。DVD的非法拷貝對電影制造業(yè)來說是致命的打擊，今天，制片商正在和DVD影碟機廠家聯(lián)手開發(fā)利用水印技術阻止非法拷貝DVD節(jié)目的機制。5　結論　　數(shù)字水印因具有不可見性、不可檢測性、魯棒性和安全性等顯著特征，而成為保護多媒體作品著作權的有力武器。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，數(shù)字水印的嵌入技術已經(jīng)取得了長足進步。通過上面的分析，我們看到，擴展頻譜法能夠生成魯棒性很強的水印，圖像雖經(jīng)壓縮、尺寸縮放和剪裁等處理，而水印猶存。最后，一個廣闊的應用前景展現(xiàn)在人們的面前，呼喚有志之士繼續(xù)探索更先進、更多樣的水印嵌入技術。  作者/俞 毅 峰   漳州市信息中心