數字水印的發展歷史

① 數字水印是什麼怎麼弄

數字水印（Digital Watermark）技術是將與多媒體內容相關或不相關的一些標示信息直接嵌入多媒體內容當中，但不影響原內容的使用價值，並不容易被人的知覺系統覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，可以達到確認內容創建者、購買者，或者是否真實完整。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。
作為數字水印技術基本上具有下面幾個方面的特點：
----安全性：數字水印的信息應是安全的，難以篡改或偽造，同時，應當有較低的誤檢測率，當原內容發生變化時，數字水印應當發生變化，從而可以檢測原始數據的變更；當然數字水印同樣對重復添加有有強的抵抗性
----隱蔽性：數字水印應是不可知覺的，而且應不影響被保護數據的正常使用；不會降質；
----魯棒性：是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程後，數字水印仍能保持部分完整性並能被准確鑒別。可能的信號處理過程包括信道雜訊、濾波、數/模與模/數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用於版權保護的數字水印易損水印（Fragile Watermarking），主要用於完整性保護，這種水印同樣是在內容數據中嵌入不可見的信息。當內容發生改變時，這些水印信息會發生相應的改變，從而可以鑒定原始數據是否被篡改。
----水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內容的創建者或所有者的標志信息，或購買者的序列號，這樣有利於解決版權糾紛，保護數字產權合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領域的特殊性，對水印的容量需求很大。

數字水印的分類
----1.按特性劃分
----按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和易損數字水印兩類。魯棒數字水印主要用於在數字作品中標識著作權信息，利用這種水印技術在多媒體內容的數據中嵌入創建者、所有者的標示信息，或者嵌入購買者的標示（即序列號）。在發生版權糾紛時，創建者或所有者的信息用於標示數據的版權所有者，而序列號用於追蹤違反協議而為盜版提供多媒體數據的用戶。用於版權保護的數字水印要求有很強的魯棒性和安全性，除了要求在一般圖象處理（如：濾波、加雜訊、替換、壓縮等）中生存外，還需能抵抗一些惡意攻擊。
----易損水印（Fragile Watermarking），與魯棒水印的要求相反，易損數字水印主要用於完整性保護，這種水印同樣是在內容數據中嵌入不可見的信息。當內容發生改變時，這些水印信息會發生相應的改變，從而可以鑒定原始數據是否被篡改。易損水印應對一般圖象處理（如：濾波、加雜訊、替換、壓縮等）有較強的免疫能力（魯棒性），同時又要求有較強的敏感性，即：既允許一定程度的失真，又要能將失真情況探測出來。必須對信號的改動很敏感，人們根據易損水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。
----2.按水印所附載的媒體劃分
----按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用於三維網格模型的網格水印等。隨著數字技術的發展，會有更多種類的數字媒體出現，同時也會產生相應的水印技術。
----3.按檢測過程劃分
----按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應用受到存儲成本的限制。目前學術界研究的數字水印大多數是盲水印。
----4.按內容劃分
----按數字水印的內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個數字圖像（如商標圖像）或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應於一個序列號。有意義水印的優勢在於，如果由於受到攻擊或其他原因致使解碼後的水印破損，人們仍然可以通過視覺觀察確認是否有水印。但對於無意義水印來說，如果解碼後的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統計決策來確定信號中是否含有水印。
----5.按用途劃分
----不同的應用需求造就了不同的水印技術。按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票證防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。
----票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用於列印票據和電子票據、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的製造者不可能對票據圖像進行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用於票證防偽的數字水印演算法不能太復雜。
----版權標識水印是目前研究最多的一類數字水印。數字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權標識水印主要強調隱蔽性和魯棒性，而對數據量的要求相對較小。
----篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識原文件信號的完整性和真實性。
----隱蔽標識水印的目的是將保密數據的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數據的使用。
----6.按水印隱藏的位置劃分
----按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。
----時（空）域數字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印則分別是在DCT變換域、時/ 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。
----隨著數字水印技術的發展，各種水印演算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限於上述四種。應該說，只要構成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。

典型數字水印演算法
近年來，數字水印技術研究取得了很大的進步，下面對一些典型的演算法進行了分析，除特別指明外，這些演算法主要針對圖象數據(某些演算法也適合視頻和音頻數據)。
----空域演算法 該類演算法中典型的水印演算法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由於使用了圖像不重要的像素位，演算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個常用方法是利用像素的統計特徵將信息嵌入像素的亮度值中。

----Patchwork演算法 方法是隨機選擇N對像素點 (ai，bi) ，然後將每個ai點的亮度值加 1 ，每個bi點的亮度值減 1，這樣整個圖像的平均亮度保持不變。適當地調整參數，Patchwork方法對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然後對每一個圖像塊進行嵌入操作。
----變換域演算法 該類演算法中，大部分水印演算法採用了擴展頻譜通信 (spread spectrum communication)技術。演算法實現過程為：先計算圖像的離散餘弦變換 (DCT)，然後將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數上(不包括直流分量)，通常為圖像的低頻分量。若DCT系數的前k個最大分量表示為D={ di }，i=1 ，… ，k，水印是服從高斯分布的隨機實數序列W ={ wi }，i=1 ，… ，k，那麼水印的嵌入演算法為di = di(1 + awi)，其中常數a為尺度因子，控制水印添加的強度。然後用新的系數做反變換得到水印圖像I。解碼函數則分別計算原始圖像I和水印圖像I＊的離散餘弦變換，並提取嵌入的水印W＊，再做相關檢驗 以確定水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經過一些通用的幾何變形和信號處理操作而產生比較明顯的變形後仍然能夠提取出一個可信賴的水印拷貝。一個簡單改進是不將水印嵌入到DCT域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調節水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外，還可以將數字圖象的空間域數據通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉化為相應的頻域系數；其次，根據待隱藏的信息類型，對其進行適當編碼或變形；再次，根據隱藏信息量的大小和其相應的安全目標，選擇某些類型的頻域系數序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規則或演算法，用待隱藏的信息的相應數據去修改前面選定的頻域系數序列；最後，將數字圖象的頻域系數經相應的反變換轉化為空間域數據。該類演算法的隱藏和提取信息操作復雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強，很適合於數字作品版權保護的數字水印技術中。
----壓縮域演算法 基於JPEG、MPEG標準的壓縮域數字水印系統不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數據中進行。下面介紹一種針對MPEG-2壓縮視頻數據流的數字水印方案。雖然MPEG-2數據流語法允許把用戶數據加到數據流中，但是這種方案並不適合數字水印技術，因為用戶數據可以簡單地從數據流中去掉，同時，在MPEG-2編碼視頻數據流中增加用戶數據會加大位率，使之不適於固定帶寬的應用，所以關鍵是如何把水印信號加到數據信號中，即加入到表示視頻幀的數據流中。對於輸入的MPEG-2數據流而言，它可分為數據頭信息、運動向量(用於運動補償)和DCT編碼信號塊3部分，在方案中只有MPEG-2數據流最後一部分數據被改變，其原理是，首先對DCT編碼數據塊中每一輸入的Huffman碼進行解碼和逆量化，以得到當前數據塊的一個DCT系數;其次，把相應水印信號塊的變換系數與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數，再重新進行量化和Huffman編碼，最後對新的Huffman碼字的位數n1與原來的無水印系數的碼字n0進行比較，只在n1不大於n0的時候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數據流位率。該方法有一個問題值得考慮，即水印信號的引入是一種引起降質的誤差信號，而基於運動補償的編碼方案會將一個誤差擴散和累積起來，為解決此問題，該演算法採取了漂移補償的方案來抵消因水印信號的引入所引起的視覺變形。
----NEC演算法 該演算法由NEC實驗室的Cox等人提出，該演算法在數字水印演算法中佔有重要地位，其實現方法是，首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列，該序列具有高斯N(0，1)分布，密鑰一般由作者的標識碼和圖象的哈希值組成，其次對圖象做DCT變換，最後用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數。該演算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。由於採用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該演算法還提出了增強水印魯棒性和抗攻擊演算法的重要原則，即水印信號應該嵌入源數據中對人感覺最重要的部分，這種水印信號由獨立同分布隨機實數序列構成，且該實數序列應該具有高斯分布N(0，1)的特徵。
----生理模型演算法 人的生理模型包括人類視HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統HAS。該模型不僅被多媒體數據壓縮系統利用，同樣可以供數字水印系統利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各個部分所能容忍的數字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質量。也就是說，利用視覺模型來確定與圖象相關的調制掩模，然後再利用其來插入水印。這一方法同時具有好的透明性和強健性。

數字水印應用領域
隨著數字水印技術的發展，數字水印的應用領域也得到了擴展，數字水印的基本應用領域是版權保護、隱藏標識、認證和安全不可見通信。
當數字水印應用於版權保護時，潛在的應用市場在於電子商務、在線或離線地分發多媒體內容以及大規模的廣播服務。數字水印用於隱藏標識時，可在醫學、制圖、數字成像、數字圖像監控、多媒體索引和基於內容的檢索等領域得到應用。數字水印的認證方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面數字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應用。 多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。
----1.數字作品的知識產權保護
----數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）的版權保護是當前的熱點問題。由於數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不採用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。
----「數字水印」利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。目前，用於版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其「數字圖書館」軟體中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟體中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。
----2.商務交易中的票據防偽
----隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過 1200dpi的彩色噴墨、激光列印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。
----另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網路安全技術成熟以後，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。
----3.證件真偽鑒別
----信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。
國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由於缺少有效的措施，使得「造假」、「買假」、「用假」成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿製和復制。

----4.聲像數據的隱藏標識和篡改提示
----數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經/緯度等。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像資料庫所採用。
----此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到「移花接木」而不為人知，因此，如何防範對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。基於數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。
----5.隱蔽通信及其對抗
----數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網路情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。
----網路情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網路進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破「文件加密」的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網路多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網路進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對於人的視覺、聽覺冗餘，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。

② 什麼是「數字水印「，

數字水印（Digital Watermark）技術是將與多媒體內容相關或不相關的一些標示信息直接嵌入多媒體內容當中，但不影響原內容的使用價值，並不容易被人的知覺系統覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，可以達到確認內容創建者、購買者，或者是否真實完整。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。
作為數字水印技術基本上具有下面幾個方面的特點：
----安全性：數字水印的信息應是安全的，難以篡改或偽造，同時，應當有較低的誤檢測率，當原內容發生變化時，數字水印應當發生變化，從而可以檢測原始數據的變更；當然數字水印同樣對重復添加有有強的抵抗性
----隱蔽性：數字水印應是不可知覺的，而且應不影響被保護數據的正常使用；不會降質；
----魯棒性：是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程後，數字水印仍能保持部分完整性並能被准確鑒別。可能的信號處理過程包括信道雜訊、濾波、數/模與模/數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用於版權保護的數字水印易損水印（Fragile Watermarking），主要用於完整性保護，這種水印同樣是在內容數據中嵌入不可見的信息。當內容發生改變時，這些水印信息會發生相應的改變，從而可以鑒定原始數據是否被篡改。
----水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內容的創建者或所有者的標志信息，或購買者的序列號，這樣有利於解決版權糾紛，保護數字產權合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領域的特殊性，對水印的容量需求很大。

數字水印的分類
----1.按特性劃分
----按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和易損數字水印兩類。魯棒數字水印主要用於在數字作品中標識著作權信息，利用這種水印技術在多媒體內容的數據中嵌入創建者、所有者的標示信息，或者嵌入購買者的標示（即序列號）。在發生版權糾紛時，創建者或所有者的信息用於標示數據的版權所有者，而序列號用於追蹤違反協議而為盜版提供多媒體數據的用戶。用於版權保護的數字水印要求有很強的魯棒性和安全性，除了要求在一般圖象處理（如：濾波、加雜訊、替換、壓縮等）中生存外，還需能抵抗一些惡意攻擊。
----易損水印（Fragile Watermarking），與魯棒水印的要求相反，易損數字水印主要用於完整性保護，這種水印同樣是在內容數據中嵌入不可見的信息。當內容發生改變時，這些水印信息會發生相應的改變，從而可以鑒定原始數據是否被篡改。易損水印應對一般圖象處理（如：濾波、加雜訊、替換、壓縮等）有較強的免疫能力（魯棒性），同時又要求有較強的敏感性，即：既允許一定程度的失真，又要能將失真情況探測出來。必須對信號的改動很敏感，人們根據易損水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。
----2.按水印所附載的媒體劃分
----按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用於三維網格模型的網格水印等。隨著數字技術的發展，會有更多種類的數字媒體出現，同時也會產生相應的水印技術。
----3.按檢測過程劃分
----按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應用受到存儲成本的限制。目前學術界研究的數字水印大多數是盲水印。
----4.按內容劃分
----按數字水印的內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個數字圖像（如商標圖像）或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應於一個序列號。有意義水印的優勢在於，如果由於受到攻擊或其他原因致使解碼後的水印破損，人們仍然可以通過視覺觀察確認是否有水印。但對於無意義水印來說，如果解碼後的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統計決策來確定信號中是否含有水印。
----5.按用途劃分
----不同的應用需求造就了不同的水印技術。按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票證防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。
----票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用於列印票據和電子票據、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的製造者不可能對票據圖像進行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用於票證防偽的數字水印演算法不能太復雜。
----版權標識水印是目前研究最多的一類數字水印。數字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權標識水印主要強調隱蔽性和魯棒性，而對數據量的要求相對較小。
----篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識原文件信號的完整性和真實性。
----隱蔽標識水印的目的是將保密數據的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數據的使用。
----6.按水印隱藏的位置劃分
----按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。
----時（空）域數字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印則分別是在DCT變換域、時/ 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。
----隨著數字水印技術的發展，各種水印演算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限於上述四種。應該說，只要構成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。

典型數字水印演算法
近年來，數字水印技術研究取得了很大的進步，下面對一些典型的演算法進行了分析，除特別指明外，這些演算法主要針對圖象數據(某些演算法也適合視頻和音頻數據)。
----空域演算法 該類演算法中典型的水印演算法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像點中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由於使用了圖像不重要的像素位，演算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個常用方法是利用像素的統計特徵將信息嵌入像素的亮度值中。

----Patchwork演算法 方法是隨機選擇N對像素點 (ai，bi) ，然後將每個ai點的亮度值加 1 ，每個bi點的亮度值減 1，這樣整個圖像的平均亮度保持不變。適當地調整參數，Patchwork方法對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然後對每一個圖像塊進行嵌入操作。
----變換域演算法 該類演算法中，大部分水印演算法採用了擴展頻譜通信 (spread spectrum communication)技術。演算法實現過程為：先計算圖像的離散餘弦變換 (DCT)，然後將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數上(不包括直流分量)，通常為圖像的低頻分量。若DCT系數的前k個最大分量表示為D={ di }，i=1 ，… ，k，水印是服從高斯分布的隨機實數序列W ={ wi }，i=1 ，… ，k，那麼水印的嵌入演算法為di = di(1 + awi)，其中常數a為尺度因子，控制水印添加的強度。然後用新的系數做反變換得到水印圖像I。解碼函數則分別計算原始圖像I和水印圖像I＊的離散餘弦變換，並提取嵌入的水印W＊，再做相關檢驗 以確定水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經過一些通用的幾何變形和信號處理操作而產生比較明顯的變形後仍然能夠提取出一個可信賴的水印拷貝。一個簡單改進是不將水印嵌入到DCT域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調節水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外，還可以將數字圖象的空間域數據通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉化為相應的頻域系數；其次，根據待隱藏的信息類型，對其進行適當編碼或變形；再次，根據隱藏信息量的大小和其相應的安全目標，選擇某些類型的頻域系數序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規則或演算法，用待隱藏的信息的相應數據去修改前面選定的頻域系數序列；最後，將數字圖象的頻域系數經相應的反變換轉化為空間域數據。該類演算法的隱藏和提取信息操作復雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強，很適合於數字作品版權保護的數字水印技術中。
----壓縮域演算法 基於JPEG、MPEG標準的壓縮域數字水印系統不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數據中進行。下面介紹一種針對MPEG-2壓縮視頻數據流的數字水印方案。雖然MPEG-2數據流語法允許把用戶數據加到數據流中，但是這種方案並不適合數字水印技術，因為用戶數據可以簡單地從數據流中去掉，同時，在MPEG-2編碼視頻數據流中增加用戶數據會加大位率，使之不適於固定帶寬的應用，所以關鍵是如何把水印信號加到數據信號中，即加入到表示視頻幀的數據流中。對於輸入的MPEG-2數據流而言，它可分為數據頭信息、運動向量(用於運動補償)和DCT編碼信號塊3部分，在方案中只有MPEG-2數據流最後一部分數據被改變，其原理是，首先對DCT編碼數據塊中每一輸入的Huffman碼進行解碼和逆量化，以得到當前數據塊的一個DCT系數;其次，把相應水印信號塊的變換系數與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數，再重新進行量化和Huffman編碼，最後對新的Huffman碼字的位數n1與原來的無水印系數的碼字n0進行比較，只在n1不大於n0的時候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數據流位率。該方法有一個問題值得考慮，即水印信號的引入是一種引起降質的誤差信號，而基於運動補償的編碼方案會將一個誤差擴散和累積起來，為解決此問題，該演算法採取了漂移補償的方案來抵消因水印信號的引入所引起的視覺變形。
----NEC演算法 該演算法由NEC實驗室的Cox等人提出，該演算法在數字水印演算法中佔有重要地位，其實現方法是，首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列，該序列具有高斯N(0，1)分布，密鑰一般由作者的標識碼和圖象的哈希值組成，其次對圖象做DCT變換，最後用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數。該演算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。由於採用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該演算法還提出了增強水印魯棒性和抗攻擊演算法的重要原則，即水印信號應該嵌入源數據中對人感覺最重要的部分，這種水印信號由獨立同分布隨機實數序列構成，且該實數序列應該具有高斯分布N(0，1)的特徵。
----生理模型演算法 人的生理模型包括人類視HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統HAS。該模型不僅被多媒體數據壓縮系統利用，同樣可以供數字水印系統利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各個部分所能容忍的數字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質量。也就是說，利用視覺模型來確定與圖象相關的調制掩模，然後再利用其來插入水印。這一方法同時具有好的透明性和強健性。

數字水印應用領域
隨著數字水印技術的發展，數字水印的應用領域也得到了擴展，數字水印的基本應用領域是版權保護、隱藏標識、認證和安全不可見通信。
當數字水印應用於版權保護時，潛在的應用市場在於電子商務、在線或離線地分發多媒體內容以及大規模的廣播服務。數字水印用於隱藏標識時，可在醫學、制圖、數字成像、數字圖像監控、多媒體索引和基於內容的檢索等領域得到應用。數字水印的認證方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面數字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應用。 多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。
----1.數字作品的知識產權保護
----數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）的版權保護是當前的熱點問題。由於數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不採用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。
----「數字水印」利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。目前，用於版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其「數字圖書館」軟體中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟體中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。
----2.商務交易中的票據防偽
----隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過 1200dpi的彩色噴墨、激光列印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。
----另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網路安全技術成熟以後，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。
----3.證件真偽鑒別
----信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。
國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由於缺少有效的措施，使得「造假」、「買假」、「用假」成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿製和復制。

----4.聲像數據的隱藏標識和篡改提示
----數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經/緯度等。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像資料庫所採用。
----此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到「移花接木」而不為人知，因此，如何防範對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。基於數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。
----5.隱蔽通信及其對抗
----數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網路情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。
----網路情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網路進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破「文件加密」的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網路多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網路進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對於人的視覺、聽覺冗餘，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。

③ 什麼是數字水印技術，有那些分類及其作用

水印來：

• 很久很久以前，人自們在石頭上曬潮濕的草等等東西時，發現曬干後，石頭上會留下印記，後來就稱之為水印。到了現代，在圖片上往往會有明顯、模糊或者看不見的水印。

分類：

• 看得見的水印：

  在視頻，圖片等等數字信息中留下較為明顯的印記。

• 看不見得水印

  將信息隱藏在數字信息中，沒有特定方法，不會顯示出來。

作用：

• 看得見的水印作用，往往會留下廣告、聯系方式、等等信息。

  
  

• 看不見的水印作用：根據魯爾性，分為易損壞的水印與堅韌的水印。

1. 易損壞的水印：將信息隱藏到所需要的信息中，若他人修改此信息，水印將會損壞。常用於電子簽名，票據等重要依據信息中。

2. 堅韌的水印：將信息隱藏到所需要的信息中，他/她人修改此信息，水印也不易損壞。常用於圖片、視頻、音樂、文學作品等等信息中。輸入證明作者或購買者信息，作品信息等等。
   

④ 數字水印的發展歷史

數字水印技術是從信息隱藏技術發展而來的，是數字信號處理，圖像處理，密碼學應用，演算法設計等學科的交叉領域。數字水印最早在1993年由Tirkel等人提出，在國際學術會議上發表題為「Electronicwatermark」的第一篇有關水印的文章，提出了數字水印的概念及可能的應用，並針對灰度圖像提出了兩種向圖像最低有效位中嵌入水印的演算法。1996年在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學術研討會，標志著信息隱藏學的誕生。
在我國，四川大學計算機學院教授、四川大學軟體學院教授委員會主任、成都宇飛信息工程有限公司首席專家李炳法也是從1993年即開始了長達20餘年的數字水印教學與研發應用工作，並在國內外著名雜志如《IEEE Transactions On Pattern Analysis and Machine Intelligence》、《IEEE Transactions On Circuitsand System》、《International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence》和國際重大學術會議上發表數字水印學術論文百餘篇，並主持研發成功了世界上第一個印刷列印數字水印軟體，是我國數字水印技術商業化應用的先行者與奠基人。

⑤ 有誰有關於「數字水印在版權保護的應用」的論文

數字版權的最後一道防線—數字水印
北京大學計算機科學技術 研究所 朱新山
數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。
當今社會的發展已經呈現兩個明顯的特徵：數字化和網路化。數字化指的是信息的存儲形式，特點是信息存儲量大、便於編輯和復制；網路化指的是信息的傳輸形式，具有速度快、分布廣的優點。過去10 年，數字媒體信息的使用和分布呈爆炸性的增長。人們通過互聯網可以快捷方便地獲得數字信息和在線服務。但同時，盜版也變得更加容易，對數字內容的管理和保護成為業界迫切需要解決的問題。
數字信息在本質上有別於模擬信息，傳統的保護模擬信息的方案對數字信息已不再奏效。再加上一些具有通用目的的處理器，如PC 機，使得那些基於硬體的媒體保護方案很容易被攻破。而通常採用的加密技術事實上只能在信息從發送者到接受者的傳輸過程中保護媒體的內容。在信息被接收到以後，再利用的過程中所有的數據對使用者都是透明的，不再受到任何保護。在這一形勢下，數字水印作為一種潛在的解決方案，得到了眾多學者的青睞。
數字水印的基本思想是在原始媒體數據中，如音頻、視頻、圖像等，隱藏具有一定意義的附加信息作為標記，這些信息與原始數據緊密結合，並隨之一起被傳輸。在接收端，通過計算機水印信號被提取出來用於各種目的，可能的應用包括數字簽名、數字指紋、廣播監視、內容認證、拷貝控制和秘密通信等。數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。
數字水印的基本框架
一個典型的水印系統由嵌入器和檢測器組成，如圖所示。嵌入器（式（1））根據要傳送的信息M 生成真正的水印信號，並把它隱藏到媒體數據x 中，得到含水印的信號y。為了安全起見，水印信號的生成通常依賴於密鑰K。y 經過傳輸網路可能會有一定的信息損失，到達檢測器端變成y′，這段通道對於嵌入器和檢測器來說都是不可控、不可知的，可以稱其為攻擊通道（attack channel）。檢測器負責從y′中提取信息，如式（2）。對於不需要宿主信號的檢測，我們稱為盲水印（blind watermarking），相反稱為非盲水印（non-blind watermarking）。由於應用的需求，盲水印一直是研究的主流。
數字水印的特性
數字水印的思想雖然簡單，但是要達到應用的目的，就必須滿足一定的性能指標，其中相對重要的特性包括：
● 保真性（fidelity）：又常稱為不可見性，指的是水印嵌入導致宿主信號質量變化的程度。鑒於宿主信號多是多媒體數據供人們觀賞，水印應具有很高的保真性，同時又增加了水印自身的安全。
● 魯棒性（robustness）：是指水印在媒體數據編輯、處理過程中的生存能力。媒體數據的各種操作會導致宿主信號信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、濾波、加噪、剪切、縮放和旋轉等，也包括一些惡意的攻擊。
● 信息容量（data payload）：是指在一定保真度下，水印信號可傳遞的信息量。實際應用要求水印可傳送多位信息。
● 安全性：在應用中總有人要嵌入、檢測或剔除水印，而必須限制其他人做同樣的操作，這就是水印的安全性。要實現安全，必須保密重要信息，比如通常使用密鑰產生水印。
● 錯警率：是指在不含水印的宿主信號中，錯誤地檢測出水印的概率。很顯然，只有錯警率足夠低，系統才能安全可靠地使用。
設計水印必須圍繞上述性能指標選擇合適的技術。有些特性之間是不相容的，像不可見性、魯棒性和信息容量，必須做權衡的考慮。
由水印的保真性將其分為可見水印和不可見水印，顧名思義可見水印可通過人眼檢測。由水印的魯棒性又可分為魯棒水印（robust watermarking）和脆弱水印（fragile watermarking）。魯棒水印可以抵抗一定程度的信號處理；而脆弱水印的特點是任何對媒體信息的更改都會破壞水印的完整性，使水印檢測不出來。所以說魯棒水印是盡力保證水印信息的完整性，脆弱水印是盡力保證媒體信息的完整性，它們各有各的用途。還有一種水印介於二者之間，稱為半脆弱水印，對一些操作魯棒，但對重要數據特徵的修改操作是脆弱的。
數字水印技術的進展
早期，水印設計者關注的是如何把信息隱藏在數字媒體中並不被發現。為此，水印信息被置於二進制數據的最低位中，這類方案被統稱為最低有效位調制。很明顯，最低有效位內的信息容易在常用的信號處理中丟失，水印的魯棒性差。
隨後，出現了大量空間域內的水印演算法。水印嵌入不再是修改空間域內的單個點，而是一個點集或一個區域的特徵，例如均值、方差、奇偶性等。Patchwork 是這類方法的一個典型代表。它在圖像空間隨機選取n 對像素點(ai, bi)，並且對像素ai 的亮度加d，bi 的亮度減d，結果這兩組像素點之間亮度差值的均值被修改為2d。該均值和統計假設檢驗理論可確定水印的有無。可是Patchwork 能嵌入的信息量有限，而且對幾何變換敏感。空間域內水印演算法存在的共性問題是對圖像處理的魯棒性差。
相較於空間域，頻譜則是一種很好的信號描述方法。低頻分量代表了信號的平滑部分，是主體信息;高頻分量表示信號的抖動部分，是邊緣信息，信號的分析和處理非常直觀方便。擴頻水印引入了擴頻通信理論，是一種非常流行的頻率域內的水印設計思想。它將數字媒體視為信道，通常具有較寬的帶寬，要嵌入的水印信號作為發射信號，帶寬較窄。可以先將水印擴展到多個頻率點上，再與媒體信號疊加。這樣，每個頻率分量內只含有微小能量的水印，既保證了不可見性，同時要破壞水印，則必須在每個頻率上疊加幅值很高的雜訊。這一思想首先被應用到DCT 域內，之後又被推廣到傅立葉變換域和小波域內。另外，為了兼顧水印的保真性，人類感知模型被用於控制每個頻率點上水印的能量，使其不至於破壞信號質量，從而形成了一類自適應的擴頻水印。
另一種重要的水印模型是把水印看成是已知邊帶信息的通信。邊帶信息指的是嵌入器端已知的信息，包括媒體數據。嵌入器應該充分利用邊帶信息，盡可能提高水印正確檢測的概率。這對水印的設計有重要的指導意義，它說明含水印的宿主信號應該選擇在可檢測到水印的區域，同時保證一定的保真度。
當前，水印研究的熱點是探討媒體信號中能嵌入並可靠檢測的最大信息量，它應用了已知邊帶信息的通信模型以及資訊理論的知識。水印演算法的研究則側重於針對壓縮域，即JPEG、MPEG等壓縮標准，因為壓縮是信息傳輸中必須採用的技術。
數字水印的攻擊技術
對媒體數據的各種編輯和修改常常導致信息損失，又由於水印與媒體數據緊密結合，所以也會影響到水印的檢測和提取，我們把這些操作統稱為攻擊。水印的攻擊技術可以用來測試水印的性能，它是水印技術發展的一個重要方面。如何提高水印的魯棒性，抵抗攻擊，是水印設計者最為關注的問題。
第一代水印性能評價系統 Stirmark 囊括了大量的信號和圖像處理操作，它們可以分為：
● 去除水印攻擊(Removal attack):主要包括A/D、D/A 轉換、去噪、濾波、直方圖修改、量化和有損壓縮等。這些操作造成了媒體數據的信息損失，特別是壓縮，能在保證一定信息質量的前提下，盡可能多地剔出冗餘，使得水印被去掉。
● 幾何攻擊(Geometrical attack):主要包括各種幾何變換，例如旋轉、平移、尺度變換、剪切、刪除行或列、隨機幾何變換等。這些操作使得媒體數據的空間或時間序列的排布發生變化，造成水印的不可檢測，因此也叫非同步攻擊。
● 共謀攻擊：攻擊者利用同一條媒體信息的多個含水印拷貝，使用統計方法構造出不含水印的媒體數據。
● 重復嵌入攻擊：攻擊者在已嵌入他人水印的媒體數據中嵌入自己的版權信息，從而造成版權糾紛。第二代水印攻擊系統由 Voloshynovskiy 提出，其核心思想是利用合理的媒體數據統計模型和最大後驗概率來估計水印或者原始媒體信號，從而將水印剔除。對攻擊技術的分析和研究促進了水印技術的革新，但也為水印自身提出了一個又一個挑戰。
當前，還不存在一種演算法能夠抵抗所有的攻擊，特別是幾何攻擊，是學術界公認的最困難的問題，目前還沒有成熟的方案。
數字水印產品
20 世紀90 年代末期國際上開始出現一些水印產品。美國的Digimarc 公司率先推出了第一個用於靜止圖像版權保護的數字水印軟體，而後又以插件形式將該軟體集成到Adobe 公司的Photoshop 和Corel Draw 圖像處理軟體中。AlpVision 公司推出的LavelIt 軟體，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字元，用於文檔的保護與跟蹤。MediaSec 公司的SysCop 用水印技術來保護多媒體內容，欲杜絕非法拷貝、傳播和編輯。
美國版權保護技術組織（CPTWG）成立了專門的數據隱藏小組（DHSG）來制定版權保護水印的技術標准。他們提出了一個5C 系統，用於DVD 的版權保護。IBM 公司將數字水印用於數字圖書館的版權保護系統中。許多國際知名的商業集團，如韓國的三星、日本的NEC 等，也都設立了DRM 技術開發項目。另外，當前還有一些潛在的應用需求，例如軟體的搜索和下載數量的統計、網頁安全預警、數字電視節目的保護和機密文檔的防遺失等。一些國際標准中已結合了數字水印或者為其預留了空間。SDMI 的目標是為音樂的播放、存
儲和發布提供一個開放的框架。SDMI 規范中規定了多種音頻文件格式，並聯合加密和數字水印技術來實現版權保護。已經頒布的JPEG2000 國際標准中，為數字水印預留了空間。即將頒布的數字視頻壓縮標准MPEG-4(ISO/IEC 14496)，提供了一個知識產權管理和保護的介面，允許結合包括水印在內的版權保護技術。
在國內，政府對信息安全產業的發展極為重視。數字水印的研究得到了國家自然科學基金和「863」計劃的資助。國內信息隱藏學術研討會(CIHW)自1999 年以來至今已成功舉辦了五屆，有力地推動了水印技術的研究與發展。去年政府更頒布了《中華人民共和國電子簽名法》，這給水印技術的應用提供了必要的法律依據。盡管數字水印發展迅速，但離實際應用，還有一段距離要走。許多項目和研究都還處於起步和實驗階段，已出現的水印產品還不能完全滿足使用需求。如今水印技術正在向縱深發展，一些基本的技術和法律問題正逐個得到解決。相信不久的將來，水印與其它DRM 技術的結合，將徹底解決數字內容的管理和保護問題。
小資料2
多媒體數字版權保護的應用案例
在安全領域有 20 年發展歷史的美商SafeNet 推出的數字產權保護方案DMD 是採用加密技術的DRM 產品。SafeNet 公司亞太地區副總裁陳泓應記者的要求介紹幾個成功的應用案例。DMD 主要應用於音樂和鈴聲的下載、VOD、多媒體內容發布服務，以及最近的移動TV。基本來說，客戶選擇基於以下幾點:基於電信級的性能，可以同時處理上千個用戶；可以同步支持多種DRM 技術，並且對未來的DRM 技術有高支持能力；高互通性，確保伺服器端與客戶端能安全穩定地溝通；先進的授權能力，例如可以有效控制一個授權的使用量；高集成性，確保DRM的平台不是獨立作業的，可以很容易地整合至伺服器平台，與收費系統等結合。
在音樂下載方面，NPO 是SafeNet 在法國的客戶。他們主要負責發布CD 音樂及將發表的音樂放到FN@C 的網路上供人付費下載。NPO 將音樂內容做DRM 處理後，將內容由FN@C (這是一個公開的入口網站)發布，提供給人付費下載。當終端用戶付了錢，FN@C 會將一部分的證明數據加密並提交給NPO，由NPO 產生授權給此用戶。在 VOD 的應用層面，德國的Arcor 公司是一家ISP 供貨商。透過DRM 解決方案，Arcor 將影音內容加密，透過互聯網和Cable 給客戶做使用者付費的服務。客戶付了錢，Arcor 由SafeNet的DRM 解決方案產生正式授權，讓客戶享用影音服務。
在 3G 的應用方面，英國的BT LiftTime 公司也採用SafeNet 的DMD 方案。BT LifeTime 向內容供貨商購買cable TV 的內容(如運動節目或音樂節目等)，並將此內容轉成dab 格式，經過DMD加密並放到其平台，再轉賣給無線運營商，提供移動裝置用戶直接付費下載內容。通過SafeNetDMD 將授權提供給已經付費的客戶。

⑥ 基於數字水印的信息隱藏技術的研究現狀怎樣

密碼學在信息隱藏技術中應用體現在： 1 版權保護 隨著通信技術的迅猛發展，信息安全問題也變得十分突出，數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）的版權保護成了當前的熱點。由於數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不採用一些嚴重損害作品質量的辦法來增加版權標志，但這種明顯可見的標志很容易被篡改。數字水印的出現，就是利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。換句話說，數字水印技術是將與多媒體內容相關或不相關的一些標示信息直接嵌入到多媒體內容當中，但不影響原內容的使用價值，也不容易被人覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，人們可以確認內容的創建者、購買者和查看信息是否真實完整。數字音頻水印技術是信息隱藏技術的重要研究方向。 把要保密的信息，通過特殊的演算法嵌入音頻中，而不影響正常的收聽效果（即具有聽覺上的透明性），讓人無法察覺和破壞此類信息。當要使用的時候再通過同樣的方法在計算機上提取出來。通過這些隱藏在音頻內容中的信息，可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播，鑒別真偽，解決版權糾紛並為法庭提供認證證據。目前的數字音頻水印技術有追蹤非法復制的功能，卻不能做到防止盜版。從技術上來講，當買一個音響作品時，在開票的過程中就要輸入你的基本信息，甚至收款方可以拍攝購買人照片，把這些信息嵌入歌曲中。當然，這涉及到隱私問題，因此這些信息只有在發生盜版、保護版權時使用，其他情況不能使用。這和電信公司需要客戶資料是一個道理。如果市場出現了盜版，司法機關買一個，提取出裡面的水印，就知道誰是散布源頭了。如果這個在法律上能實現的話，人們在購買音響作品時就要多一道手續，就像去醫院要掛號，去電信開中國要填單子一樣。而要人們認同這種手續、共同打擊盜版或許還需要一段時日。 2 數字簽名 數字簽名是在公鑰加密系統的基礎上建立起來的，數字簽名的產生涉及的運算方式是為人們所知的散列函數功能，也稱「哈希函數功能」(Hash Function)。哈希函數功能其實是一種數學計算過程。這一計算過程建立在一種以「哈希函數值」或「哈希函數結果」形式創建信息的數字表達式或壓縮形式(通常被稱作「信息摘要」或「信息標識」)的計算方法之上。在安全的哈希函數功能(有時被稱作單向哈希函數功能)情形下，要想從已知的哈希函數結果中推導出原信息來，實際上是不可能的。因而，哈希函數功能可以使軟體在更少且可預見的數據量上運作生成數字簽名，卻保持與原信息內容之間的高度相關，且有效保證信息在經數字簽署後並未做任何修改。 所謂數字簽名，就是只有信息的發送者才能產生的，別人無法偽造的一段數字串，它同時也是對發送者發送的信息的真實性的一個證明。簽署一個文件或其他任何信息時，簽名者首先須准確界定要簽署內容的范圍。然後，簽名者軟體中的哈希函數功能將計算出被簽署信息惟一的哈希函數結果值(為實用目的)。最後使用簽名者的私人密碼將哈希函數結果值轉化為數字簽名。得到的數字簽名對於被簽署的信息和用以創建數字簽名的私人密碼而言都是獨一無二的。 一個數字簽名(對一個信息的哈希函數結果的數字簽署)被附在信息之後，並隨同信息一起被儲存和傳送。然而，只要能夠保持與相應信息之間的可靠聯系，它也可以作為單獨的數據單位被存儲和傳送。因為數字簽名對它所簽署的信息而言是獨一無二的。 3 數字指紋 數字指紋技術是近幾年發展起來的新型數字產品版權保護技術。數字指紋是指利用數字作品中普遍存在的冗餘數據與隨機性，向被分發的每一份數據拷貝中引入一定的誤差，使得該拷貝是唯一的，從而可以在發現非法再分發拷貝時，根據該拷貝中的誤差跟蹤到不誠實原始購買者的一種數字作品版權保護技術。 一般情況下，引入的誤差是指與用戶和某次購買過程有關的信息。當發行商發現被非法分發的授權信息時，可以根據該信息對非法分發的用戶進行跟蹤。數字指紋系統可以分為演算法和協議兩部分，其中，演算法包括指紋的編碼、解碼、嵌入、提取和數據的分發策略等，而協議部分則規定了各實體之間如何進行交互以實現具有各種特點的數據分發和跟蹤體制。 4 廣播監視 韓國廣播公司技術研究所(KBS TRI)開發的水印系統在進行MPEG-2壓縮之前將版權信息嵌入未被壓縮的視頻流中,並檢測被接收的沒有原視頻的視頻中的水印。使用一個安全鍵產生水印和水印嵌入位置。每個像素的嵌入的水印的強度是由看不見的人類的視覺系統決定的。KBS公司的水印技術符合不可視性、魯棒性和安全性的要求。廣播內容中的水印識別原廣播機構,並能檢測非法拷貝和未經授權的再利用內容。 對標清視頻來說,嵌入視頻中作為水印的信息是64比特版權標識符;對高清視頻來說是128比特版權標識符。版權標識符的水印比特是由用於水印系統安全性的安全鍵產生的。在為了數字電視傳輸而進行MPEG-2壓縮之前,將水印嵌入視頻序列的空間域中。因此,水印必須經得住MPEG-2壓縮。水印的不可覺察性是由水印強度決定的。對於不可覺察性來說,希望水印強度盡可能低,而對魯棒性來說,則希望水印強度盡可能高。因此,水印系統的設計總是牽涉到不可覺察性和魯棒性之間的折衷方案。故根據人類的視覺系統,水印強度設計得在每個像素上是不同的。水印在傳輸後的MPEG-2流中進行檢測。檢測演算法需要30幀以上的視頻。非法使用者可能對含有水印的數字內容進行各式各樣的攻擊。因此,KBS公司的水印系統設計得滿足魯棒性的要求。 隨著IT和數字技術的進步,數字電視內容版權保護在數字電視的廣播環境中日益重要。水印技術被認為是對地面數字電視最可行的解決方案。 5 安全通信 數字水印技術還可以應用於信息的安全通信。秘密通信在情報、軍事等領域有著重要的用途系統必須保證通信雙方可以正常通信而且通信內容不會被敵方竊取。傳統上，秘密通信主要通過密碼技術來實現。所以為了國家安全各個國家都不遺餘力地發展各自的密碼技術以確保秘密通信的安全。隨著中國絡技術的發展普通用戶也希望自己在中國上的通信不會被第三方竊聽，於是密碼技術從軍方的黑匣子中走了出來被越來越多的應用於中國絡中。但即使精心設計的密碼演算法仍然有可能被敵方破解 ，更嚴重的是我方很難覺察到密碼被破解，繼續使用該密碼發送情報將是極其危險的。另一方面如果敵方探測到信道上有密文在傳送，即使短時間內無法破解也會故意破壞我方的通信信道阻止我方通信。如果是我方情報人員在國外收集資料，用密碼傳送文件很容易暴露身份。所以秘密通信除了必須滿足保密性這個基本要求之外還應該極為隱蔽不易被察覺。 隨著互聯中國的發展，身處世界各地都可以方便地通過互聯中國發送電子郵件和各種文件 ，互聯中國又極為開放和不安全。如果我方能夠將秘密信息隱蔽在一些普通文件比如圖片，MP3，WAV中。可以將信息隱藏的載體看作通信信道，將待隱藏信息看作需要傳遞的信號，而信息的嵌入和提取分別看作通信中的調制和解調過程。 由於很難覺察到數字水印信息在多媒體數據中的存在，某些重要信息在傳輸的過程中就可以隱藏在普通的多媒體數據中，從而避開第三方的竊聽和監控。通過普通的互聯中國傳輸那麼敵方將很難發現秘密信息的存在，因而也不會主動破壞通信信道，從而保證了通信安全

⑦ 數字水印的價值,意義以及優點~誰能幫下忙

數字版權的最後一道防線—數字水印

■ 北京大學計算機科學技術 研究所 朱新山

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數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。

當今社會的發展已經呈現兩個明顯的特徵：數字化和網路化。數字化指的是信息的存儲形式，特點是信息存儲量大、便於編輯和復制；網路化指的是信息的傳輸形式，具有速度快、分布廣的優點。過去10年，數字媒體信息的使用和分布呈爆炸性的增長。人們通過互聯網可以快捷方便地獲得數字信息和在線服務。但同時，盜版也變得更加容易，對數字內容的管理和保護成為業界迫切需要解決的問題。

數字信息在本質上有別於模擬信息，傳統的保護模擬信息的方案對數字信息已不再奏效。再加上一些具有通用目的的處理器，如PC機，使得那些基於硬體的媒體保護方案很容易被攻破。而通常採用的加密技術事實上只能在信息從發送者到接受者的傳輸過程中保護媒體的內容。在信息被接收到以後，再利用的過程中所有的數據對使用者都是透明的，不再受到任何保護。在這一形勢下，數字水印作為一種潛在的解決方案，得到了眾多學者的青睞。

數字水印的基本思想是在原始媒體數據中，如音頻、視頻、圖像等，隱藏具有一定意義的附加信息作為標記，這些信息與原始數據緊密結合，並隨之一起被傳輸。在接收端，通過計算機水印信號被提取出來用於各種目的，可能的應用包括數字簽名、數字指紋、廣播監視、內容認證、拷貝控制和秘密通信等。數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。
數字水印的一般框架圖

數字水印的基本框架

一個典型的水印系統由嵌入器和檢測器組成，如圖所示。嵌入器（式（1））根據要傳送的信息M生成真正的水印信號，並把它隱藏到媒體數據x中，得到含水印的信號y。為了安全起見，水印信號的生成通常依賴於密鑰K。

y經過傳輸網路可能會有一定的信息損失，到達檢測器端變成y′，這段通道對於嵌入器和檢測器來說都是不可控、不可知的，可以稱其為攻擊通道（attack channel）。檢測器負責從y′中提取信息，如式（2）。對於不需要宿主信號的檢測，我們稱為盲水印（blind watermarking），相反稱為非盲水印（non-blind watermarking）。由於應用的需求，盲水印一直是研究的主流。

數字水印的特性

數字水印的思想雖然簡單，但是要達到應用的目的，就必須滿足一定的性能指標，其中相對重要的特性包括：

● 保真性（fidelity）：又常稱為不可見性，指的是水印嵌入導致宿主信號質量變化的程度。鑒於宿主信號多是多媒體數據供人們觀賞，水印應具有很高的保真性，同時又增加了水印自身的安全。

● 魯棒性（robustness）：是指水印在媒體數據編輯、處理過程中的生存能力。媒體數據的各種操作會導致宿主信號信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、濾波、加噪、剪切、縮放和旋轉等，也包括一些惡意的攻擊。

● 信息容量（data payload）：是指在一定保真度下，水印信號可傳遞的信息量。實際應用要求水印可傳送多位信息。

● 安全性：在應用中總有人要嵌入、檢測或剔除水印，而必須限制其他人做同樣的操作，這就是水印的安全性。要實現安全，必須保密重要信息，比如通常使用密鑰產生水印。

● 錯警率：是指在不含水印的宿主信號中，錯誤地檢測出水印的概率。很顯然，只有錯警率足夠低，系統才能安全可靠地使用。

設計水印必須圍繞上述性能指標選擇合適的技術。有些特性之間是不相容的，像不可見性、魯棒性和信息容量，必須做權衡的考慮。

由水印的保真性將其分為可見水印和不可見水印，顧名思義可見水印可通過人眼檢測。由水印的魯棒性又可分為魯棒水印（robust watermarking）和脆弱水印（fragile watermarking）。魯棒水印可以抵抗一定程度的信號處理；而脆弱水印的特點是任何對媒體信息的更改都會破壞水印的完整性，使水印檢測不出來。所以說魯棒水印是盡力保證水印信息的完整性，脆弱水印是盡力保證媒體信息的完整性，它們各有各的用途。還有一種水印介於二者之間，稱為半脆弱水印，對一些操作魯棒，但對重要數據特徵的修改操作是脆弱的。

數字水印技術的進展

早期，水印設計者關注的是如何把信息隱藏在數字媒體中並不被發現。為此，水印信息被置於二進制數據的最低位中，這類方案被統稱為最低有效位調制。很明顯，最低有效位內的信息容易在常用的信號處理中丟失，水印的魯棒性差。

隨後，出現了大量空間域內的水印演算法。水印嵌入不再是修改空間域內的單個點，而是一個點集或一個區域的特徵，例如均值、方差、奇偶性等。Patchwork是這類方法的一個典型代表。它在圖像空間隨機選取n對像素點(ai, bi)，並且對像素ai的亮度加d，bi的亮度減d，結果這兩組像素點之間亮度差值的均值被修改為2d。該均值和統計假設檢驗理論可確定水印的有無。可是Patchwork能嵌入的信息量有限，而且對幾何變換敏感。空間域內水印演算法存在的共性問題是對圖像處理的魯棒性差。

相較於空間域，頻譜則是一種很好的信號描述方法。低頻分量代表了信號的平滑部分，是主體信息;高頻分量表示信號的抖動部分，是邊緣信息，信號的分析和處理非常直觀方便。擴頻水印引入了擴頻通信理論，是一種非常流行的頻率域內的水印設計思想。它將數字媒體視為信道，通常具有較寬的帶寬，要嵌入的水印信號作為發射信號，帶寬較窄。可以先將水印擴展到多個頻率點上，再與媒體信號疊加。這樣，每個頻率分量內只含有微小能量的水印，既保證了不可見性，同時要破壞水印，則必須在每個頻率上疊加幅值很高的雜訊。這一思想首先被應用到DCT域內，之後又被推廣到傅立葉變換域和小波域內。另外，為了兼顧水印的保真性，人類感知模型被用於控制每個頻率點上水印的能量，使其不至於破壞信號質量，從而形成了一類自適應的擴頻水印。

另一種重要的水印模型是把水印看成是已知邊帶信息的通信。邊帶信息指的是嵌入器端已知的信息，包括媒體數據。嵌入器應該充分利用邊帶信息，盡可能提高水印正確檢測的概率。這對水印的設計有重要的指導意義，它說明含水印的宿主信號應該選擇在可檢測到水印的區域，同時保證一定的保真度。

當前，水印研究的熱點是探討媒體信號中能嵌入並可靠檢測的最大信息量，它應用了已知邊帶信息的通信模型以及資訊理論的知識。水印演算法的研究則側重於針對壓縮域，即JPEG、MPEG等壓縮標准，因為壓縮是信息傳輸中必須採用的技術。

數字水印的攻擊技術

對媒體數據的各種編輯和修改常常導致信息損失，又由於水印與媒體數據緊密結合，所以也會影響到水印的檢測和提取，我們把這些操作統稱為攻擊。水印的攻擊技術可以用來測試水印的性能，它是水印技術發展的一個重要方面。如何提高水印的魯棒性，抵抗攻擊，是水印設計者最為關注的問題。

第一代水印性能評價系統Stirmark囊括了大量的信號和圖像處理操作，它們可以分為：

● 去除水印攻擊(Removal attack):主要包括A/D、D/A轉換、去噪、濾波、直方圖修改、量化和有損壓縮等。這些操作造成了媒體數據的信息損失，特別是壓縮，能在保證一定信息質量的前提下，盡可能多地剔出冗餘，使得水印被去掉。

● 幾何攻擊(Geometrical attack):主要包括各種幾何變換，例如旋轉、平移、尺度變換、剪切、刪除行或列、隨機幾何變換等。這些操作使得媒體數據的空間或時間序列的排布發生變化，造成水印的不可檢測，因此也叫非同步攻擊。

● 共謀攻擊：攻擊者利用同一條媒體信息的多個含水印拷貝，使用統計方法構造出不含水印的媒體數據。

● 重復嵌入攻擊：攻擊者在已嵌入他人水印的媒體數據中嵌入自己的版權信息，從而造成版權糾紛。

第二代水印攻擊系統由Voloshynovskiy提出，其核心思想是利用合理的媒體數據統計模型和最大後驗概率來估計水印或者原始媒體信號，從而將水印剔除。

對攻擊技術的分析和研究促進了水印技術的革新，但也為水印自身提出了一個又一個挑戰。當前，還不存在一種演算法能夠抵抗所有的攻擊，特別是幾何攻擊，是學術界公認的最困難的問題，目前還沒有成熟的方案。

數字水印產品

20世紀90年代末期國際上開始出現一些水印產品。美國的Digimarc公司率先推出了第一個用於靜止圖像版權保護的數字水印軟體，而後又以插件形式將該軟體集成到Adobe公司的Photoshop和Corel Draw圖像處理軟體中。AlpVision公司推出的LavelIt軟體，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字元，用於文檔的保護與跟蹤。MediaSec公司的SysCop用水印技術來保護多媒體內容，欲杜絕非法拷貝、傳播和編輯。

美國版權保護技術組織（CPTWG）成立了專門的數據隱藏小組（DHSG）來制定版權保護水印的技術標准。他們提出了一個5C系統，用於DVD的版權保護。IBM公司將數字水印用於數字圖書館的版權保護系統中。許多國際知名的商業集團，如韓國的三星、日本的NEC等，也都設立了DRM技術開發項目。另外，當前還有一些潛在的應用需求，例如軟體的搜索和下載數量的統計、網頁安全預警、數字電視節目的保護和機密文檔的防遺失等。

一些國際標准中已結合了數字水印或者為其預留了空間。SDMI的目標是為音樂的播放、存儲和發布提供一個開放的框架。SDMI規范中規定了多種音頻文件格式，並聯合加密和數字水印技術來實現版權保護。已經頒布的JPEG2000國際標准中，為數字水印預留了空間。即將頒布的數字視頻壓縮標准MPEG-4(ISO/IEC 14496)，提供了一個知識產權管理和保護的介面，允許結合包括水印在內的版權保護技術。

在國內，政府對信息安全產業的發展極為重視。數字水印的研究得到了國家自然科學基金和「863」計劃的資助。國內信息隱藏學術研討會(CIHW)自1999年以來至今已成功舉辦了五屆，有力地推動了水印技術的研究與發展。去年政府更頒布了《中華人民共和國電子簽名法》，這給水印技術的應用提供了必要的法律依據。

盡管數字水印發展迅速，但離實際應用，還有一段距離要走。許多項目和研究都還處於起步和實驗階段，已出現的水印產品還不能完全滿足使用需求。如今水印技術正在向縱深發展，一些基本的技術和法律問題正逐個得到解決。相信不久的將來，水印與其它DRM技術的結合，將徹底解決數字內容的管理和保護問題。

小資料2

多媒體數字版權保護的應用案例

在安全領域有20年發展歷史的美商SafeNet推出的數字產權保護方案DMD是採用加密技術的DRM產品。SafeNet公司亞太地區副總裁陳泓應記者的要求介紹幾個成功的應用案例。

DMD主要應用於音樂和鈴聲的下載、VOD、多媒體內容發布服務，以及最近的移動TV。基本來說，客戶選擇基於以下幾點:基於電信級的性能，可以同時處理上千個用戶；可以同步支持多種DRM技術，並且對未來的DRM技術有高支持能力；高互通性，確保伺服器端與客戶端能安全穩定地溝通；先進的授權能力，例如可以有效控制一個授權的使用量；高集成性，確保DRM的平台不是獨立作業的，可以很容易地整合至伺服器平台，與收費系統等結合。

在音樂下載方面，NPO是SafeNet在法國的客戶。他們主要負責發布CD音樂及將發表的音樂放到FN@C的網路上供人付費下載。NPO將音樂內容做DRM處理後，將內容由FN@C (這是一個公開的入口網站)發布，提供給人付費下載。當終端用戶付了錢，FN@C會將一部分的證明數據加密並提交給NPO，由NPO產生授權給此用戶。

在VOD的應用層面，德國的Arcor公司是一家ISP供貨商。透過DRM解決方案，Arcor將影音內容加密，透過互聯網和Cable給客戶做使用者付費的服務。客戶付了錢，Arcor由SafeNet的DRM解決方案產生正式授權，讓客戶享用影音服務。

在3G的應用方面，英國的BT LiftTime公司也採用SafeNet的DMD方案。BT LifeTime向內容供貨商購買cable TV的內容(如運動節目或音樂節目等)，並將此內容轉成dab格式，經過DMD加密並放到其平台，再轉賣給無線運營商，提供移動裝置用戶直接付費下載內容。通過SafeNet DMD將授權提供給已經付費的客戶。

（計算機世界報 2005年11月14日 第44期 B6、B7）

MPEG-4視頻數字水印技術的設計與實現
武漢大學信號與信息處理實驗室(430079) 裘風光 李富平
隨著信息技術和計算機網路的飛速發展，人們不但可以通過互聯網和CD-ROM方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數據完全相同的復製品，由此引發的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題。因此，數字多媒體產品的水印處理技術已經成為近年來研究的熱點領域之一。
雖然數字水印技術近幾年得到長足發展，但方向主要集中於靜止圖像。由於包括時間域掩蔽效應等特性在內的更為精確的人眼視覺模型尚未完全建立，視頻水印技術的發展滯後於靜止圖像水印技術。另一方面，由於針對視頻水印的特殊攻擊形式的出現，為視頻水印提出了一些區別於靜止圖像水印的獨特要求。

本文分析了MPEG-4視頻結構的特點種基於擴展頻譜的視頻數字水印改進方案應用實例。

1視頻數字水印技術簡介

1．1數字水印技術介紹

數字水印技術通過一定的演算法將一些標志性信息直接嵌入到多媒體內容當中，但不影響原內容的價值和使用，並且不能被人的感知系統覺察或注意到。與傳統的加密技術不同，數字水印技術並不能阻止盜版活動的發生，但可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播，鑒別真偽，解決版權糾紛並為法庭提供認證證據。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數水印製作方案都採用密碼學中的加密體系來加強，在水印嵌入、提取時採用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯合使用。水印嵌入和提取的一般方法如圖1所示。

1．2視頻數字水印設計應考慮的幾個方面

·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標識多媒體內容的購買者或所有者。

·不可察覺性：嵌入在視頻數據中的數字水印應該不可見或不可察覺。

·魯棒性：在不明顯降低視頻質量的條件下，水印很難除去。

·盲檢測：水印檢測時不需要原始視頻，因為保存所有的原始視頻幾乎是不可能的。

·篡改提示：當多媒體內容發生改變時，通過水印提取演算法，能夠敏感地檢測到原始數據是否被篡改。

1．3視頻數字水印方案選擇

通過分析現有的數字視頻編解碼系統，可以將目前MPEG-4視頻水印的嵌入與提取方案分為以下幾類，如圖2所示。

(1)視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。此類方案的優點是：水印嵌入的方法較多，原則上數字圖像水印方案均可應用於此。缺點是：

·會增加視頻碼流的數據比特率；

·經MPEG-4有損壓縮後會丟失水印；

·會降低視頻質量；

·對於已壓縮的視頻，需先進行解碼，然後嵌入水印，再重新編碼。

(2)視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散餘弦變換(DCT)的直流系數(DC)中(量化後、預測前)。此類方案的優點是：

·水印僅嵌入在DCT系數中，不會增加視頻流的數據比特率；

·易設計出抗多種攻擊的水印；

·可通過自適應機制依據人的視覺特性進行調制，在得到較好的主觀視覺質量的同時得到較強的抗攻擊能力。

缺點是對於已壓縮的視頻，有一個部分解碼、嵌入、再編碼的過程。

(3)視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在MPEG-4壓縮比特流中。優點是不需完全解碼和再編碼的過程，對整體視頻信號的影響較小。缺點是：

·視頻系統對視頻壓縮碼率的約束將限制水印的嵌入量；

·水印的嵌入可能造成對視頻解碼系統中運動補償環路的不良影響；

·該類演算法設計具有一定的復雜度。

2 MPEG-4視頻水印的實現

基於上述的各種方案，本文在方案二的基礎上提出了一種針對MPEG-4視頻編碼系統的擴展頻譜數字水印技術改進方案，將擴頻調制後的水印信息嵌入到視頻流IVOP(Intra Video Object Plane)中色度DCT直流系數的最低位。本方案不需要完全解碼，大大減少了運算的
復雜度，提高了實時性。同時由於水印嵌入在直流系數中，在保證視頻效果不失真的前提下，水印具有很強的魯棒性。

2．1 MPEG-4視頻的特點 MPEG-4視頻編解碼基於VOP(Video Object Plane)。

從時間上看，VOP分為內部VOP(1VOP)、前向因果預測VOP(PVOP)、雙向非因果預測VOP(BVOP)、全景的靈影VOP(SVOP)。IVOP只用本身的信息進行編碼；PVOP利用過去的參考VOP進行運動補償的預測編碼；BVOP利用過去和將來的參考VOP進行雙向運動補償的預測編碼；SVOP一系列運動圖像中的靜止背景。因此IVOP的圖像信息較獨立，最適合嵌入水印信息。

從空間上看，它由若干個大小為16×16的宏塊(Macro Block)組成，每個宏塊包括大小為8×8的6個子塊。其中4個亮度子塊Y，1個色差子塊U，1個色差子塊V。IVOP編碼基本流程如圖3所示。

為了不受量化過程的影響，本方案將水印嵌入在量化後的DCT系數中，從而提高了水印生存的穩定性。在MPEG-4壓縮演算法中，DCT系數的量化是關鍵，它直接影響視頻的質量和碼流控制演算法。為此，MPEG-4提供了一個供參考的標准量化表。該表根據人類視覺模型(HVS)建立。考慮到人眼對高頻信息損失的敏感度較低頻損失小很多，因此通常把水印嵌入到中低頻信息中，提高了水印信息的魯棒性。另外，根據人眼對亮度信息的變化比色度信息較敏感這一特性，為最大限度地保持視頻質量，本方案將水印嵌入到色度(U子塊)DCT系數中。由於DCT是目前多媒體視頻壓縮中被廣泛採用的技術基礎，因此基於DCT的視頻水印方案具有顯著的優勢。將水印信息嵌入到IVOP色度量化後的DCT直流系數中，不但無需引入額外的變換以獲取視頻的頻譜分布，且水印信息不受DCT系數量化帶來的影響。

2．2視頻數字水印演算法與實現

在MPEG-4視頻中，由於IVOP中色度子塊的DCT直流系數是一個在視頻流中始終存在且很魯棒的參數，本方案將水印信息經m序列(最長線性反饋移存器序列)調制後嵌入到IVOP的色度子塊DCT的直流系數中。這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下難以去除，所以魯棒性足夠強。本方案採用擴頻的方法，以方便有效地檢測水印，抵抗各種攻擊和干擾，保密性好。關鍵問題是色度DCT的直流系統是一個對視覺系統很敏感的參數，本方案在色度DCT的直流系數上加水印相當於對其加入微量干擾，必須使這種干擾低於一定的門限值，使人眼的視覺系統對視頻中色度的微小變化感覺不到。經過試驗將水印嵌入到IVOP的色度DCT的直流系數的最低位能滿足要求。

2．2．1視頻數字水印的嵌入

偽隨機的擴展序列長度為255(28-1)，每一水印信息位通過偽隨機擴展序列的調制嵌入到相應的IVOP色度對應的DCT直流系數(量化後、預測前)的最低位，這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下一般難以去除。同時，嵌入在直流系數的最低位，帶來的誤差非常小。

偽隨機的擴展序列產生代碼如下：

#define M_LEN 255
#define M_SERIES 8
for(I=0；i for(i=M_SERIES；i {
m[i]=m[i-1]+m[i-5]+m[I-6]+m[i-7]
m[i]=m[i]％2；
}
水印信息位擴展調制方式為：

·水印信息位為0，偽隨機的擴展序列不變；

·水印信息位為1，偽隨機的擴展序列取反。

這個過程可以用異或運算實現。代碼如下：

Wmij=Wi^m[j]；

／*每一水印信息位擴展調製成255位的擴展調制位*／
這里Wi表示水印信息碼流，WMij表示水印信息擴展調制碼流。設UDCij表示視頻IVOP色度DCT的直流系數(量化後、DC預測計算之前)序列，為了方便，用一個位元組表示一位二進制碼流信息。

水印嵌入過程如下：

if(WMij) UDCij 1=1；

／*根據擴展調制後的碼流嵌入水印信息*／

else UDCij&=0xFFFE；

2．2．2視頻數字水印的提取

水印信息提取是水印信息嵌入的逆過程，代碼如下：

if(inv_UDCij &1)inv_Wmij=1；
else inv_Wmij=0；

這里inv_UDCij表示帶有水印信息的視頻IVOP色度DCT的直流系數(反量化前、DC預測計算之後)序列；inv_WMij表示檢測到的水印信息擴展調制碼流。每個IVOP色度子塊在解碼時得到一位擴展調制的信號位，每連續255個擴展調制的信號位可解調得到1位水印
信息，具體分析如下：

用與原始偽隨機序列結構相同且完全同步的序列與得到的連續255個擴展調制的信號接收序列進行異或運算，統計運算後1的個數記為OneCount。由於m序列的自相關函數只有兩種取值(1和-1／(2n-1))，屬於雙值自相關序列。因此，如果數據未受到任何攻擊和干擾，OneCount只有兩種結果：255或0。當OneCount=255時，得到的水印信息位為1；當OneCount=0時，得到的水印信息位為0。如果數據受到攻擊或干擾，OneCount有多種結果。根據統計分析，當OneCount>127時，得到的水印信息位為1，並且這255個IVOP色度子塊中有(255-OneCount)個子塊受到攻擊或干擾；當OneCount<127時，得到的水印信息位為0，並且這255個IVOP色度子塊中有OneCount個子塊受到攻擊或干擾。這樣既可以統計總共有多少視頻IVOP色度子塊受到攻擊或干擾，同時又能極強地恢復出原始水印信息。

3試驗結果分析

試驗結果表明，m序列的長度越長，檢測效果越好，但能夠嵌入的水印信息量也相應地減少。本方案中水印只嵌入在視頻的IVOP中，不修改PVOP和BVOP，對幀跳躍與幀刪除攻擊穩健，因為IVOP不可以被跳躍或刪除。同時，由於水印信息嵌入在DCT的直流系數中，而直流系數的變化對視頻效果會有較大的影響，所以採取將水印信息嵌入到色度子塊DCT直流系數的最低位。這樣不僅使水印嵌入計算的復雜度大為降低，為MPEG-4編解碼節省了時間，還可取得良好的視頻效果，達到了不可覺察性。從統計角度看也不會增加視頻碼流。另外，水印提取時無需原始視頻。若水印信息未受到攻擊，則本方案可准確地提取到原始視頻的完全水印；若水印信息受到攻擊，根據擴頻解調性質，本方案可以最大限度地恢復出原始水印信息，並統計出有多少個IVOP色度子塊受到攻擊。

由於DCT是目前多媒體視頻壓縮幾大標准(H．261、H．263、MPEG-4等)共同採用的技術基礎。因此基於DCT的水印方案在視頻壓縮中具有非常重要的研究意義和應用前景。本文在此基礎上提出了一個基於擴展頻譜的MPEG-4視頻數字水印方案。實踐證明，在不需要原始視頻的情況下，本方案能敏感地檢測到數據是否被篡改或破壞，並具有良好的穩定性和魯棒性，從而提供了知識產權的保護，防止非法獲取。

本文摘自《電子技術應用》

應用：數字水印

消息認證與數字簽名可以應用到數字水印中。

傳統水印用來證明紙幣或紙張上內容的合法性，數字水印（digital watermark）用以證明一個數字產品的擁有權、真實性。數字水印是嵌在數字產品中的數字信息。可以是作者的序列號、公司標志、有特殊意義的文本等。

數字水印主要用於：阻止非法復制(間接的)、確定所有權(作者、發行人、分發商、合法的最終用戶)、確定作品的真實性和完整性(是否偽造、被篡改)、證實收件人、不可否認的傳送、法庭證據的驗證、贗品甄別、識別文件來源與版本、Web網路巡邏監視盜賊等。

傳統水印是人眼可以看得見的，而數字水印可以分為可感知的(Perceptible)和不易感知的(Inperceptible)兩種。

可感知的數字水印，主要用於當場聲明對產品的所有權、著作權及來源，起到一個宣傳廣告或約束的作用。可感知水印一般為較淡的或半透明的不礙觀瞻的圖案；比如電視台節目播放的同時，在某個角落插上電視台的半透明標志。另一個用途是為了在線分發作品，比如先將一個低解析度的有可見水印的圖像免費送人，其水印往往是擁有者或賣主的信息，它提供了尋找原高解析度作品的線索，若想得到高解析度的原作品則需付費。有些公司在產品出售前為了在網路上宣傳其產品，先做上可逆可見水印分發，付費購買時，再用專用軟體將可見水印去掉，加入不可見水印(發行人、分發商、最終用戶等的信息)。可見水印還有另一些用途，那就是為了節約帶寬、存儲空間等原因，在VCD、DVD等電影拷貝中用嵌入不可見水印的方式配上多種語言的副標題和字幕，待播放時由硬體根據需要實時地解出每一幀中的水印文字，將其顯示在屏幕上。

可見水印在某些產品中或多或少降低了作品的觀賞價值，使其用途相對受到一定限制。不易感知的水印的應用層次更高，製作難度更大。

不易感知的數字水印就像隱形墨水技術中的看不見的文字，隱藏在數字產品中。水印的存在要以不破壞原數據的欣賞價值、使用價值為原則。數字水印按照某種方式植入被保護的信息中，在產生版權糾紛時，通過相應的演算法提取出該數字水印，從而驗證版權的歸屬。被保護的信息可以是圖像、聲音、視頻或一般性的電子文檔等。為了給攻擊者增加去除水印的難度，大多數水印製作方案都在水印的嵌入、提取時使用密鑰。

圖5.7水印的嵌入與提取

數字水印技術雖然不能阻止盜版活動的發生，但它可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛並為法庭提供證據。

數字水印的設計需要考慮以下幾個方面：

魯棒性：是指被保護的信息經過某種改動後抵抗隱藏信息丟失的能力。例如傳輸過程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮、D/ A或 A/ D轉換、圖像的幾何變換（如平

⑧ 簡述數字水印的應用

數字水印應用領域
隨著數字水印技術的發展，數字水印的應用領域也得到了擴展，數字水印的基本應用領域是版權保護、隱藏標識、認證和安全不可見通信。
當數字水印應用於版權保護時，潛在的應用市場在於電子商務、在線或離線地分發多媒體內容以及大規模的廣播服務。數字水印用於隱藏標識時，可在醫學、制圖、數字成像、數字圖像監控、多媒體索引和基於內容的檢索等領域得到應用。數字水印的認證方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面數字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應用。 多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。
----1.數字作品的知識產權保護
----數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）的版權保護是當前的熱點問題。由於數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不採用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。
----「數字水印」利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。目前，用於版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其「數字圖書館」軟體中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟體中集成了Digimarc公司的數字水印插件。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。
----2.商務交易中的票據防偽
----隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過 1200dpi的彩色噴墨、激光列印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。
----另一方面，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網路安全技術成熟以後，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。
----3.證件真偽鑒別
----信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。
國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由於缺少有效的措施，使得「造假」、「買假」、「用假」成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形像也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿製和復制。
據我所知道的，現在藍光DVD振營中以SONY為首的BD振營所用的BD+技術就是一種數字水印技術。

⑨ 數字水印技術主要應用在什麼方面

數字水印技術主要應用在票證防偽、版權保護、篡改提示和隱蔽標識。

票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用於列印票據和電子票據、各種證件的防偽。

版權標識水印是目前研究最多的一類數字水印。數字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權標識水印主要強調隱蔽性和魯棒性，而對數據量的要求相對較小。

篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識原文件信號的完整性和真實性。

隱蔽標識水印的目的是將保密數據的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數據的使用。

(9)數字水印的發展歷史擴展閱讀：

數字水印是一個嶄新的信息隱藏技術，首次提出這個概念至今也不到20年。

核心技術

1、採用小波演算法，將數字圖像的空間域數據通過離散小波變換(DWT)轉換為相應的小波域系數，並根據待隱藏的信息類型，對其進行適當的編碼和變形，再根據隱藏信息量的大小和相應的安全目標，選擇方形的頻域系數序列。 最後，將數字圖像的頻域系數經反變換轉化為空間域數據。

2、當仿冒者得到含有數字水印的印刷包裝後，一定會設法復制，為防止數字水印信息被復制，數字水印嵌入軟體在隱藏水印信息時採用了色譜當量給定演算法，這種方法可以保證仿冒者在滿足工藝性調整原圖的色彩時，無法避免改動色譜當量，這樣就從根本上保證了水印不被復制。

3、從數字圖像到印刷品，要經過製版、印刷等多道工序，數字水印的特徵在每個工序上都要被衰減，為保證數字水印在最終印刷品上有足夠的信號強度，數字水印嵌入軟體在生成水印信息時充分考慮了足夠的信號強度，確保經過多個工序時信號強度(魯棒性)仍能被可靠機讀。

4、數字水印檢驗機讀化可消除人為因素的不確定性，提高檢驗速度，增強隱蔽信息(水印)識別的安全性，並可和RFID、紫外、磁條等已有成熟的防偽檢驗設備組成多重立體防偽系統，提升綜合安防水平。

⑩ 關於數字水印的應用，需要大家的建議。。

數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。

當今社會的發展已經呈現兩個明顯的特徵：數字化和網路化。數字化指的是信息的存儲形式，特點是信息存儲量大、便於編輯和復制；網路化指的是信息的傳輸形式，具有速度快、分布廣的優點。過去10年，數字媒體信息的使用和分布呈爆炸性的增長。人們通過互聯網可以快捷方便地獲得數字信息和在線服務。但同時，盜版也變得更加容易，對數字內容的管理和保護成為業界迫切需要解決的問題。

數字信息在本質上有別於模擬信息，傳統的保護模擬信息的方案對數字信息已不再奏效。再加上一些具有通用目的的處理器，如PC機，使得那些基於硬體的媒體保護方案很容易被攻破。而通常採用的加密技術事實上只能在信息從發送者到接受者的傳輸過程中保護媒體的內容。在信息被接收到以後，再利用的過程中所有的數據對使用者都是透明的，不再受到任何保護。在這一形勢下，數字水印作為一種潛在的解決方案，得到了眾多學者的青睞。

數字水印的基本思想是在原始媒體數據中，如音頻、視頻、圖像等，隱藏具有一定意義的附加信息作為標記，這些信息與原始數據緊密結合，並隨之一起被傳輸。在接收端，通過計算機水印信號被提取出來用於各種目的，可能的應用包括數字簽名、數字指紋、廣播監視、內容認證、拷貝控制和秘密通信等。數字水印被視做抵抗多媒體盜版的「最後一道防線」。因此從水印技術自身來說，它具有廣泛的應用前景和巨大的經濟價值。
數字水印的一般框架圖

數字水印的基本框架

一個典型的水印系統由嵌入器和檢測器組成，如圖所示。嵌入器（式（1））根據要傳送的信息M生成真正的水印信號，並把它隱藏到媒體數據x中，得到含水印的信號y。為了安全起見，水印信號的生成通常依賴於密鑰K。

y經過傳輸網路可能會有一定的信息損失，到達檢測器端變成y′，這段通道對於嵌入器和檢測器來說都是不可控、不可知的，可以稱其為攻擊通道（attack channel）。檢測器負責從y′中提取信息，如式（2）。對於不需要宿主信號的檢測，我們稱為盲水印（blind watermarking），相反稱為非盲水印（non-blind watermarking）。由於應用的需求，盲水印一直是研究的主流。

數字水印的特性

數字水印的思想雖然簡單，但是要達到應用的目的，就必須滿足一定的性能指標，其中相對重要的特性包括：

● 保真性（fidelity）：又常稱為不可見性，指的是水印嵌入導致宿主信號質量變化的程度。鑒於宿主信號多是多媒體數據供人們觀賞，水印應具有很高的保真性，同時又增加了水印自身的安全。

● 魯棒性（robustness）：是指水印在媒體數據編輯、處理過程中的生存能力。媒體數據的各種操作會導致宿主信號信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、濾波、加噪、剪切、縮放和旋轉等，也包括一些惡意的攻擊。

● 信息容量（data payload）：是指在一定保真度下，水印信號可傳遞的信息量。實際應用要求水印可傳送多位信息。

● 安全性：在應用中總有人要嵌入、檢測或剔除水印，而必須限制其他人做同樣的操作，這就是水印的安全性。要實現安全，必須保密重要信息，比如通常使用密鑰產生水印。

● 錯警率：是指在不含水印的宿主信號中，錯誤地檢測出水印的概率。很顯然，只有錯警率足夠低，系統才能安全可靠地使用。

設計水印必須圍繞上述性能指標選擇合適的技術。有些特性之間是不相容的，像不可見性、魯棒性和信息容量，必須做權衡的考慮。

由水印的保真性將其分為可見水印和不可見水印，顧名思義可見水印可通過人眼檢測。由水印的魯棒性又可分為魯棒水印（robust watermarking）和脆弱水印（fragile watermarking）。魯棒水印可以抵抗一定程度的信號處理；而脆弱水印的特點是任何對媒體信息的更改都會破壞水印的完整性，使水印檢測不出來。所以說魯棒水印是盡力保證水印信息的完整性，脆弱水印是盡力保證媒體信息的完整性，它們各有各的用途。還有一種水印介於二者之間，稱為半脆弱水印，對一些操作魯棒，但對重要數據特徵的修改操作是脆弱的。

數字水印技術的進展

早期，水印設計者關注的是如何把信息隱藏在數字媒體中並不被發現。為此，水印信息被置於二進制數據的最低位中，這類方案被統稱為最低有效位調制。很明顯，最低有效位內的信息容易在常用的信號處理中丟失，水印的魯棒性差。

隨後，出現了大量空間域內的水印演算法。水印嵌入不再是修改空間域內的單個點，而是一個點集或一個區域的特徵，例如均值、方差、奇偶性等。Patchwork是這類方法的一個典型代表。它在圖像空間隨機選取n對像素點(ai, bi)，並且對像素ai的亮度加d，bi的亮度減d，結果這兩組像素點之間亮度差值的均值被修改為2d。該均值和統計假設檢驗理論可確定水印的有無。可是Patchwork能嵌入的信息量有限，而且對幾何變換敏感。空間域內水印演算法存在的共性問題是對圖像處理的魯棒性差。

相較於空間域，頻譜則是一種很好的信號描述方法。低頻分量代表了信號的平滑部分，是主體信息;高頻分量表示信號的抖動部分，是邊緣信息，信號的分析和處理非常直觀方便。擴頻水印引入了擴頻通信理論，是一種非常流行的頻率域內的水印設計思想。它將數字媒體視為信道，通常具有較寬的帶寬，要嵌入的水印信號作為發射信號，帶寬較窄。可以先將水印擴展到多個頻率點上，再與媒體信號疊加。這樣，每個頻率分量內只含有微小能量的水印，既保證了不可見性，同時要破壞水印，則必須在每個頻率上疊加幅值很高的雜訊。這一思想首先被應用到DCT域內，之後又被推廣到傅立葉變換域和小波域內。另外，為了兼顧水印的保真性，人類感知模型被用於控制每個頻率點上水印的能量，使其不至於破壞信號質量，從而形成了一類自適應的擴頻水印。

另一種重要的水印模型是把水印看成是已知邊帶信息的通信。邊帶信息指的是嵌入器端已知的信息，包括媒體數據。嵌入器應該充分利用邊帶信息，盡可能提高水印正確檢測的概率。這對水印的設計有重要的指導意義，它說明含水印的宿主信號應該選擇在可檢測到水印的區域，同時保證一定的保真度。

當前，水印研究的熱點是探討媒體信號中能嵌入並可靠檢測的最大信息量，它應用了已知邊帶信息的通信模型以及資訊理論的知識。水印演算法的研究則側重於針對壓縮域，即JPEG、MPEG等壓縮標准，因為壓縮是信息傳輸中必須採用的技術。

數字水印的攻擊技術

對媒體數據的各種編輯和修改常常導致信息損失，又由於水印與媒體數據緊密結合，所以也會影響到水印的檢測和提取，我們把這些操作統稱為攻擊。水印的攻擊技術可以用來測試水印的性能，它是水印技術發展的一個重要方面。如何提高水印的魯棒性，抵抗攻擊，是水印設計者最為關注的問題。

第一代水印性能評價系統Stirmark囊括了大量的信號和圖像處理操作，它們可以分為：

● 去除水印攻擊(Removal attack):主要包括A/D、D/A轉換、去噪、濾波、直方圖修改、量化和有損壓縮等。這些操作造成了媒體數據的信息損失，特別是壓縮，能在保證一定信息質量的前提下，盡可能多地剔出冗餘，使得水印被去掉。

● 幾何攻擊(Geometrical attack):主要包括各種幾何變換，例如旋轉、平移、尺度變換、剪切、刪除行或列、隨機幾何變換等。這些操作使得媒體數據的空間或時間序列的排布發生變化，造成水印的不可檢測，因此也叫非同步攻擊。

● 共謀攻擊：攻擊者利用同一條媒體信息的多個含水印拷貝，使用統計方法構造出不含水印的媒體數據。

● 重復嵌入攻擊：攻擊者在已嵌入他人水印的媒體數據中嵌入自己的版權信息，從而造成版權糾紛。

第二代水印攻擊系統由Voloshynovskiy提出，其核心思想是利用合理的媒體數據統計模型和最大後驗概率來估計水印或者原始媒體信號，從而將水印剔除。

對攻擊技術的分析和研究促進了水印技術的革新，但也為水印自身提出了一個又一個挑戰。當前，還不存在一種演算法能夠抵抗所有的攻擊，特別是幾何攻擊，是學術界公認的最困難的問題，目前還沒有成熟的方案。

數字水印產品

20世紀90年代末期國際上開始出現一些水印產品。美國的Digimarc公司率先推出了第一個用於靜止圖像版權保護的數字水印軟體，而後又以插件形式將該軟體集成到Adobe公司的Photoshop和Corel Draw圖像處理軟體中。AlpVision公司推出的LavelIt軟體，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字元，用於文檔的保護與跟蹤。MediaSec公司的SysCop用水印技術來保護多媒體內容，欲杜絕非法拷貝、傳播和編輯。

美國版權保護技術組織（CPTWG）成立了專門的數據隱藏小組（DHSG）來制定版權保護水印的技術標准。他們提出了一個5C系統，用於DVD的版權保護。IBM公司將數字水印用於數字圖書館的版權保護系統中。許多國際知名的商業集團，如韓國的三星、日本的NEC等，也都設立了DRM技術開發項目。另外，當前還有一些潛在的應用需求，例如軟體的搜索和下載數量的統計、網頁安全預警、數字電視節目的保護和機密文檔的防遺失等。

一些國際標准中已結合了數字水印或者為其預留了空間。SDMI的目標是為音樂的播放、存儲和發布提供一個開放的框架。SDMI規范中規定了多種音頻文件格式，並聯合加密和數字水印技術來實現版權保護。已經頒布的JPEG2000國際標准中，為數字水印預留了空間。即將頒布的數字視頻壓縮標准MPEG-4(ISO/IEC 14496)，提供了一個知識產權管理和保護的介面，允許結合包括水印在內的版權保護技術。

在國內，政府對信息安全產業的發展極為重視。數字水印的研究得到了國家自然科學基金和「863」計劃的資助。國內信息隱藏學術研討會(CIHW)自1999年以來至今已成功舉辦了五屆，有力地推動了水印技術的研究與發展。去年政府更頒布了《中華人民共和國電子簽名法》，這給水印技術的應用提供了必要的法律依據。

盡管數字水印發展迅速，但離實際應用，還有一段距離要走。許多項目和研究都還處於起步和實驗階段，已出現的水印產品還不能完全滿足使用需求。如今水印技術正在向縱深發展，一些基本的技術和法律問題正逐個得到解決。相信不久的將來，水印與其它DRM技術的結合，將徹底解決數字內容的管理和保護問題。

小資料2

多媒體數字版權保護的應用案例

在安全領域有20年發展歷史的美商SafeNet推出的數字產權保護方案DMD是採用加密技術的DRM產品。SafeNet公司亞太地區副總裁陳泓應記者的要求介紹幾個成功的應用案例。

DMD主要應用於音樂和鈴聲的下載、VOD、多媒體內容發布服務，以及最近的移動TV。基本來說，客戶選擇基於以下幾點:基於電信級的性能，可以同時處理上千個用戶；可以同步支持多種DRM技術，並且對未來的DRM技術有高支持能力；高互通性，確保伺服器端與客戶端能安全穩定地溝通；先進的授權能力，例如可以有效控制一個授權的使用量；高集成性，確保DRM的平台不是獨立作業的，可以很容易地整合至伺服器平台，與收費系統等結合。

在音樂下載方面，NPO是SafeNet在法國的客戶。他們主要負責發布CD音樂及將發表的音樂放到FN@C的網路上供人付費下載。NPO將音樂內容做DRM處理後，將內容由FN@C (這是一個公開的入口網站)發布，提供給人付費下載。當終端用戶付了錢，FN@C會將一部分的證明數據加密並提交給NPO，由NPO產生授權給此用戶。

在VOD的應用層面，德國的Arcor公司是一家ISP供貨商。透過DRM解決方案，Arcor將影音內容加密，透過互聯網和Cable給客戶做使用者付費的服務。客戶付了錢，Arcor由SafeNet的DRM解決方案產生正式授權，讓客戶享用影音服務。

在3G的應用方面，英國的BT LiftTime公司也採用SafeNet的DMD方案。BT LifeTime向內容供貨商購買cable TV的內容(如運動節目或音樂節目等)，並將此內容轉成dab格式，經過DMD加密並放到其平台，再轉賣給無線運營商，提供移動裝置用戶直接付費下載內容。通過SafeNet DMD將授權提供給已經付費的客戶。

（計算機世界報 2005年11月14日 第44期 B6、B7）

MPEG-4視頻數字水印技術的設計與實現
武漢大學信號與信息處理實驗室(430079) 裘風光 李富平
隨著信息技術和計算機網路的飛速發展，人們不但可以通過互聯網和CD-ROM方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數據完全相同的復製品，由此引發的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題。因此，數字多媒體產品的水印處理技術已經成為近年來研究的熱點領域之一。
雖然數字水印技術近幾年得到長足發展，但方向主要集中於靜止圖像。由於包括時間域掩蔽效應等特性在內的更為精確的人眼視覺模型尚未完全建立，視頻水印技術的發展滯後於靜止圖像水印技術。另一方面，由於針對視頻水印的特殊攻擊形式的出現，為視頻水印提出了一些區別於靜止圖像水印的獨特要求。

本文分析了MPEG-4視頻結構的特點種基於擴展頻譜的視頻數字水印改進方案應用實例。

1視頻數字水印技術簡介

1．1數字水印技術介紹

數字水印技術通過一定的演算法將一些標志性信息直接嵌入到多媒體內容當中，但不影響原內容的價值和使用，並且不能被人的感知系統覺察或注意到。與傳統的加密技術不同，數字水印技術並不能阻止盜版活動的發生，但可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播，鑒別真偽，解決版權糾紛並為法庭提供認證證據。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數水印製作方案都採用密碼學中的加密體系來加強，在水印嵌入、提取時採用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯合使用。水印嵌入和提取的一般方法如圖1所示。

1．2視頻數字水印設計應考慮的幾個方面

·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標識多媒體內容的購買者或所有者。

·不可察覺性：嵌入在視頻數據中的數字水印應該不可見或不可察覺。

·魯棒性：在不明顯降低視頻質量的條件下，水印很難除去。

·盲檢測：水印檢測時不需要原始視頻，因為保存所有的原始視頻幾乎是不可能的。

·篡改提示：當多媒體內容發生改變時，通過水印提取演算法，能夠敏感地檢測到原始數據是否被篡改。

1．3視頻數字水印方案選擇

通過分析現有的數字視頻編解碼系統，可以將目前MPEG-4視頻水印的嵌入與提取方案分為以下幾類，如圖2所示。

(1)視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。此類方案的優點是：水印嵌入的方法較多，原則上數字圖像水印方案均可應用於此。缺點是：

·會增加視頻碼流的數據比特率；

·經MPEG-4有損壓縮後會丟失水印；

·會降低視頻質量；

·對於已壓縮的視頻，需先進行解碼，然後嵌入水印，再重新編碼。

(2)視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散餘弦變換(DCT)的直流系數(DC)中(量化後、預測前)。此類方案的優點是：

·水印僅嵌入在DCT系數中，不會增加視頻流的數據比特率；

·易設計出抗多種攻擊的水印；

·可通過自適應機制依據人的視覺特性進行調制，在得到較好的主觀視覺質量的同時得到較強的抗攻擊能力。

缺點是對於已壓縮的視頻，有一個部分解碼、嵌入、再編碼的過程。

(3)視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在MPEG-4壓縮比特流中。優點是不需完全解碼和再編碼的過程，對整體視頻信號的影響較小。缺點是：

·視頻系統對視頻壓縮碼率的約束將限制水印的嵌入量；

·水印的嵌入可能造成對視頻解碼系統中運動補償環路的不良影響；

·該類演算法設計具有一定的復雜度。

2 MPEG-4視頻水印的實現

基於上述的各種方案，本文在方案二的基礎上提出了一種針對MPEG-4視頻編碼系統的擴展頻譜數字水印技術改進方案，將擴頻調制後的水印信息嵌入到視頻流IVOP(Intra Video Object Plane)中色度DCT直流系數的最低位。本方案不需要完全解碼，大大減少了運算的
復雜度，提高了實時性。同時由於水印嵌入在直流系數中，在保證視頻效果不失真的前提下，水印具有很強的魯棒性。

2．1 MPEG-4視頻的特點 MPEG-4視頻編解碼基於VOP(Video Object Plane)。

從時間上看，VOP分為內部VOP(1VOP)、前向因果預測VOP(PVOP)、雙向非因果預測VOP(BVOP)、全景的靈影VOP(SVOP)。IVOP只用本身的信息進行編碼；PVOP利用過去的參考VOP進行運動補償的預測編碼；BVOP利用過去和將來的參考VOP進行雙向運動補償的預測編碼；SVOP一系列運動圖像中的靜止背景。因此IVOP的圖像信息較獨立，最適合嵌入水印信息。

從空間上看，它由若干個大小為16×16的宏塊(Macro Block)組成，每個宏塊包括大小為8×8的6個子塊。其中4個亮度子塊Y，1個色差子塊U，1個色差子塊V。IVOP編碼基本流程如圖3所示。

為了不受量化過程的影響，本方案將水印嵌入在量化後的DCT系數中，從而提高了水印生存的穩定性。在MPEG-4壓縮演算法中，DCT系數的量化是關鍵，它直接影響視頻的質量和碼流控制演算法。為此，MPEG-4提供了一個供參考的標准量化表。該表根據人類視覺模型(HVS)建立。考慮到人眼對高頻信息損失的敏感度較低頻損失小很多，因此通常把水印嵌入到中低頻信息中，提高了水印信息的魯棒性。另外，根據人眼對亮度信息的變化比色度信息較敏感這一特性，為最大限度地保持視頻質量，本方案將水印嵌入到色度(U子塊)DCT系數中。由於DCT是目前多媒體視頻壓縮中被廣泛採用的技術基礎，因此基於DCT的視頻水印方案具有顯著的優勢。將水印信息嵌入到IVOP色度量化後的DCT直流系數中，不但無需引入額外的變換以獲取視頻的頻譜分布，且水印信息不受DCT系數量化帶來的影響。

2．2視頻數字水印演算法與實現

在MPEG-4視頻中，由於IVOP中色度子塊的DCT直流系數是一個在視頻流中始終存在且很魯棒的參數，本方案將水印信息經m序列(最長線性反饋移存器序列)調制後嵌入到IVOP的色度子塊DCT的直流系數中。這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下難以去除，所以魯棒性足夠強。本方案採用擴頻的方法，以方便有效地檢測水印，抵抗各種攻擊和干擾，保密性好。關鍵問題是色度DCT的直流系統是一個對視覺系統很敏感的參數，本方案在色度DCT的直流系數上加水印相當於對其加入微量干擾，必須使這種干擾低於一定的門限值，使人眼的視覺系統對視頻中色度的微小變化感覺不到。經過試驗將水印嵌入到IVOP的色度DCT的直流系數的最低位能滿足要求。

2．2．1視頻數字水印的嵌入

偽隨機的擴展序列長度為255(28-1)，每一水印信息位通過偽隨機擴展序列的調制嵌入到相應的IVOP色度對應的DCT直流系數(量化後、預測前)的最低位，這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下一般難以去除。同時，嵌入在直流系數的最低位，帶來的誤差非常小。

偽隨機的擴展序列產生代碼如下：

#define M_LEN 255
#define M_SERIES 8
for(I=0；i for(i=M_SERIES；i {
m[i]=m[i-1]+m[i-5]+m[I-6]+m[i-7]
m[i]=m[i]％2；
}
水印信息位擴展調制方式為：

·水印信息位為0，偽隨機的擴展序列不變；

·水印信息位為1，偽隨機的擴展序列取反。

這個過程可以用異或運算實現。代碼如下：

Wmij=Wi^m[j]；

／*每一水印信息位擴展調製成255位的擴展調制位*／
這里Wi表示水印信息碼流，WMij表示水印信息擴展調制碼流。設UDCij表示視頻IVOP色度DCT的直流系數(量化後、DC預測計算之前)序列，為了方便，用一個位元組表示一位二進制碼流信息。

水印嵌入過程如下：

if(WMij) UDCij 1=1；

／*根據擴展調制後的碼流嵌入水印信息*／

else UDCij&=0xFFFE；

2．2．2視頻數字水印的提取

水印信息提取是水印信息嵌入的逆過程，代碼如下：

if(inv_UDCij &1)inv_Wmij=1；
else inv_Wmij=0；

這里inv_UDCij表示帶有水印信息的視頻IVOP色度DCT的直流系數(反量化前、DC預測計算之後)序列；inv_WMij表示檢測到的水印信息擴展調制碼流。每個IVOP色度子塊在解碼時得到一位擴展調制的信號位，每連續255個擴展調制的信號位可解調得到1位水印
信息，具體分析如下：

用與原始偽隨機序列結構相同且完全同步的序列與得到的連續255個擴展調制的信號接收序列進行異或運算，統計運算後1的個數記為OneCount。由於m序列的自相關函數只有兩種取值(1和-1／(2n-1))，屬於雙值自相關序列。因此，如果數據未受到任何攻擊和干擾，OneCount只有兩種結果：255或0。當OneCount=255時，得到的水印信息位為1；當OneCount=0時，得到的水印信息位為0。如果數據受到攻擊或干擾，OneCount有多種結果。根據統計分析，當OneCount>127時，得到的水印信息位為1，並且這255個IVOP色度子塊中有(255-OneCount)個子塊受到攻擊或干擾；當OneCount<127時，得到的水印信息位為0，並且這255個IVOP色度子塊中有OneCount個子塊受到攻擊或干擾。這樣既可以統計總共有多少視頻IVOP色度子塊受到攻擊或干擾，同時又能極強地恢復出原始水印信息。

3試驗結果分析

試驗結果表明，m序列的長度越長，檢測效果越好，但能夠嵌入的水印信息量也相應地減少。本方案中水印只嵌入在視頻的IVOP中，不修改PVOP和BVOP，對幀跳躍與幀刪除攻擊穩健，因為IVOP不可以被跳躍或刪除。同時，由於水印信息嵌入在DCT的直流系數中，而直流系數的變化對視頻效果會有較大的影響，所以採取將水印信息嵌入到色度子塊DCT直流系數的最低位。這樣不僅使水印嵌入計算的復雜度大為降低，為MPEG-4編解碼節省了時間，還可取得良好的視頻效果，達到了不可覺察性。從統計角度看也不會增加視頻碼流。另外，水印提取時無需原始視頻。若水印信息未受到攻擊，則本方案可准確地提取到原始視頻的完全水印；若水印信息受到攻擊，根據擴頻解調性質，本方案可以最大限度地恢復出原始水印信息，並統計出有多少個IVOP色度子塊受到攻擊。

由於DCT是目前多媒體視頻壓縮幾大標准(H．261、H．263、MPEG-4等)共同採用的技術基礎。因此基於DCT的水印方案在視頻壓縮中具有非常重要的研究意義和應用前景。本文在此基礎上提出了一個基於擴展頻譜的MPEG-4視頻數字水印方案。實踐證明，在不需要原始視頻的情況下，本方案能敏感地檢測到數據是否被篡改或破壞，並具有良好的穩定性和魯棒性，從而提供了知識產權的保護，防止非法獲取。

本文摘自《電子技術應用》

應用：數字水印

消息認證與數字簽名可以應用到數字水印中。

傳統水印用來證明紙幣或紙張上內容的合法性，數字水印（digital watermark）用以證明一個數字產品的擁有權、真實性。數字水印是嵌在數字產品中的數字信息。可以是作者的序列號、公司標志、有特殊意義的文本等。

數字水印主要用於：阻止非法復制(間接的)、確定所有權(作者、發行人、分發商、合法的最終用戶)、確定作品的真實性和完整性(是否偽造、被篡改)、證實收件人、不可否認的傳送、法庭證據的驗證、贗品甄別、識別文件來源與版本、Web網路巡邏監視盜賊等。

傳統水印是人眼可以看得見的，而數字水印可以分為可感知的(Perceptible)和不易感知的(Inperceptible)兩種。

可感知的數字水印，主要用於當場聲明對產品的所有權、著作權及來源，起到一個宣傳廣告或約束的作用。可感知水印一般為較淡的或半透明的不礙觀瞻的圖案；比如電視台節目播放的同時，在某個角落插上電視台的半透明標志。另一個用途是為了在線分發作品，比如先將一個低解析度的有可見水印的圖像免費送人，其水印往往是擁有者或賣主的信息，它提供了尋找原高解析度作品的線索，若想得到高解析度的原作品則需付費。有些公司在產品出售前為了在網路上宣傳其產品，先做上可逆可見水印分發，付費購買時，再用專用軟體將可見水印去掉，加入不可見水印(發行人、分發商、最終用戶等的信息)。可見水印還有另一些用途，那就是為了節約帶寬、存儲空間等原因，在VCD、DVD等電影拷貝中用嵌入不可見水印的方式配上多種語言的副標題和字幕，待播放時由硬體根據需要實時地解出每一幀中的水印文字，將其顯示在屏幕上。

可見水印在某些產品中或多或少降低了作品的觀賞價值，使其用途相對受到一定限制。不易感知的水印的應用層次更高，製作難度更大。

不易感知的數字水印就像隱形墨水技術中的看不見的文字，隱藏在數字產品中。水印的存在要以不破壞原數據的欣賞價值、使用價值為原則。數字水印按照某種方式植入被保護的信息中，在產生版權糾紛時，通過相應的演算法提取出該數字水印，從而驗證版權的歸屬。被保護的信息可以是圖像、聲音、視頻或一般性的電子文檔等。為了給攻擊者增加去除水印的難度，大多數水印製作方案都在水印的嵌入、提取時使用密鑰。

圖5.7水印的嵌入與提取

數字水印技術雖然不能阻止盜版活動的發生，但它可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛並為法庭提供證據。

數字水印的設計需要考慮以下幾個方面：

魯棒性：是指被保護的信息經過某種改動後抵抗隱藏信息丟失的能力。例如傳輸過程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮、D/ A或 A/ D轉換、圖像的幾何變換