最火数字水印技术的新进展

数字水印技术的新进展

摘 要 数字水印是保护多媒体作品版权的有效手段。文章首先介绍数字水印必须具备的几项基本特征，在此基础上详细分析了水印嵌入的代表技术——扩展频谱法，最后对数字水印的应用前景做了展望。

关键词 多媒体 版权 数字水印 扩展频谱法

1 引言

随着数字技术和因特技术的快速发展，多媒体作品（图像、视频、声频）传播的范围和速度突飞猛进，但同时盗版现象也愈演愈烈。于是保护数字音像产品的版权，维护创作者的合法利益，成为关系文化市场繁荣的重大课题。数字水印（digital watermarking）技术正是在这个背景下诞生的，它通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印（watermark）来证明多媒体作品的所有权。

2 数字水印的特征

数字水印中包含音像作品的版本、创作者、拥有者、发行人等信息，数据量并不大，一般控制在100位以内，与动辄上兆字节的音乐、影视文件相比犹如藏在草堆中的一根针。数字水印必须具备如下基本特征：

* 透明性（invisibility）：利用人类视觉和听觉的特性，使带水印的作品欣赏起来无异于原先的作品。

* 不可检测性（undetectability）：水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在区别，攻击者无法用统计学方法确定水印的位置。

* 鲁棒性（robustness）：经过一些处理，多媒体数据发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以证明水印的存在。可能的处理包括：

（1）几何变形——对图像进行尺寸缩放、剪裁、扭转等。

（2）有据了解损压缩——常用的图形文件格式JPEG就属有损压缩。它先将图像用DCT函数转换到频率域，然后对其量化，在量化过程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以达到压缩文件尺寸的目的。虽然肉眼看不出来，但经过压缩后的图像其精度肯定有所降低。

（3）信号处理——如调整图像和视频的对比度、亮度、色度，以及模／数、数／模转换等。

* 安全性（security）：具有较强的抗攻击能力，能够承受一定程度的人为攻击，而暗藏的水印不被破坏。

水印嵌入算法可以分成空间域算法和频率域算法两大类，相比较，频率域算法生成的水印鲁棒性较强。由于JPEG压缩、图形缩放等均影响频率域中的高频部分，频率域算法在嵌入水印时可以有针对性地避开这些单元。而且，叠加在频率域上的信号经逆转换后会遍布整个空间域的所有像素，图形被剪裁后水印能量损失较小。

3 扩展频谱法

数字水印技术的一项重要成果是由Cox等人提出的扩展频谱法（spread spectrum）。传统水印嵌入技术一般都是将水印嵌入到图像中的最不容易感知的区域（least significant region），但这样区域常常会受普通的图像处理操作的影响，因此水印较易丧失。如果将水印叠加到较容易感知的区域，就可以避开常规图像处理操作的破坏。对于那些试图通过直接修改这些单元的值来消除水印的攻击者，在他们达到目的前，图像早已失真。这样，水印的鲁棒性大大增强，但如何维持不可见性呢？扩展频谱法巧妙地解决了这对矛盾。

扩展频谱水印嵌入技术是受扩展频谱通信理论的启发而产生的。根据扩展频谱通信理论，如果把一个窄带信号放在大得多的带宽中传送，那么在任何单一频率上的信号能量都会小到测不出来。依照这个思想，我们可以将水印扩散到一个广泛的频率范围，使得在任何频率单元上的能量都很弱，以至发现不了。扩展频谱水印嵌入在频率域上进行，流程图见图1 。

图1 水印嵌入流程图

水印嵌入的主要处理步骤有：

（1）将要嵌入的信息位（bits）用伪随机信号调制成M个实数组成的伪随机序列，呈平均值为0、方差为1的正态分布。这样就将水印能量分散到一个很大的频率范围，而在每个频率上值很小。如要在一张256×256的图像上嵌入80位的版权声明，水印长度M可以达到16000。

（2）对图像做离散余弦变换（discrete cosine transformation，简称DCT），得到图像的频率域形式。兼顾不可见性和鲁棒性，选取中频区域放置水印，因此跳过前L个系数，对从L+1至L+M的系数进行修改。沿用上面的例子，L可以取25000。

（3）系数修改采用公式：Dw(L+i)=D(L+i)+kD(L+i)W(i)。其中，D为图像的DCT系数序列；i=1．．M；k为尺度因子（比如0.2），控制水印嵌入强度。

（4）最后，对频率域系数做逆转换IDCT，得到空间域的水印图像。

图2a和2b分别是原始图像和嵌入水印后的图像，看起来毫无差别。

图2a 原始图像

图2b 嵌入水印后的图像

要检测一张可能受损的图像是否含有水印，先分别计算这张图像和原始图像的DCT，两者相减得到水印：W*(i)=(D*W(L+i)-D(L+i)/k。再计算这个提取出来的水印和原始水印的相关性：z=(1)/(M)∑Mi=1W*(i)W(i)。因为水印服从平均值为0，方差为1的正态分布，理论上，两个不同的水印计算出来的相关性为废旧塑料转化成3D打印材料有益于减少能源消耗0，而相同的水印则能得出高的相关性值。在实际应用中，如果提取出来的水印和某个水印的相关性大于阈值，就证明图像中嵌入了这个水印。

实验表明，即使水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理而产生比较明显的画质下降后，该方法仍能提取出一个可依赖的水印拷贝。例如，即使对水印图像做10％质量的JPEG压缩，检测器对原先嵌入的那个水印的反应（也就是相关性）仍达到0.016，而对其他水印的反应则小得多。又比如，将水印图像的尺寸缩小一半，检测时先将水印图像恢复成原来的大小，这样一缩一放后图像的精度显然要遭受损失，但检测器反应还是达到0.017，高于检测阈值，水印检测的有效性得到了保证。

4 应用前景

随着应用的日益深入，数字水印已不再局限于标注版权信息，它在多媒体作品的销售、播放和使用的各个环节中都产生了新的用途。

4.1 广播监测

广播监测即监测影视节目和音乐作品在电视台和广播电台上播出的时间和次数。广告是电视台的主要收入来源，但让广告客户放心不下的是，自己花了那么多钱，电视台有没有把自己的广告播放足够的时间长度；作曲家想确定电台播出他们的作品的次数，好收取版税；否则应当对送检的计量用具出具检定证书的制片商要防止自己的影视产品被电视台非法重播。如此等等都可以通过广播监测来解决。

我们在影视或音乐作品播出前嵌入特别的水印，然后由自动监测台接收广播，搜索其中的水印，从而确定这些作品在什么时候、由什么电台播放。

4.2 版权证明

长久以来，版权声明被印在书籍的扉页、电影的结尾、唱片的包装上，但这些都很容易被除去。数字水印提供了版权的补充证明，因为它融入多媒体作品中，随时向人们提醒作品的版权所有者，是解决著作权纠纷的利器。

4.3 真伪鉴别

我们知道，数码照片很容易修改，利用PhotoShop这样的图像处理软件可以改头换面、移因高温尼龙熔点温度比较高花接木而不留一丝痕迹。因此数码照片在法庭上不能作为证据使用。为了实现“可信任的摄影”，只需计算一张影片的特征标记（signature），哪怕其中一个像数的值被改动一位，图像都无法和原先的特征标记相匹配。将特征标记作为水印嵌入照片中，必要时用它就能证明图像的真伪。

这种水印还提供了这样的可能，能够告诉我们图像发生了什么篡改。因为改动图像必定要改动到上面的水印，根据改变的特征标记可以推算出图像被篡改的大致位置。

4.4 交易水印（指纹）

广播监测和版权证明都是在相同的多媒体作品上添加相同的水印，但是有时需要为一个作品的不同接收者定制不同的水印，这种水印称为交易水印（也称指纹）。交易水印让作品版权所有者或销售者很容易查出非法拷贝的来源，对于打击盗版源头十分有利。

影视公司在电影制作过程中经常需将样片送给有关单位审查，万一谁不小心把样片泄露出去，就极可能被不法之徒复制并流入市场，这将给制片商造成巨大损失。在这些样片上针对不同的接收者加上不同的水印会令接收者对样片加倍保护，因为是谁泄露的一查便知，难逃。

4.5 拷贝控制

实际上，无论版权证明还是交易水印都不能彻底阻止非法拷贝，只能作为有力的威摄和调查取证的工具，要杜绝非法拷贝最终离不开硬件上的改进。比如，让录制设备检测到一个表明禁止转录的水印就停止复制。要做到这点，所有录制设备都要增加检测水印的电路。DVD的非法拷贝对电影制造业来说是致命的打击，今天，制片商正在和DVD影碟机厂家联手开发利用水印技术阻止非法拷贝DVD节目的机制。

5 结论

数字水印因具有不可见性、不可检测性、鲁棒性和安全性等显著特征，而成为保护多媒体作品著作权的有力武器。经过短短几年的发展，数字水印的嵌入技术已经取得了长足进步。通过上面的分析，我们看到，扩展频谱法能够生成鲁棒性很强的水印，图像虽经压缩、尺寸缩放和剪裁等处理，而水印犹存。最后，一个广阔的应用前景展现在人们的面前，呼唤有志之士继续探索更先进、更多样的水印嵌入技术。

作者/俞 毅 峰 漳州市信息中心