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�(shù)字水�
閱讀�33494�(shí)間:2011-09-26 09:49:42

  �(shù)字水?。―igital Watermarking)是指嵌入數(shù)字載體(包括多媒�、文�、軟件等)中的數(shù)字信�(hào),它可以是圖�、文字、符�(hào)、數(shù)字等所有可以作為標(biāo)�(shí)的信息。數(shù)字水印既不影響原始載體的正常使用及存在價(jià)�,也不容易被人感��

分類

  1.按特性劃�

  按水印的特性可以將�(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱�(shù)字水印兩�。魯棒數(shù)字水印主要用于在�(shù)字作品中�(biāo)�(shí)著作�(quán)信息,如作�、作品序�(hào)�,它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理;脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保�(hù),與魯棒水印的要求相�,脆弱水印必須對(duì)信號(hào)的改�(dòng)很敏�,人們根�(jù)脆弱水印的狀�(tài)就可以判斷數(shù)�(jù)是否被篡改過�

  2.按水印所附載的媒體劃�

  按水印所附載的媒�,我們可以將�(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水�、視頻水�、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的�(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技�(shù)的發(fā)�,會(huì)有更多種類的�(shù)字媒體出�(xiàn),同�(shí)也會(huì)�(chǎn)生相�(yīng)的水印技�(shù)�

  3.按檢�(cè)過程劃分

  按水印的檢測(cè)過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測(cè)過程中需要原始數(shù)�(jù),而盲水印的檢�(cè)只需要密�,不需要原始數(shù)�(jù)。一般來�,明文水印的魯棒性比較強(qiáng),但其應(yīng)用受到存�(chǔ)成本的限�。目前學(xué)�(shù)界研究的�(shù)字水印大多數(shù)是盲水印�

  4.按內(nèi)容劃�

  按數(shù)字水印的�(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某�(gè)�(shù)字圖像(如商�(biāo)圖像)或�(shù)字音頻片段的編碼;無意義水印則只�(duì)�(yīng)于一�(gè)序列�(hào)。有意義水印的優(yōu)�(shì)在于,如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損,人�?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確�(rèn)是否有水�。但�(duì)于無意義水印來說,如果解碼后的水印序列有若干碼元�(cuò)�,則只能通過�(tǒng)�(jì)決策來確定信�(hào)中是否含有水��

  5.按用途劃�

  不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技�(shù)。按水印的用�,我們可以將�(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版�(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽�(biāo)�(shí)水印�

  票據(jù)防偽水印是一類比較特殊的水印,主要用于打印票�(jù)和電子票�(jù)的防�。一般來說,偽幣的制造者不可能�(duì)票據(jù)圖像�(jìn)行過多的修改,所�,諸如尺度變換等信號(hào)編輯操作是不用考慮的。但另一方面,人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形,而且考慮到快速檢�(cè)的要�,用于票�(jù)防偽的數(shù)字水印算法不能太�(fù)雜�

  版權(quán)�(biāo)�(shí)水印是目前研究最多的一類數(shù)字水�。數(shù)字作品既是商品又是知�(shí)作品,這種雙重性決定了版權(quán)�(biāo)�(shí)水印主要�(qiáng)�(diào)隱蔽性和魯棒�,而對(duì)�(shù)�(jù)量的要求相對(duì)較小�

  篡改提示水印是一種脆弱水印,其目的是�(biāo)�(shí)宿主信號(hào)的完整性和真實(shí)��

  隱蔽�(biāo)�(shí)水印的目的是將保密數(shù)�(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來,限制非法用戶�(duì)保密�(shù)�(jù)的使��

  6.按水印隱藏的位置劃分

  按數(shù)字水印的隱藏位置,我們可以將其劃分為�(shí)(空)域�(shù)字水�、頻域數(shù)字水�、時(shí)/頻域�(shù)字水印和�(shí)�/尺度域數(shù)字水印�

  �(shí)(空)域�(shù)字水印是直接在信�(hào)空間上疊加水印信�,而頻域數(shù)字水印、時(shí)/頻域�(shù)字水印和�(shí)�/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT變換�、時(shí)/ 頻變換域和小波變換域上隱藏水印�

  隨著�(shù)字水印技�(shù)的發(fā)�,各種水印算法層出不窮,水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應(yīng)該說,只要構(gòu)成一種信�(hào)變換,就有可能在其變換空間上隱藏水印�

原理

  �(shù)字水印是通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)�,但不影響原�(nèi)容的�(jià)值和使用,并且不能被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到,只有通過專用的檢�(cè)器或閱讀器才能提�。其中的水印信息可以是作者的序列�(hào)、公司標(biāo)�、有特殊意義的文本等,可用來�(shí)別文件、圖像或音樂制品的來�、版本、原作�、擁有�、發(fā)行人、合法使用人�(duì)�(shù)字產(chǎn)品的擁有�(quán)。與加密技�(shù)不同,數(shù)字水印技�(shù)并不能阻止盜版活�(dòng)的發(fā)�,但它可以判別對(duì)象是否受到保�(hù),監(jiān)視被保護(hù)�(shù)�(jù)的傳�、真?zhèn)舞b別和非法拷貝、解決版�(quán)糾紛并為法庭提供證據(jù)�

特點(diǎn)

  不可見性:�(shù)字水印作為標(biāo)�(shí)信息隱藏于數(shù)字作品中,對(duì)攔截者而言,應(yīng)不可��

  安全性:�(shù)字水印應(yīng)�(dāng)具備難以篡改或偽造的要求,并�(yīng)�(dāng)具有較低的誤檢測(cè)率和較強(qiáng)的抵抗��

  魯棒性:在經(jīng)過多種信�(hào)處理過程后,�(shù)字水印仍能保持部分完整性及檢測(cè)的準(zhǔn)確��

  脆弱性:能直接反映出水印是否遭受篡改��

缺點(diǎn)

 ?�?)設(shè)�(jì)�(duì)水印系統(tǒng)�(jìn)行公正的比較和評(píng)�(jià)方法,在這方面已�(jīng)有部分學(xué)者有了一些初步的研究;但缺乏普遍性和原理性,水印系統(tǒng)的脆弱之處無法�(jìn)行全面測(cè)試與衡量�

  �2)從�(xiàn)�(shí)的角度看,水印系�(tǒng)必然要在算法的魯棒�、水印的嵌入信息量以及不可覺察性之間達(dá)到一�(gè)平衡,這涉及魯棒性算法的原理性設(shè)�(jì)、水印的�(gòu)造模�、水印能量和容量的理論估�(jì)、水印嵌入算法和檢測(cè)算法的理論研究等方面。如何確定平衡點(diǎn)仍是一�(gè)難題,目前大多數(shù)水印算法均利用經(jīng)�(yàn)而不是從理論上解決此問題�

  �3)如何將水印技�(shù)與現(xiàn)行國際圖像及視頻壓縮�(biāo)�(zhǔn)(如JPEG2000和MPEG-4)相�(jié)�,以及如何將水印技�(shù)�(yīng)用于DVD工業(yè)�(biāo)�(zhǔn)中;

 ?�?)所有權(quán)的證明問題還沒有完全解決,就目前已經(jīng)出現(xiàn)的很多算法而言,攻擊者完全可以破壞掉圖像中的水印,或�(fù)制出一�(gè)理論上存在的“原始圖像”,這導(dǎo)致文件所有者不能令人信服地提供版權(quán)歸屬的有效證�(jù)。因此一�(gè)好的水印算法�(yīng)該能夠提供完全沒有爭(zhēng)議的版權(quán)證明,在這方面還需要做很多工作。目前將水印作為版權(quán)保護(hù)的法律證�(jù)還不可能�

  �5)聲頻和視頻水印的解決方案還不完�,大多數(shù)的視頻水印算法實(shí)際上是將其圖像水印的�(jié)果直接應(yīng)用與視頻�(lǐng)域中,而沒有考慮視頻�(yīng)用中大數(shù)�(jù)量以及近乎實(shí)�(shí)的特�。從今后的發(fā)展上看,水印在包括DVD等數(shù)字產(chǎn)品在�(nèi)的視頻和音頻�(lǐng)�?qū)⒂袠O為廣闊的�(yīng)用前�。因此如何設(shè)�(jì)成熟的、合乎國際規(guī)范的水印算法仍然懸而未��

 ?�?)現(xiàn)有水印算法中在原理上有許多雷同之處,但目前國�(nèi)外的工作尚未能對(duì)這些有內(nèi)在聯(lián)系的不同算法中的共性問題�(jìn)行高度提煉和深入的理論研�,因而缺乏對(duì)�(shù)字水印作�(jìn)一步研究具有指�(dǎo)意義的理論結(jié)果�

算法

  1、空域算法:該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨�(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素� (LSB:least significant bits)上 ,這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由于使用了圖像不重要的像素� ,算法的魯棒性差 ,水印信息很容易為濾泀圖像量�、幾何變形的操作破壞。另外一�(gè)常用方法是利用像素的�(tǒng)�(jì)特征將信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是隨�(jī)選擇N對(duì)像素�(diǎn) (ai,bi� ,然后將每�(gè)ai�(diǎn)的亮度值加 1 ,每�(gè)bi�(diǎn)的亮度值減 1,這樣整�(gè)圖像的平均亮度保持不�。適�(dāng)?shù)卣{(diào)整參�(shù),Patchwork方法�(duì)JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗�,但該方法嵌入的信息量有�。為了嵌入更多的水印信息,可以將圖像分塊,然后對(duì)每一�(gè)圖像塊�(jìn)行嵌入操��

  2、變換域算法�該類算法�,大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信(spread spectrum communication)技�(shù)。算法實(shí)�(xiàn)過程為:先計(jì)算圖像的離散余弦變換 (DCT�,然后將水印疊加到DCT域中幅值的前k系數(shù)上(不包括直流分量),通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前k�(gè)分量表示為D={ di },i=1 ,� ,k,水印是服從高斯分布的隨�(jī)�(shí)�(shù)序列� ={ wi },i=1 ,� ,k,那么水印的嵌入算法為di = di�1 + awi�,其中常�(shù)a為尺度因� ,控制水印添加的�(qiáng)�。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像I。解碼函�(shù)則分別計(jì)算原始圖像I和水印圖像I*的離散余弦變換 ,并提取嵌入的水?。祝僮鱿嚓P(guān)檢驗(yàn)以確定水印的存在與否。該方法即使�(dāng)水印圖像�(jīng)過一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一�(gè)可信賴的水印拷貝。一�(gè)�(jiǎn)單改�(jìn)是不將水印嵌入到DCT域的低頻分量上,而是嵌入到中頻分量上以調(diào)節(jié)水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外,還可以將�(shù)字圖象的空間域數(shù)�(jù)通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系�(shù);其次,根據(jù)待隱藏的信息類型,對(duì)其�(jìn)行適�(dāng)編碼或變�;再次,根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目�(biāo),選擇某些類型的頻域系數(shù)序列(如高頻或中頻或低頻);再次,確定某種規(guī)則或算法,用待隱藏的信息的相�(yīng)�(shù)�(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列;,將數(shù)字圖象的頻域系數(shù)�(jīng)相應(yīng)的反變換�(zhuǎn)化為空間域數(shù)�(jù)。該類算法的隱藏和提取信息操作復(fù)雜,隱藏信息量不能很�,但抗攻擊能力強(qiáng),很適合于數(shù)字作品版�(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技�(shù)��

  3、壓縮域算法�基于JPEG、MPEG�(biāo)�(zhǔn)的壓縮域�(shù)字水印系�(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程,而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的�(shí)用價(jià)�。相�(yīng)地,水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)�(jù)中�(jìn)�。下面介紹一種針�(duì)MPEG-2壓縮視頻�(shù)�(jù)流的�(shù)字水印方案。雖然MPEG-2�(shù)�(jù)流語法允許把用戶�(shù)�(jù)加到�(shù)�(jù)流中,但是這種方案并不適合�(shù)字水印技�(shù),因?yàn)橛脩�?shù)�(jù)可以�(jiǎn)單地從數(shù)�(jù)流中去掉,同�(shí),在MPEG-2編碼視頻�(shù)�(jù)流中增加用戶�(shù)�(jù)�(huì)加大位率,使之不適于固定帶寬的應(yīng)�,所以關(guān)鍵是如何把水印信�(hào)加到�(shù)�(jù)信號(hào)中,即加入到表示視頻幀的數(shù)�(jù)流中。對(duì)于輸入的MPEG-2�(shù)�(jù)流而言,它可分為數(shù)�(jù)頭信�、運(yùn)�(dòng)向量(用于運(yùn)�(dòng)�(bǔ)償)和DCT編碼信號(hào)�3部分,在方案中只有MPEG-2�(shù)�(jù)流一部分?jǐn)?shù)�(jù)被改�,其原理是,首先�(duì)DCT編碼�(shù)�(jù)塊中每一輸入的Huffman碼�(jìn)行解碼和逆量�,以得到�(dāng)前數(shù)�(jù)塊的一�(gè)DCT系數(shù);其次,把相�(yīng)水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與之相加,從而得到水印疊加的DCT系數(shù),再重新�(jìn)行量化和Huffman編碼,對(duì)新的Huffman碼字的位�(shù)n1與原來的無水印系�(shù)的碼字n0�(jìn)行比較,只在n1不大于n0的時(shí)�,才能傳輸水印碼�,否則傳輸原碼字,這就保證了不增加視頻�(shù)�(jù)流位率。該方法有一�(gè)問題值得考慮,即水印信號(hào)的引入是一種引起降�(zhì)的誤差信�(hào),而基于運(yùn)�(dòng)�(bǔ)�?shù)木幋a方案�(huì)將一�(gè)誤差�(kuò)散和累積起來,為解決此問�,該算法采取了漂移補(bǔ)�?shù)姆桨竵淼窒蛩⌒盘?hào)的引入所引起的視覺變��

  4、NEC算法�該算法由NEC�(shí)�(yàn)室的Cox等人提出,該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位,其�(shí)�(xiàn)方法�,首先以密鑰為種子來�(chǎn)生偽隨機(jī)序列,該序列具有高斯N�0�1)分�,密鑰一般由作者的�(biāo)�(shí)碼和圖象的哈希值組�,其次對(duì)圖象做DCT變換,用偽隨�(jī)高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外�1000�(gè)的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒�、安全�、透明性等。由于采用特殊的密鑰,因此可防止IBM攻擊,而且該算法還提出了增�(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則,即水印信號(hào)�(yīng)該嵌入源�(shù)�(jù)中對(duì)人感覺最重要的部�,這種水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)�(shí)�(shù)序列�(gòu)�,且該實(shí)�(shù)序列�(yīng)該具有高斯分布N�0�1)的特征�

  5、生理模型算法:人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統(tǒng)HAS。該模型不僅被多媒體�(shù)�(jù)壓縮系統(tǒng)利用,同樣可以供�(shù)字水印系�(tǒng)利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導(dǎo)出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各�(gè)部分所能容忍的�(shù)字水印信�(hào)的強(qiáng)�,從而能避免破壞視覺�(zhì)�。也就是�,利用視覺模型來確定與圖象相�(guān)的調(diào)制掩�,然后再利用其來插入水印。這一方法同時(shí)具有好的透明性和�(qiáng)健��

�(yīng)用領(lǐng)�

  1、版�(quán)保護(hù)�即數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一�(gè)水印,并將其嵌入原始�(shù)�(jù),然后公開發(fā)布他的水印版本作�。當(dāng)該作品被盜版或出�(xiàn)版權(quán)糾紛�(shí),所有者即可利用圖3或圖4的方法從盜版作品或水印版作品中獲取水印信�(hào)作為依據(jù),從而保�(hù)所有者的�(quán)��

  2、加指紋�為避免未�(jīng)授權(quán)的拷貝制作和�(fā)�,出品人可以將不同用戶的ID或序列號(hào)作為不同的水印(指紋)嵌入作品的合法拷貝�。一旦發(fā)�(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷�,就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來確定它的來��

  3、標(biāo)題與注釋�即將作品的標(biāo)題、注釋等�(nèi)容(�,一幅照片的拍攝�(shí)間和地點(diǎn)等)以水印形式嵌入該作品中,這種隱式注釋不需要額外的帶寬,且不易丟失�

  4、篡改提示:�(dāng)�(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)�(xué)、新聞及商業(yè)�(shí),常需確定它們的�(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理�。為�(shí)�(xiàn)該目�,�??蓪⒃紙D象分成多�(gè)�(dú)立塊,再將每�(gè)塊加入不同的水印。同�(shí)可通過檢測(cè)每�(gè)�(shù)�(jù)塊中的水印信�(hào),來確定作品的完整�。與其他水印不同的是,這類水印必須是脆弱的,并且檢�(cè)水印信號(hào)�(shí),不需要原始數(shù)�(jù)�

  5、使用控制:這種�(yīng)用的一�(gè)典型的例子是DVD防拷貝系�(tǒng),即將水印信息加入DVD�(shù)�(jù)�,這樣DVD播放�(jī)即可通過檢測(cè)DVD�(shù)�(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝�。從而保�(hù)制造商的商�(yè)利益�

維庫電子�,電子知�(shí),一查百��

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